一种地统计学模型计算城市降雨径流污染负荷的方法技术

本发明专利技术涉及一种地统计学模型计算城市降雨径流污染负荷的方法。本方法公开了一种基于地理信息技术的计算城市降雨径流污染负荷的方法，它包括降雨径流污染信息采集；空间信息数据库建立；最优GIS模型构建和模型处理；路面（地面）径流污染负荷计算；区域径流污染负荷计算等步骤。本发明专利技术将GIS技术引入对降雨径流污染空间分布特征的分析，减少主观方法带来的失误；同时，采用GIS技术对降雨径流污染进行空间模拟和分析，是一种快速、精确的计算城市降雨径流污染负荷的方法，可供制定有效的降雨径流污染控制策略、实施污染控制措施、开展海绵城市建设提供科学指导。

Method for calculating urban rainfall runoff pollution load by using statistical model

The invention relates to a method for calculating urban rainfall runoff pollution load by using a statistical model. The invention discloses method of pollution load calculation of city rainfall runoff based on the geography information technology, which includes rainfall runoff pollution information collection; spatial information database; constructing the optimal GIS model and model; pavement (ground) runoff pollution load calculation steps; regional runoff pollution load calculation. The present invention will GIS technology into the analysis of distribution characteristics of rainfall runoff pollution, reduce the subjective error; at the same time, space simulation and analysis of rainfall runoff pollution by GIS technology is a fast and accurate city rainfall runoff pollution load calculation method for making rainfall runoff pollution control strategy and effective the implementation of pollution control measures, carry out the sponge city construction to provide scientific guidance.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种对城市降雨径流污染的分析方法，尤其涉及一种基于地统计学模型计算城市降雨径流污染负荷的方法。
技术介绍
城市降雨径流污染指降雨过程中，降雨冲刷城镇地面，如商业区、街道、停车场等，形成了汇聚原油、盐分、氮、磷、有毒物质等一系列的污染物的径流，随之流入河流或湖泊，造成城市水体污染的现象。随着我国各城市逐渐加大对工业废水、城市污水等点源污染的控制，城市降雨径流污染(城市非点源污染的主要类型)对城市水环境污染贡献的比重逐渐凸显。国外的城市水环境治理的相关学者认为即使完全控制住城市点源污染，但忽视非点源污染，特别是城市降雨径流污染的话，城市水体的水质仍然不会改善。因此，研究城市降雨径流污染负荷(污染产生量)对于开展城市降雨径流污染控制、制定污染控制措施，从而达到改善城市水环境的目的有着非常重要的意义。目前，评估城市降雨径流污染负荷常用的方法为输出系数法，该方法起源于1970s北美地区，经过Johnes等学者的不断修正后，目前输出系数法已经在全世界得到了广泛的应用，并且积累了大量的输出的系数值。具体公式如下：上式中，L是指降雨径流污染物的产生负荷(t/a)，Cj是指第i类土地类型(商业用地、居住用地、绿地等)产生的降雨径流污染物的年平均负荷(t/ha/a)，Ai是指第i类土地利用的面积(ha)。应该指出，尽管输出系数法经过不断的修正，具有所需参数少、数据获取简单、结果精度尚可等优点，但其本质仍沿用城镇用地类型的划分方式(国内通常采用《城市用地分类与规划建设用地标准》GB50137)，且将用地类型的径流负荷输出量单一化。这种径流污染负荷的计算方法存在如下问题，而导致区域径流污染负荷的计算结果误差较大：①应根据下垫面类型来计算径流污染负荷，而非城镇用地类型。降雨径流污染程度主要跟下垫面类型有关，而下垫面的划分并不能简单的采用城镇用地类型的划分，而应分为屋面和路面(地面)径流。典型的例子为商业区的径流污染应分为商业区屋顶和商业区路面(地面)，不能仅通过路面(地面)径流代表整个商业区域的径流污染情况；另商业区内的绿地、水体不对外输出径流污染，另在计算整个商业区径流污染时剔除。②应考虑同一下垫面的异质性和相邻下垫面的关联性。同一块用地类型的下垫面并不是径流污染的均质体，其污染程度受人为活动强度和距离的影响；而相邻的不同用地类型的下垫面并不是相互独立的污染输出板块，其因人为活动强度在空间上的关联性而导致污染输出强度亦具有关联性。本专利技术从下垫面的分类和径流污染的空间相关性的角度处理上述两个问题，并形成一种快速、精确的计算城市降雨径流污染负荷的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种地统计学模型计算城市降雨径流污染负荷的方法，采用GIS技术对降雨径流污染进行空间模拟和分析，为相对于输出系数法而更为精确的计算降雨径流污染负荷，从而有效制定降雨径流污染控制策略、实施污染控制措施、开展海绵城市建设提供科学指导。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种地统计学模型计算城市降雨径流污染负荷的方法，其特征在于它包括以下具体步骤：A、降雨径流污染信息采集，对地表类不透水面和屋面类不透水面分别进行降雨采样，并获取采样点的GPS定位数据；；B、建立地表类不透水面的降雨径流污染属性数据库，通过采样点GPS定位数据录入基础地理信息数据库，将地面类不透水面采样点的SMC作为属性数据与相应的空间坐标进行关联，建立地表类不透水面的降雨径流污染属性数据库；C、最优GIS模型构建，进行空间模拟，对各地面类不透水面采样点的地理位置和SMC进行拟合分析，通过拟合分析选择最优半方差模型以及最优参数，并利用该最优半方差模型以及最优参数对各地面类不透水面采样点之间的位置进行SMC的插值计算；D、计算地面径流污染负荷LRd，输出根据步骤C得到的降雨径流污染插值图，将插值图栅格化后，根据栅格化的降雨径流污染插值图计算地面径流污染负荷LRd；E、计算屋面类不透水面的径流污染负荷LRf，将屋面类不透水面的降雨径流污染SMC进行加权平均，作为屋面类不透水面的统一SMC，根据所述统一SMC计算屋面类不透水面的径流污染负荷LRf；F、计算区域径流污染负荷L，L＝LRd+LRf。优选地，步骤A中，降雨采样分为地表类不透水面和屋面类不透水下垫面的采样，采用人工采样或降雨径流采样器进行降雨采样，采样过程中，前30min内径流采样间隔时间宜为5min，30min～90min内采样间隔时间宜为10min，90min之后的采样间隔时间可适当扩大，采样监测指标为COD、BOD、NH4+-N、TN、TP、重金属和POPs。优选地，步骤B包括以下步骤：1)得到获取空间信息数据，空间解译数据；2)删除空间解译数据中的透水下垫面或为自然水体的区域；3)将不透水下垫面进一步细分为地表类不透水下垫面和屋面类不透水下垫面；4)通过采样点GPS定位数据录入基础地理信息数据库，将地面类不透水面采样点的SMC作为属性数据与相应的空间坐标进行关联，建立地表类不透水面的降雨径流污染属性数据库，根据监测数据，加权计算点位降雨径流平均浓度SMC，具体公式如下：上述公式(1)中，EMC是指事件平均浓度，单位mg/L；M是指降雨事件径流污染物总量，单位mg；V是指降雨事件径流总量，单位L；Qj是指第j次取样时所对应的径流量，单位L/min；Cj指j次取样时的径流污染物浓度，单位mg/L；上述公式(2)中，SMC是指点位降雨径流平均浓度，通过加权计算多场降雨的次降雨径流平均浓度求得，P是指第i次降雨量，单位L。优选地，步骤C包括以下步骤：1)采用GS+(Version9，GammaDesignSoftwarecompany)拟合半方差函数并优化其参数。将对路面(地面)径流采样点的地理信息和污染因子SMC输入GS+软件中；用GS+对污染因子SMC进行空间模拟，通过拟合分析，选择最优半方差模型以及最优参数；2)将GS+拟合的半方差函数最优参数输入ArcGIS(Version9.3,ESRI.company)中的地统计模块(Geostatisticalanalyst)，采用最常用的普通克里金法(OrdinaryKriging)进行最优化无差的空间插值，利用配对t检验(Pairedttest)对空间差值结果与实测结果的进行精度检验，最终确定最优GIS分析模型。所述步骤C中最优半方差模型线性包括基台模型、球状模型、指数模型和高斯模型，其空间模拟的最优标准为决定系数(R2)值最大和残差平方和(RSS)值最小。优选地，步骤D又包括以下步骤：1)输出降雨径流污染插值图，将插值图栅格化后，并对插值图进行提取边界和裁剪的优化措施，剔除研究范围内的下凹式绿地和水体的范围；2)点击插值图层的属性，输出插值图层的属性表；3)通过如下公式，计算路面(地面)径流污染负荷：式中，LRd——地表类不透水面年径流污染负荷，单位kg；D——年均降雨量，单位mm/a；R——研究区域的年径流系数；S——插值单元面积，单位m2；SMCi——第i个插值单元的点位降雨径流平均浓度，单位mg/L。优选地，步骤E中，计算屋面类不透水面的径流污染负荷LRf的公式为：LRf＝0.001D×R×SMCRf×SRf式中，LRf——屋面类不透水本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种地统计学模型计算城市降雨径流污染负荷的方法，其特征在于它包括以下具体步骤：A、降雨径流污染信息采集，对地表类不透水面和屋面类不透水面分别进行降雨采样，并获取采样点的GPS定位数据；；B、建立地表类不透水面的降雨径流污染属性数据库，通过采样点GPS定位数据录入基础地理信息数据库，将地面类不透水面采样点的SMC作为属性数据与相应的空间坐标进行关联，建立地表类不透水面的降雨径流污染属性数据库；C、最优GIS模型构建，进行空间模拟，对各地面类不透水面采样点的地理位置和SMC进行拟合分析，通过拟合分析选择最优半方差模型以及最优参数，并利用该最优半方差模型以及最优参数对各地面类不透水面采样点之间的位置进行SMC的插值计算；D、计算地面径流污染负荷LRd，输出根据步骤C得到的降雨径流污染插值图，将插值图栅格化后，根据栅格化的降雨径流污染插值图计算地面径流污染负荷LRd；E、计算屋面类不透水面的径流污染负荷LRf，将屋面类不透水面的降雨径流污染SMC进行加权平均，作为屋面类不透水面的统一SMC，根据所述统一SMC计算屋面类不透水面的径流污染负荷LRf；F、计算区域径流污染负荷L，L＝LRd+LRf。...

【技术特征摘要】
1.一种地统计学模型计算城市降雨径流污染负荷的方法，其特征在于它包括以下具体步骤：A、降雨径流污染信息采集，对地表类不透水面和屋面类不透水面分别进行降雨采样，并获取采样点的GPS定位数据；；B、建立地表类不透水面的降雨径流污染属性数据库，通过采样点GPS定位数据录入基础地理信息数据库，将地面类不透水面采样点的SMC作为属性数据与相应的空间坐标进行关联，建立地表类不透水面的降雨径流污染属性数据库；C、最优GIS模型构建，进行空间模拟，对各地面类不透水面采样点的地理位置和SMC进行拟合分析，通过拟合分析选择最优半方差模型以及最优参数，并利用该最优半方差模型以及最优参数对各地面类不透水面采样点之间的位置进行SMC的插值计算；D、计算地面径流污染负荷LRd，输出根据步骤C得到的降雨径流污染插值图，将插值图栅格化后，根据栅格化的降雨径流污染插值图计算地面径流污染负荷LRd；E、计算屋面类不透水面的径流污染负荷LRf，将屋面类不透水面的降雨径流污染SMC进行加权平均，作为屋面类不透水面的统一SMC，根据所述统一SMC计算屋面类不透水面的径流污染负荷LRf；F、计算区域径流污染负荷L，L＝LRd+LRf。2.如权利要求1所述的一种地统计学模型计算城市降雨径流污染负荷的方法，其特征在于步骤A中，降雨采样分为地表类不透水面和屋面类不透水下垫面的采样，采用人工采样或降雨径流采样器进行降雨采样，采样过程中，前30min内径流采样间隔时间宜为5min，30min～90min内采样间隔时间宜为10min，90min之后的采样间隔时间可适当扩大，采样监测指标为COD、BOD、NH4+-N、TN、TP、重金属和POPs。3.如权利要求1所述的一种地统计学模型计算城市降雨径流污染负荷的方法，其特征在于步骤B包括以下步骤：1)得到获取空间信息数据，空间解译数据；2)删除空间解译数据中的透水下垫面或为自然水体的区域；3)将不透水下垫面进一步细分为地表类不透水下垫面和屋面类不透水下垫面；4)通过采样点GPS定位数据录入基础地理信息数据库，将地面类不透水面采样点的SMC作为属性数据与相应的空间坐标进行关联，建立地表类不透水面的降雨径流污染属性数据库；5)根据监测数据，加权计算点位降雨径流平均浓度SMC，具体公式如下：EMC=MV=Σj=0nQjCjΣj=0nQj---(1)]]>SMC=Σi=1n(EMCi×Pi)Σi=1n(Pi)---(2)]]>上述公式(1)中，EMC是指事件平均浓度，单位mg/L；M是指降雨事件径流污染物总量，单位mg；...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢胜，吕永鹏，张辰，陈嫣，莫祖澜，尹冠霖，
申请(专利权)人：上海市政工程设计研究总院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31