CN113902344A - 一种基于模型的水环境水质目标管控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于模型的水环境水质目标管控方法，涉及水质管控技术领域，包括：构建水环境对象的全流域空间拓扑关系图；全流域按照各子流域河流的上下游汇水关系划分网格化管控单元进行网格化管理；根据国家水质考核的水十条和水功能区考核目标制定不同网格管控单元的水质管控目标；采集各河流汇水处的水文数据和对应的水质管控目标输入水质目标管控模型，计算得出不同年型每个月的允许污染物通量和实际污染物通量，对比得出每条河流需要削减的污染物通量；基于每条河流需要削减的污染物通量，结合河长制或水环境保护区管理条例及方法重点治理重污染和中污染水域；通过这种有目的有目标的对相关河流的治理，实现全流域的水质目标管控。
Description
技术领域
本发明涉及水质管控技术领域，具体是一种基于模型的水环境水质目标管控方法。
背景技术
水质模型又称水质数学模型，是水体水质的变化规律的数学描述；它可用于水体水质的预测、研究水体的污染与自净以及排污的控制等；在实际工作中，水质监测主要还是依靠人工判断，缺乏有效的预警体系，且监察不当容易导致环境的恶性发展，因此，环境保护工作中发展更敏捷、更智能的监测手段也变得越来越有必要；
由于水环境生态***组成成分复杂，水质影响因素通常会表现为某一个特征内具有较强时间依赖性，特征之间又有相互作用、相互反应的特性；而一条河流可能穿过多个行政区域，各河道区域段面没有实时监测监控措施，一般都是河道段面发生污染后才去治理，这样已经滞后了，无法对水资源保护和河流管理起到指导作用；因此如何划清污染源源头区域和及时发现河道段面污染，是河道水质水文治理的关键所在，也是推行河长制的必要手段之一；为此，我们提出一种基于模型的水环境水质目标管控方法。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于模型的水环境水质目标管控方法，解决了水质监测缺乏有效的预警体系、难以划清污染源源头区域和及时发现河道断面污染，无法实现全流域水质目标管控的问题。
为实现上述目的，根据本发明的第一方面的实施例提出一种基于模型的水环境水质目标管控方法，包括：
步骤一：构建水环境对象的全流域-子流域-河流水系-河段-站点的空间拓扑关系，得到全流域空间拓扑关系图；
步骤二：全流域按照各子流域河流的上下游汇水关系划分网格化管控单元进行网格化管理；
步骤三：结合全流域空间拓扑关系图，根据国家水质考核的水十条和水功能区考核目标制定不同网格管控单元的水质管控目标；
步骤四：构建水质目标管控模型，采集各河流汇水处的水文数据和对应的水质管控目标输入水质目标管控模型，计算得出丰水年/平水年/枯水年/现状年每个月允许污染物通量和实际污染物通量；
步骤五：通过实际污染物通量和允许污染物通量的对比得出每条河流需要削减的污染物通量；
步骤六：基于每条河流需要削减的污染物通量，结合河长制或水环境保护区管理条例及方法对相关河流进行管控。
进一步地，所述全流域空间拓扑关系图的具体构建步骤为：
基于GIS地图，结合流域边界嵌套行政区划边界，建立单流域多区域的水环境管控单元；水环境管控单元根据各子流域河流的上下游汇水关系搭建全流域-子流域-河流水系-河段-站点的空间拓扑关系，得到全流域空间拓扑关系图，其中水环境对象包括湖泊、水库和河流。
进一步地，划分网格化管控单元的具体方法为：
根据水环境对象的各子流域及下辖河流的汇水关系及水功能区将全流域水环境划分为子流域网格和汇水河流网格；其中一个子流域中至少包含一个或多个汇水河流网格，一个汇水河流网格至少包含一个汇水关系河流。
进一步地，所述水质管控目标表示为：当前年份为丰水年/平水年/枯水年/现状年实现目标水质时，各水环境对象允许容纳的污染物总量。
进一步地，水质目标管控模型的构建方法为：
采用神经网络算法和大数据算法建立水质目标管控模型；
将近50年内的每一年的水文数据和对应的水质管控目标输入水质目标管控模型，输出50组模型成果数据，从中对比得出丰水年、平水年、枯水年分别对应的年份，并以此作为标准。
进一步地，水文数据包括气象、蒸发、降解、流量、流速、水质和水量。
进一步地，还包括：通过将现状年不同月份的计算结果与丰水年、平水年、枯水年进行对比，判断现状年的年型是属于丰水年、平水年还是枯水年；然后选择最靠近的年型成果和现状年成果一起作为水质目标管控的管控目标。
进一步地，对相关河流进行管控的具体步骤为：
根据得到的每条河流需要削减的污染物通量，统计全流域需要削减的河流数量和不需要削减的河流数量；进而判断出全流域水质状况分布情况；
根据全流域的整体水质状况，划分重度污染区域、中度污染区域和轻度污染区域；然后结合河长制和水环境保护相关条例及方法重点治理重污染和中污染水域。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明中水环境管控单元根据各子流域河流的上下游汇水关系建立全流域-子流域-河流水系-河段-站点的空间拓扑关系图，并按照各子流域河流的上下游汇水关系划分网格化管控单元进行网格化管理，以此来实现精准管控的目的；
然后根据国家水质考核的水十条和水功能区考核目标制定不同网格管控单元的水质管控目标；采用神经网络算法和大数据算法结合近50年内的每一年的水文数据建立水质目标管控模型；然后采集各河流汇水处的水文数据和对应的水质管控目标输入水质目标管控模型，计算得出丰水年/平水年/枯水年/现状年每个月允许污染物通量和实际污染物通量；进而对比得出每条河流需要削减的污染物通量；然后结合河长制或水环境保护区管理条例及方法重点治理重污染和中污染水域；通过这种有目的有目标的对相关河流的治理，实现全流域的水质目标管控。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种基于模型的水环境水质目标管控方法，包括以下步骤：
步骤一：构建水环境对象的全流域-子流域-河流水系-河段-站点的空间拓扑关系，具体表现为：基于GIS地图，结合流域边界嵌套行政区划边界，建立单流域多区域的水环境管控单元；水环境管控单元根据各子流域河流的上下游汇水关系建立全流域-子流域-河流水系-河段-站点的空间拓扑关系图；水环境对象包括湖泊、水库、河流等；
步骤二：全流域按照各子流域河流的上下游汇水关系划分网格化管控单元进行网格化管理；具体为：
根据水环境对象的各子流域及下辖河流的汇水关系及水功能区将全流域水环境划分为子流域网格和汇水河流网格；其中一个子流域中至少包含一个或多个汇水河流网格，一个汇水河流网格至少包含一个汇水关系河流，以此来实现精准管控的目的；
步骤三：根据国家水质考核的水十条和水功能区考核目标制定不同网格管控单元的水质管控目标；在本实施例中，由于国家水质考核目标相关的水十条和水功能区考核文件中规定了水环境对象的流域中所有河流及河段的水质考核目标，因此可以根据国家制定的各河流的水质考核目标，制定当前年份假设为丰水年、平水年、枯水年和现状年实现目标水质时，各水环境对象(河流、湖泊、水库等)可以容纳的污染物总量；即水质管控目标；
步骤四：构建水质目标管控模型，采集各河流汇水处的水文数据和对应的水质管控目标输入水质目标管控模型，计算得出丰水年/平水年/枯水年/现状年每个月允许污染物通量和实际污染物通量；具体为：
采用神经网络算法和大数据算法建立水质目标管控模型；
将近50年内的每一年的水文数据和对应的水质管控目标输入水质目标管控模型，输出50组模型成果数据，从中对比得出丰水年、平水年、枯水年分别对应的年份，并以此作为标准；
在本实施例中，如果在未来的年份中出现了更典型的年份可以替换丰水年、平水年或枯水年，则通过水质目标管控模型计算，输出对应的成果数据替换原有的年型成果；其中模型运行输出成果面向不同水环境对象，如：面向湖泊水库的水质目标、环境容量；面向湖泊的允许入湖通量；面向河流的允许入河负荷；
根据前文中得到的全流域空间拓扑关系图，确定全流域的汇水关系和水质管控目标；然后采集各河流汇水处的水质监测和水量监测数据作为水质目标管控模型的输入条件，结合输入的气象(风速、风向、降雨)、蒸发、降解、流量、流速等参数信息；选定年型(丰水年、平水年、枯水年、现状年)启动模型运算，输出计算结果；需要注意的是现状年只能计算从1月份到当前月份的达到水质管控目标所能允许的污染物通量；
步骤五：通过实际污染物通量和允许污染物通量的对比得出每条河流需要削减的污染物通量；其中当允许污染物通量大于实际污染物通量时，不需要削减；当允许污染物通量小于实际污染物通量时，削减量为实际污染物通量减去允许污染物通量的差；
在本实施例中，还包括：通过将现状年不同月份的计算结果与丰水年、平水年、枯水年的对比，进而判断现状年的年型是属于丰水年、平水年还是枯水年；然后选择最靠近的年型成果和现状年成果一起作为水质目标管控的管控目标；
步骤六：结合河长制或水环境保护区管理条例及方法有目的和有目标的对相关河流进行有效管控；具体为：
根据得到的每条河流需要削减的污染物通量，统计全流域需要削减的河流数量和不需要削减的河流数量；进而判断出全流域水质状况分布情况；
根据全流域的整体水质状况，划分重度污染区域、中度污染区域和轻度污染区域；然后结合河长制和水环境保护相关条例和工作方法重点治理重污染和中污染水域；通过这种有目的有目标的对相关河流的治理，实现全流域的水质目标管控。
本发明的工作原理：
一种基于模型的水环境水质目标管控方法，在工作时，首先基于GIS地图，结合流域边界嵌套行政区划边界，建立单流域多区域的水环境管控单元，并结合水环境管控单元以及各子流域河流的上下游汇水关系建立全流域-子流域-河流水系-河段-站点的空间拓扑关系图；全流域按照各子流域河流的上下游汇水关系划分网格化管控单元进行网格化管理；然后根据国家水质考核的水十条和水功能区考核目标制定不同网格管控单元的水质管控目标；采用神经网络算法和大数据算法结合近50年内的每一年的水文数据建立水质目标管控模型；然后采集各河流汇水处的水质和水量等参数输入水质目标管控模型，计算得出丰水年/平水年/枯水年/现状年每个月允许污染物通量和实际污染物通量，进而对比得出每条河流需要削减的污染物通量；然后结合河长制或水环境保护区管理条例及方法重点治理重污染和中污染水域；通过这种有目的有目标的对相关河流的治理，实现全流域的水质目标管控。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (8)
1.一种基于模型的水环境水质目标管控方法，其特征在于，包括：
步骤一：构建水环境对象的全流域-子流域-河流水系-河段-站点的空间拓扑关系，得到全流域空间拓扑关系图；
步骤二：全流域按照各子流域河流的上下游汇水关系划分网格化管控单元进行网格化管理；
步骤三：结合全流域空间拓扑关系图，根据国家水质考核的水十条和水功能区考核目标制定不同网格管控单元的水质管控目标；
步骤四：构建水质目标管控模型，采集各河流汇水处的水文数据和对应的水质管控目标输入水质目标管控模型，计算得出丰水年/平水年/枯水年/现状年每个月的允许污染物通量和实际污染物通量；
步骤五：通过实际污染物通量和允许污染物通量的对比得出每条河流需要削减的污染物通量；
步骤六：基于每条河流需要削减的污染物通量，结合河长制或水环境保护区管理条例及方法对相关河流进行管控。
2.根据权利要求1所述的一种基于模型的水环境水质目标管控方法，其特征在于，所述全流域空间拓扑关系图的具体构建步骤为：
基于GIS地图，结合流域边界嵌套行政区划边界，建立单流域多区域的水环境管控单元；水环境管控单元根据各子流域河流的上下游汇水关系搭建全流域-子流域-河流水系-河段-站点的空间拓扑关系，得到全流域空间拓扑关系图，其中水环境对象包括湖泊、水库和河流。
3.根据权利要求1所述的一种基于模型的水环境水质目标管控方法，其特征在于，划分网格化管控单元的具体方法为：
根据水环境对象的各子流域及下辖河流的汇水关系及水功能区将全流域水环境划分为子流域网格和汇水河流网格；其中一个子流域中至少包含一个或多个汇水河流网格，一个汇水河流网格至少包含一个汇水关系河流。
4.根据权利要求1所述的一种基于模型的水环境水质目标管控方法，其特征在于，所述水质管控目标表示为：当前年份为丰水年/平水年/枯水年/现状年实现目标水质时，各水环境对象允许容纳的污染物总量。
5.根据权利要求1所述的一种基于模型的水环境水质目标管控方法，其特征在于，水质目标管控模型的构建方法为：
采用神经网络算法和大数据算法建立水质目标管控模型；
将近50年内的每一年的水文数据和对应的水质管控目标输入水质目标管控模型，输出50组模型成果数据，从中对比得出丰水年、平水年、枯水年分别对应的年份，并以此作为标准。
6.根据权利要求1所述的一种基于模型的水环境水质目标管控方法，其特征在于，水文数据包括气象、蒸发、降解、流量、流速、水质和水量。
7.根据权利要求5所述的一种基于模型的水环境水质目标管控方法，其特征在于，还包括：通过将现状年不同月份的计算结果与丰水年、平水年、枯水年进行对比，判断现状年的年型是属于丰水年、平水年还是枯水年；然后选择最靠近的年型成果和现状年成果一起作为水质目标管控的管控目标。
8.根据权利要求1所述的一种基于模型的水环境水质目标管控方法，其特征在于，对相关河流进行管控的具体步骤为：
根据得到的每条河流需要削减的污染物通量，统计全流域需要削减的河流数量和不需要削减的河流数量；进而判断出全流域水质状况分布情况；
根据全流域的整体水质状况，划分重度污染区域、中度污染区域和轻度污染区域；然后结合河长制和水环境保护相关条例及方法重点治理重污染和中污染水域。
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