一种土壤侵蚀类面源污染物入河量的计算方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种土壤侵蚀类面源污染物入河量的计算方法及装置，通过对污染物含量(通用土壤流失方程)与径流过程(WEP-L)的计算，将污染物随径流入河过程用具有物理机制的编程语言描述(Fortran编程)，实现土壤侵蚀类面源污染物入河量计算结果的动态性和稳定性，剔除人为因素的过多干扰。该方法既提高了计算结果的模拟精度，又实现了稳定预测功能。
【专利说明】一种土壤侵蚀类面源污染物入河量的计算方法及装置
【技术领域】
[0001] 本发明属于水文学与水环境学领域，尤其涉及一种土壤侵蚀类面源污染物入河量 的计算方法及装置。
【背景技术】
[0002] 土壤侵蚀类面源污染泛指土壤颗粒中含有溶解的和固体的污染物从非特定的地 点在降水（或融雪）的冲刷作用下，通过径流过程而汇入受纳水体引起水体水质恶化的现 象，此类污染物主要包括有机物、氮、磷、重金属等。通常采用输出系数法或水质反演法，这 些方法的不足在于：
[0003] 1、土壤侵蚀类面源污染入河量通常采用输出系数法或水质反演法进行计算，需依 靠针对性的实验数据方可完成，适用范围局限，不适用于流域大尺度污染入河量计算。
[0004] 2、土壤侵蚀类面源污染入河量计算结果受人为因素干扰较大。
[0005] 3、输出系数法是指土壤侵蚀类面源污染负荷与入河系数的乘积，入河系数依靠经 验或部分实验数据确定，计算范围不宜过大。
[0006] 4、水质反演法是指根据无支流汇入河段的输入、输出控制断面的污染物实测浓 度，反演土壤侵蚀类面源污染物入河量，对于河段选取较严格，需剔除其他类型面源（如畜 禽养殖类面源）的影响。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种土壤侵蚀类面源污染物入河量的计算方法及装置，旨 在解决上述【背景技术】中的不足。
[0008] 本发明是这样实现的，一种土壤侵蚀类面源污染物入河量的计算方法，包括以下 步骤：
[0009] S1、利用通用土壤流失方程计算土壤侵蚀量；
[0010] S2、利用WEP-L模拟地表径流过程，包含月径流过程和年径流过程；
[0011] S3、建立空间尺度下土壤侵蚀量-径流过程的线性关系；
[0012] S4、利用Fortran语言进行编程，耦合土壤流失方程和WEP-L模型，对土壤侵蚀类 面源污染物入河量进行动态计算；
[0013] S5、将Fortran程序运行结果导入GIS工具中，完成土壤侵蚀类面源污染物入河量 的空间可视化。
[0014] 优选地，在步骤S3中，所述线性关系用函数定义为：
[0015] W = Quota X USLE X a X R_thly/R_als
[0016] 式中：Quota为土壤中污染物含量，USLE为土壤侵蚀量，a为入河系数；R_thly为月 径流量；R_ als为年径流量。
[0017] 本发明进一步提供了一种土壤侵蚀类面源污染物入河量的计算装置，包括：
[0018] 土壤侵蚀量计算模块，用于利用通用土壤流失方程计算土壤侵蚀量；
[0019] 径流模拟模块，用于利用WEP-L模拟地表径流过程，包含月径流过程和年径流过 程；
[0020] 关系建立模块，用于建立空间尺度下土壤侵蚀量-径流过程的线性关系；
[0021] 动态计算模块，用于利用Fortran语言进行编程，耦合土壤流失方程和WEP-L模 型，对土壤侵蚀类面源污染物入河量进行动态计算；
[0022] 分布图绘制模块，用于将Fortran语言运行结果导入GIS工具中，完成土壤侵蚀类 面源污染物入河量的空间可视化；其中，
[0023] 所述土壤侵蚀量计算模块、径流模拟模块、关系建立模块、动态计算模块以及分布 图绘制模块依次连接。
[0024] 优选地，在关系建立模块中，所述线性关系用函数定义为：
[0025] W = Quota X USLE X a X R_thly/R_als
[0026] 式中：Quota为土壤中污染物含量，USLE为土壤侵蚀量，a为入河系数；R_thly为月 径流量；R_ als为年径流量。
[0027] 本发明克服现有技术的不足，提供一种土壤侵蚀类面源污染物入河量的计算方法 及装置，通过对污染物含量（通用土壤流失方程）与径流过程（WEP-L)的计算，将污染物随 径流入河过程用具有物理机制的编程语言描述（Fortran编程），实现土壤侵蚀类面源污染 物入河量计算结果的动态性和稳定性，剔除人为因素的过多干扰。该方法既提高了计算结 果的模拟精度，又实现了稳定预测功能。
【专利附图】
【附图说明】
[0028] 图1是本发明土壤侵蚀类面源污染物入河量的计算方法的步骤流程图；
[0029] 图2是本发明实施例中Fortran编辑界面图；
[0030] 图3是本发明实施例中又一 Fortran编辑界面图；
[0031] 图4是本发明实施例中地表径流过程输出结果；
[0032] 图5是本发明实施例中土壤侵蚀类面源污染物入河量空间分布图；
[0033] 图6是本发明土壤侵蚀类面源污染物入河量的计算装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0034] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0035] -种土壤侵蚀类面源污染物入河量的计算方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0036] S1、利用通用土壤流失方程计算土壤侵蚀量
[0037] 在步骤S1中，通用土壤流失方程USLE(Universal Soil Loss Equation)是用于 定量预报土地坡面多年平均年土壤流失量的一个经验性土壤侵蚀预报模型，其数学表达 式是一系列变量相乘的方程形式。计算公式为：
[0038] USLE = KXCXLXSXP
[0039] 式中：USLE为土壤侵蚀量，K为土壤类型，C为作物管理因子，L为坡长，S为坡度， P为水土保持措施因子。
[0040] S2、利用WEP-L模拟地表径流过程，包含月径流过程和年径流过程
[0041] 在步骤S2中，流域分布式水文模型WEP-L是在综合了分布式水文模型和陆面过程 模型各自优点的基础上开发的，模拟对象为天然-人工二元水循环系统。该模型采用"子 流域内等高带"为计算单元，并用马赛克法考虑计算单元内土地植被的多样性，避免了采 用过粗网格单元产生的模拟失真问题。针对各水循环要素过程时间尺度不同的特点，计算 时采用了 lh至Id的变时间步长，既合理表述了水循环动力学机制又提高了计算效率。主 要输入信息包括：河网水系、降水等气象要素、下垫面要素信息、社会经济信息等。
[0042] S3、建立空间尺度下土壤侵蚀量-径流过程的线性关系
[0043] 在步骤S3中，其中，土壤侵蚀量-径流过程的线性关系用函数定义为：
[0044] W = Quota X USLE X a X R_thly/R_als
[0045] 式中：Quota为土壤中污染物含量，USLE为土壤侵蚀量，a为入河系数；R_thly为月 径流量；R_ als为年径流量。
[0046] S4、利用Fortran语言进行编程，耦合土壤流失方程和WEP-L模型，对土壤侵蚀类 面源污染物入河量进行动态计算
[0047] 在步骤 S4 中，上述方程（指 W = Quota X USLE X a X R_thly/R_als)中，变量 USLE 是 土壤流失方程的输出结果，变量R_thly和R_als是WEP-L模型的输出结果，利用Fortran语 言编写求解W的过程，即为S4。
[0048] S5、将Fortran程序运行结果导入GIS工具中，完成土壤侵蚀类面源污染物入河量 的空间可视化
[0049] 在步骤S5中，利用GIS工具生成河网水系，利用河道拓扑关系进行计算单元编码， 输入河道基本属性。按照与生成河段基本信息对应的Fortran运行结果（如：计算单元编 码2134的土壤侵蚀量、土壤侵蚀污染物入河量）输入到GIS基本信息列表后作图。生成具 有空间分布特征的河道水系图。
[0050] 在本发明的实际应用过程中，包括以下具体步骤：
[0051] 1、进入Fortran编辑界面，利用"土壤侵蚀量=降雨侵蚀量X坡长X坡度X 土 壤可侵蚀因子X植被覆盖与管理因子X 土壤保持措施因子X计算单元面积"编写土壤侵 蚀量计算代码。利用"土壤侵蚀类面源污染物入河量=土壤中污染物含量X 土壤侵蚀量X 入河系数X月径流量/年径流量"编写土壤侵蚀类面源污染物入河量计算代码，见图2和 图3。
[0052] 2、利用WEP-L模型输出计算单元地表径流过程，见图4。
[0053] 3、将地表径流输出结果，作为Fortran程序的输入信息。
[0054] 4、利用GIS软件完成计算单元的土壤侵蚀类面源污染物入河量赋值，并绘制土壤 侵蚀类面源污染物入河量空间分布图，如图5。
[0055] -种土壤侵蚀类面源污染物入河量的计算装置，如图6所示，包括：
[0056] 土壤侵蚀量计算模块1，用于利用通用土壤流失方程计算土壤侵蚀量；
[0057] 径流模拟模块2,用于利用WEP-L模拟地表径流过程，包含月径流过程和年径流过 程；
[0058] 关系建立模块3,用于建立空间尺度下土壤侵蚀量-径流过程的线性关系；
[0059] 动态计算模块4,用于利用Fortran语言进行编程，耦合土壤流失方程和WEP-L模 型，对土壤侵蚀类面源污染物入河量进行动态计算；
[0060] 分布图绘制模块5,用于将Fortran语言运行结果导入GIS工具中，完成土壤侵蚀 类面源污染物入河量的空间可视化；其中，
[0061] 所述土壤侵蚀量计算模块1、径流模拟模块2、关系建立模块3、动态计算模块4以 及分布图绘制模块5依次连接。
[0062] 本发明的计算装置与上述实施例中的计算方法相对应，以上述方法中记载内容同 样解释本实施例装置，在此不再赘述。
[0063] 相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：
[0064] 1、适用于大流域尺度计算；
[0065] 2、计算结果空间分布特征明显，直观易懂；
[0066] 3、对实现土壤侵蚀面源污染物入河量的预测具有可行性。
[0067] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种土壤侵蚀类面源污染物入河量的计算方法，其特征在于包括以下步骤： 51、 利用通用土壤流失方程计算土壤侵蚀量； 52、 利用WEP-L模拟地表径流过程，包含月径流过程和年径流过程； 53、 建立空间尺度下土壤侵蚀量-径流过程的线性关系； 54、 利用Fortran语言进行编程，耦合土壤流失方程和WEP-L模型，对土壤侵蚀类面源 污染物入河量进行动态计算； 55、 将Fortran程序运行结果导入GIS工具中，完成土壤侵蚀类面源污染物入河量的空 间可视化。
2. 如权利要求1所述的土壤侵蚀类面源污染物入河量的计算方法，其特征在于，在步 骤S3中，所述线性关系用函数定义为： ff = QuotaXUSLEXaXRmonthly/Rannals 式中：Quota为土壤中污染物含量,USLE为土壤侵蚀量,a为入河系数；R_thly为月径流 量；R_ais为年径流量。
3. -种土壤侵蚀类面源污染物入河量的计算装置，其特征在于，包括： 土壤侵蚀量计算模块，用于利用通用土壤流失方程计算土壤侵蚀量； 径流模拟模块，用于利用WEP-L模拟地表径流过程，包含月径流过程和年径流过程； 关系建立模块，用于建立空间尺度下土壤侵蚀量-径流过程的线性关系； 动态计算模块，用于利用Fortran语言进行编程，耦合土壤流失方程和WEP-L模型，对 土壤侵蚀类面源污染物入河量进行动态计算； 分布图绘制模块，用于将Fortran语言运行结果导入GIS工具中，完成土壤侵蚀类面源 污染物入河量的空间可视化；其中， 所述土壤侵蚀量计算模块、径流模拟模块、关系建立模块、动态计算模块以及分布图绘 制模块依次连接。
4. 如权利要求3所述的土壤侵蚀类面源污染物入河量的计算装置，其特征在于，在关 系建立模块中，所述线性关系用函数定义为： ff = QuotaXUSLEXaXRmonthly/Rannals 式中：Quota为土壤中污染物含量,USLE为土壤侵蚀量,a为入河系数；R_thly为月径流 量；R_ais为年径流量。
【文档编号】G06F19/00GK104156570SQ201410354473
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月23日 优先权日:2014年7月23日
【发明者】贺华翔, 周祖昊, 牛存稳, 贾仰文, 胡鹏, 谢新民, 柴福鑫, 陈星宇 申请人:中国水利水电科学研究院