CN102565294A - 水源地监测评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水源地监测评价方法，该方法包括步骤：S1.结合地面水源地监测数据以及观测卫星的遥感数据及其辅助数据，对水源地各评价指标进行安全评价；S2.利用层次分析法，计算水源地各评价指标的权重系数；S3.基于模糊数学方法对水源地安全等级进行整体评价，并基于评价结果建立预警机制与应急机制。本发明的方法利用天地协同方法，将观测卫星的遥感数据和地面监测数据结合，得到评价水源地安全的各指标的分布情况，再结合各指标的评价标准，得到各指标的安全等级，考虑各指标的权重作用，可以得到水源的总体安全等级，从而能够快速、方便的实现大范围的地表水源地的监测评价，与地面监测台站实现了有力的互补。

Description

水源地监测评价方法
技术领域
本发明涉及地表饮用水源地监测评价技术领域，尤其涉及一种基于地面数据和观测卫星遥感数据的水源地监测评价方法。
背景技术
随着我国经济社会快速发展、人口持续增长和城镇化率逐步提高，水源地面临的环境压力显著增大，水质总体呈下降趋势，甚至部分水源因水质下降，不得不更换取水口位置，或是关闭水源地。目前，流域水环境的健康发展受到前所有为的挑战，尤其是流域饮用水源地的健康发展成为重中之重。
饮用水作为一类用途最为重要的水资源，目前在水质、水量及资源管理方面存在着诸多问题，老百姓饮用水安全已受到严重威胁，我国由于水源地污染而引起的社会问题相当突出，饮用水水源保护问题已成为关系国计民生的重大问题，***、国务院给予了高度重视。2010年6月11日，环境保护部会同国家发展改革委、住房城乡***、水利部和***五部门联合印发了《全国城市饮用水水源地环境保护规划(2008-2020年)》，这是我国第一部饮用水水源地环境保护规划，该工作旨在进一步掌握饮用水水源地环境状况，加强饮用水水源地污染防治和管理能力建设，建立完善水源地保护相关技术方法、法律法规，解决目前危害饮用水安全的重大问题，切实推动我国饮用水水源地保护工作的全面开展，并为后续饮用水水源地保护的各项工作奠定基础。《规划》的实施将有效指导各地开展饮用水水源地环境保护和污染防治工作，进一步改善我国城市集中式饮用水水源地环境质量，提升水源地环境管理和水质安全保障水平。
从2008年环保专项行动的检查结果来看，113个重点城市饮用水源地水质达标率仍然偏低。从主要污染物来源上看，不同类型水源地有不同来源。如在不达标的饮用水源地中，湖库型水源地主要超标因子为总氮，主要污染物来源为生活面源、农业面源和土壤本底。从上报给国务院的环保专项检查报告显示，目前饮用水源地环保问题的根源在于流域污染问题。
我国对饮用水的保护主要通过建立饮用水源保护区进行，饮用水水源保护区是国家为防治饮用水源地污染、保证水源地环境质量而划定，并要求加以特殊保护的一定面积的水域和陆域。事实上，许多水质和生态***的问题也都是在流域层次上发生，但只依靠水源地保护区不能做到对水源地完全的保护，保护区对水源地的保护程度有限，所以对于水源地环境安全来讲，不仅需要基于保护区对水源地进行保护，同时也要考虑从流域层次进行监测与管理。保护地表水饮用水源地的成败很大程度取决是否在流域尺度上采取控制措施。
目前水源地的监测主要采用“自下而上”的方式进行，由基层单位统计，逐级向上级单位汇总，这种监测方法需要的时间周期较长，并且工作量大，成本高。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：提供一种能够快速、周期性地对饮用水源进行监测，充分利用地表水体监测数据与遥感数据各自优势的地表饮用水源地监测评价方法。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明提供了一种水源地监测评价方法，该方法包括步骤：
S1.结合地面水源地监测数据以及观测卫星的遥感数据及其辅助数据，对水源地各评价指标进行安全评价；
S2.利用层次分析法，计算水源地各评价指标的权重系数；
S3.基于模糊数学方法对水源地安全等级进行整体评价，并基于评价结果建立预警机制与应急机制。
其中，步骤S1进一步包括：
S1.1基于地面水源地水质测量数据以及观测卫星的遥感数据，对水源地水体水质安全指标进行评价；
S1.2基于地面水量数据以及观测卫星的遥感数据，对水源地水量安全指标进行评价；
S1.3基于观测卫星的遥感数据及其辅助数据，对水源地流域水环境安全指标进行评价；
S1.4基于调查数据，对水源地环境监管能力指标进行评价。
3、如权利要求2所述的水源地监测评价方法，其特征在于，步骤S1.1进一步包括对水质类别、水体富营养程度以及水质风险的评价，其中，对水质类别的评价进一步包括步骤：
S1.111根据水源地的水体特征，确定表征此类水体特点的指标；
S1.112根据各指标对人体危害程度及处理消除的难易程度，将评价指标分为三类；
S1.113计算各个指标的评价指数，在单项评价指数的基础上计算分类评价指数，并进行水质指数的计算；
对水体富营养化程度的评价进一步包括步骤：
S1.121对观测卫星的遥感数据进行预处理，包括辐射定标、几何纠正、以及大气纠正；
S1.122基于反演模型，对预处理后的观测卫星的遥感数据进行水体水质参数反演；
S1.123基于水体富营养化评价模型，对水体的富营养化程度进行评价；
对水质风险的评价进一步包括：
S1.131基于观测卫星的遥感数据，进行水质风险识别；
S1.132基于水质风险评价模型，进行水源地水质风险评价。
其中，步骤S1.2中对水源地水量安全指标的评价包括：对水量供需比的评价：根据地面统计数据，计算水体的可供水量以及需求水量的比例，结合供水能力评价模型，确定供水能力的安全等级；以及对水体总水量的评价：根据观测卫星的遥感数据，对水源地水体面积进行识别，结合水体的水面面积-库容的关系模型，计算水体的总水量，并通过对比不同时间观测卫星的遥感数据水体面积的变化，计算设定时间段内水量的变化，对水体总水量进行安全评价。
其中，步骤S1.3中对水源地流域水环境安全指标进行评价之前包括步骤：对观测卫星的遥感数据进行辐射定标、几何纠正、以及大气纠正预处理，得到遥感图像的地表反射率数据；
对水源地流域水环境安全指标进行评价包括：
对土地利用情况进行评价：结合预处理后的遥感数据以及地面调查数据，基于不同地物具有不同光谱的特点，针对遥感图像进行不同地类的识别与提取，根据不同地类的不同特点，对水源地流域的土地利用情况进行安全评价；
对植被覆盖情况进行评价：根据预处理得到的地表反射率数据，基于定量遥感模型，计算植被覆盖度，并结合不同覆盖度植被对水生态安全的影响，对植被覆盖度进行安全评价；
对水土流失情况进行评价：将所述地表反射率数据作为土壤侵蚀模型的输入数据，计算流域水土流失量，并依据不同水土流失量对水体的影响，对流域的水土流失情况进行安全评价；
对面源污染情况进行评价：根据预处理后遥感数据以及地面统计数据，基于面源污染模型，计算水源地流域总磷/总氮TP/TN负荷；计算水源地水体的环境容量，并基于环境容量，对流域的面源污染进行安全评价。
其中，步骤S1.4中水源地环境监管能力指标的评价包括：对应急响应工程、保护区标志设施、监测点设置、以及软环境的评价。
其中，步骤S3进一步包括：基于模糊数据，通过模糊综合指数确定水源地安全等级，所述安全等级从高到低取值范围为1-5。
其中，所述观测卫星的遥感数据为环境一号卫星HJ-1A/B的CCD数据。
(三)有益效果
本发明的方法利用天地协同方法，将HJ-1A/B的CCD数据等遥感数据与地面监测数据结合，得到评价水源地安全的各指标的分布情况，再结合各指标的评价标准，得到各指标的安全等级，考虑各指标的权重作用，可以得到水源的总体安全等级，从而能够快速、方便的实现大范围的地表水源地的监测评价，与地面监测台站实现了有力的互补。
附图说明
图1为依照本发明一种实施方式的水源地监测评价方法流程图；
图2为依照本发明一种实施方式的水源地监测评价方法监测评价指标体系图。
具体实施方式
本发明提出的水源地监测评价方法，结合附图及实施例详细说明如下。
“环境一号”(HJ-1A/B)卫星***是中国国务院批准的专门用于环境和灾害监测的对地观测***，拥有光学、红外、超光谱多种探测手段，具有大范围、全天候、全天时、动态的环境和灾害监测能力。HJ-1A/B星数据不仅能为环境与减灾业务运行***提供重要保障，还将成为很多部门日常业务的重要数据源。基于环境卫星数据建立的环境与减灾应用***，对推动遥感卫星业务服务具有重要的示范作用。本发明中所提到的观测卫星优选为HJ-1A/B，观测卫星的遥感数据尤指HJ-1A/B的CCD数据。
如图1所示，依照本发明一种实施方式的水源地监测评价方法包括步骤：
S1.结合地面水源地监测数据以及HJ-1A/B的CCD数据及其辅助数据，对水源地进行安全评价，可得水源地各评价指标的安全等级表；
S2.利用层次分析法，计算水源地各评价指标的权重系数，结合水源地安全评价的等级表，可得到水源地总体安全的等级情况；
S3.基于模糊数学方法对水源地安全等级进行整体评价，并基于评价结果建立预警机制与应急机制。
其中，步骤S1进一步包括：
S1.1基于地面水源地水质测量数据以及HJ-1A/B的CCD数据，对水源地水体水质安全指标进行评价；
S1.2基于地面水量数据以及HJ-1A/B的CCD数据，对水源地水量安全指标进行评价；
S1.3基于HJ-1A/B的CCD数据及其辅助数据，对水源地流域水环境安全指标进行评价；
S1.4基于调查数据，对水源地环境监管能力指标进行评价。
步骤S1.1为对水源地水质的检测，通过水质类别、富营养化程度、水质安全风险等指标，反应水源地水体的水质安全情况。主要的监测内容包括：监测期内不同类别水质出现的频次，水体富营养化的程度，影响水质安全的风险等级；监测目的是了解水源地水质的基本情况及将来安全等级，为水源地保护及相应***提供依据；依据所需要数据源为地面水质监测数据和卫星数据，考虑到水质监测的实际情况及遥感数据获取周期，监测频率确定为水质风险为每季一次，其他为每月一次。最后通过专题图和专题报告进行成果表达。
其中，对水质类别的评价进一步包括步骤：
S1.111根据水源地的水体特征，确定表征此类水体特点的指标；
S1.112根据各指标对人体危害程度及处理消除的难易程度，将评价指标分为三类；
S1.113计算各个指标的评价指数，在单项评价指数的基础上计算分类评价指数，并进行水质指数的计算；
对水体富营养化程度的评价进一步包括步骤：
S1.121对HJ-1A/B的CCD原始数据进行预处理，包括辐射定标、几何纠正、以及大气纠正；
S1.122基于反演模型，对预处理后的HJ-1A/B的CCD数据进行水体水质参数反演；
S1.123基于水体富营养化评价模型，对水体的富营养化程度进行评价；
对水质风险的评价进一步包括：
S1.131基于HJ-1A/B的CCD数据，进行水质风险识别；
S1.132基于水质风险评价模型，进行水源地水质风险评价。
步骤S1.2为对水源地水量安全指标的评价，监测内容主要为监测期内水量满足使用的频率，水体消落带分布变化；监测目的是为了解水源地水量的基本情况及变化趋势，为确定水源的安全等级提供依据；监测数据源为地面统计数据和卫星数据，考虑到数据获取情况，监测频率为一年一次；最后通过以监测简报形式进行成果表达。评价主要包括：
对水量供需比的评价：根据地面统计数据，计算水体的可供水量以及需求水量的比例，结合供水能力评价模型，确定供水能力的安全等级；以及对水体总水量的评价：根据观测卫星的遥感数据，对水源地水体面积进行识别，结合水体的水面面积-库容的关系模型，计算水体的总水量，并通过对比不同时间观测卫星的遥感数据水体面积的变化，计算设定时间段内水量的变化，对水体总水量进行安全评价。
步骤S1.3为对水源地流域水环境安全指标进行评价之前包括步骤：对HJ-1A/B的CCD数据进行辐射定标、几何纠正、以及大气纠正预处理，得到遥感图像的地表反射率数据；对水源地流域水环境安全指标进行评价包括：对流域土地利用、植被覆盖、水土流失及面源污染的监测，以了解水源地面源污染及潜在风险，从而制定相应的流域管理措施。监测内容主要包括流域内土地利用、植被覆盖、水土流失、面源污染评价；监测目的是通过反应流域面源情况的指标，实现面源对饮用水源地影响的监控，为制定政策提供依据；监测的数据为卫星遥感数据，配合地面验证。监测频率为一年一次，也可以根据需要进行监测；以专题图和监测简报的形式进行成果表达。
所进行的评价包括：
对土地利用情况进行评价：结合预处理后的HJ-1A/B的CCD数据以及地面调查数据，基于不同地物具有不同光谱的特点，针对遥感图像进行不同地类的识别与提取，根据不同地类的不同特点，对水源地流域的土地利用情况进行安全评价；
对植被覆盖情况进行评价：根据预处理得到的地表反射率数据，基于定量遥感模型，计算植被覆盖度，并结合不同覆盖度植被对水生态安全的影响，对植被覆盖度进行安全评价；
对水土流失情况进行评价：将所述地表反射率数据作为土壤侵蚀模型的输入数据，计算流域水土流失量，并依据不同水土流失量对水体的影响，对流域的水土流失情况进行安全评价；
对面源污染情况进行评价：根据预处理后遥感数据以及地面统计数据，基于面源污染模型，计算水源地流域总磷/总氮(TP/TN)负荷；计算水源地水体的环境容量，并基于环境容量，对流域的面源污染进行安全评价。
步骤S1.4中水源地环境监管能力的评价指标包括：应急响应工程、保护区标志设施、监测点设置、以及软环境等的监测，实现对水源地环境监管安全情况的了解。监测内容：应急响应工程、保护区标志设施、监测点设置、软环境等；监测目的是了解水源地相应监测措施的完备情况，以更好地督促水源地保护；考虑到监测的数据为地面相关部门的调查情况，监测频率为一年一次；以监测简报的形式进行成果表达。
通过步骤S1得到的水源地安全评价的等级表可如下表1所示：
表1水源地安全评价指标等级表
(a)指标层
Figure BDA0000046476340000091
(b)准则层
步骤S2中，对水源地各评价指标的权重系数进行计算实质上是对水源地的各评价因子影响程度的确定，包括下面步骤：
S2.1建立层次结构模型；
S2.2构造判断矩阵；
S2.3重要性排序；
S2.4一致性检验。
基于各评价指标的权重系数，结合水源地安全评价的等级表，可得到水源地总体安全的等级情况，步骤S2得到的水源地总体安全的等级情况可如下表2所示：
表2
  安全等级   I   II   III   IV   V
  隶属度   0.6   0.13   0.1643   0.097   0.0087
在步骤S3中，对饮用水源地水质、水量、水环境、环境监管等方面评价的基础上，通过水源安全评价指标对水源地的安全性进行全面评价，进一步了解水源地的安全隐患，从而制定合理的治理措施对水源地进行保护。监测内容为计算水源安全评价指数；监测目的是分析评价水源地安全、提出进一步工作方向。本项工作在水质、水量、水环境、环境监管基础上开展的，所以频率定为一年一次。以监测简报的形式进行成果表达。
基于模糊数据，通过模糊综合指数确定水源地安全等级，本发明中优选的安全等级从高到低取值范围为1-5。
如图2所示，本发明的方法沿着‘目标层-＞准测层-＞指标层’的顺序，找出安全等级低的指标，发现安全隐患，分析其产生原因，制定相应对策，建立水源地安全的预警机制。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种水源地监测评价方法，其特征在于，该方法包括步骤：
S1.结合地面水源地监测数据以及观测卫星的遥感数据及其辅助数据，对水源地各评价指标进行安全评价；
S2.利用层次分析法，计算水源地各评价指标的权重系数；
S3.基于模糊数学方法对水源地安全等级进行整体评价，并基于评价结果建立预警机制与应急机制。
2.如权利要求1所述的水源地监测评价方法，其特征在于，步骤S1进一步包括：
S1.1基于地面水源地水质测量数据以及观测卫星的遥感数据，对水源地水体水质安全指标进行评价；
S1.2基于地面水量数据以及观测卫星的遥感数据，对水源地水量安全指标进行评价；
S1.3基于观测卫星的遥感数据及其辅助数据，对水源地流域水环境安全指标进行评价；
S1.4基于调查数据，对水源地环境监管能力指标进行评价。
3.如权利要求2所述的水源地监测评价方法，其特征在于，步骤S1.1进一步包括对水质类别、水体富营养程度以及水质风险的评价，其中，对水质类别的评价进一步包括步骤：
S1.111根据水源地的水体特征，确定表征此类水体特点的指标；
S1.112根据各指标对人体危害程度及处理消除的难易程度，将评价指标分为三类；
S1.113计算各个指标的评价指数，在单项评价指数的基础上计算分类评价指数，并进行水质指数的计算；
对水体富营养化程度的评价进一步包括步骤：
S1.121对观测卫星的遥感数据进行预处理，包括辐射定标、几何纠正、以及大气纠正；
S1.122基于反演模型，对预处理后的观测卫星的遥感数据进行水体水质参数反演；
S1.123基于水体富营养化评价模型，对水体的富营养化程度进行评价；
对水质风险的评价进一步包括：
S1.131基于观测卫星的遥感数据，进行水质风险识别；
S1.132基于水质风险评价模型，进行水源地水质风险评价。
4.如权利要求2所述的水源地监测评价方法，其特征在于，步骤S1.2中对水源地水量安全指标的评价包括：
对水量供需比的评价：根据地面统计数据，计算水体的可供水量以及需求水量的比例，结合供水能力评价模型，确定供水能力的安全等级；以及
对水体总水量的评价：根据观测卫星的遥感数据，对水源地水体面积进行识别，结合水体的水面面积-库容的关系模型，计算水体的总水量，并通过对比不同时间观测卫星的遥感数据水体面积的变化，计算设定时间段内水量的变化，对水体总水量进行安全评价。
5.如权利要求2所述的水源地监测评价方法，其特征在于，步骤S1.3中对水源地流域水环境安全指标进行评价之前包括步骤：对观测卫星的遥感数据进行辐射定标、几何纠正、以及大气纠正预处理，得到遥感图像的地表反射率数据；
对水源地流域水环境安全指标进行评价包括：
对土地利用情况进行评价：结合预处理后的遥感数据以及地面调查数据，基于不同地物具有不同光谱的特点，针对遥感图像进行不同地类的识别与提取，根据不同地类的不同特点，对水源地流域的土地利用情况进行安全评价；
对植被覆盖情况进行评价：根据预处理得到的地表反射率数据，基于定量遥感模型，计算植被覆盖度，并结合不同覆盖度植被对水生态安全的影响，对植被覆盖度进行安全评价；
对水土流失情况进行评价：将所述地表反射率数据作为土壤侵蚀模型的输入数据，计算流域水土流失量，并依据不同水土流失量对水体的影响，对流域的水土流失情况进行安全评价；
对面源污染情况进行评价：根据预处理后遥感数据以及地面统计数据，基于面源污染模型，计算水源地流域总磷/总氮TP/TN负荷；计算水源地水体的环境容量，并基于环境容量，对流域的面源污染进行安全评价。
6.如权利要求2所述的水源地监测评价方法，其特征在于，步骤S1.4中水源地环境监管能力指标的评价包括：对应急响应工程、保护区标志设施、监测点设置、以及软环境的评价。
7.如权利要求1所述的水源地监测评价方法，其特征在于，步骤S3进一步包括：
基于模糊数据，通过模糊综合指数确定水源地安全等级，所述安全等级从高到低取值范围为1-5。
8.如权利要求1-7任一项所述的水源地监测评价方法，其特征在于，所述观测卫星的遥感数据为环境一号卫星HJ-1A/B的CCD数据。
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