污染源排污量化分析方法及装置

摘要

本发明公开了一种污染源量化分析方法及装置。该方法包括基于目标区域的自然地理特征和监测断面所在位置，对目标区域进行控制区域划分；获取目标区域中各污染源所在位置，并确定各污染源所属的控制区域；根据各监测断面相对于所在河流的上下游关系，确定各控制区域的入境监测断面和出境监测断面；计算各污染源与其所在控制区域的出境监测断面间的距离；对于各污染源，计算污染源的各种污染物到达出境监测断面处的污染物浓度；将污染源的各种污染物到达出境监测断面处的浓度进行加权平均计算并对计算结果排序，得到各污染源排污量化分析结果。在控制区域的划分上，结合流域自然地理特征和监测断面的位置，且将量化分析的特性更多地放在权重分配上。

说明书

技术领域

本发明涉及水环境技术领域，更为具体来说，本发明涉及一种污染源排污量化分析方法及装置。

背景技术

在对污染源的评估和管理方面，目前主要采用一种点源突发性水污染源事故溯源贡献程度计算方法，通过计算环境容量和污染源排放贡献率的方式来辅佐决策。前者根据流域自然地理特征确定流域控制断面对应的控制区域，得出了目标区域内允许排放的污染负荷(质量单位)。后者通过直接利用污染源排放量监测数据或模拟某个污染源的排放扩散(或流量*浓度的结果)来评价该污染源对断面监测水质的贡献程度，即该污染源为目标区域内的水环境贡献了多少污染物。

现有的方案大多都是根据流域自然地理特征比如自然地势来确定控制区域(子流域或汇水范围)。这种划分在应用中存在的缺点是：环境容量范围的框定和污染源脱节。一般而言，环境容量是根据流域汇水区域、功能区划来划分的，常会导致一个环境容量范围内包含多个行政区划或者划分区域内缺少控制单元作为出入境监测断面。前者不便于政务管理工作的开展，后者会因缺少上游来水的水质数据导致结果失真。

以贡献率的方式能够计算出污染源排放在量上对环境污染的贡献程度，但却不能反映出其排放对环境的威胁性。比如某家大型污水厂的排水量大，但浓度符合规范，其整体上给该河流贡献了十分之一的污染物。某小型企业排水量小，但浓度很高，其排放对河流的贡献程度很低，但高浓度的污水却直接威胁到了水生态的安全。同时，从管控的角度来看，如果上述大型污水处理厂离出境断面较远，小型企业离得很近，则该小型企业的高浓度排放更容易导致出境断面处的监测水质频频超标；而大型企业由于距离远，排水中污染物衰减比例高，反而对下游断面的监测水质影响很小。不探明这些原因，会对该区域内经济生产活动的部署安排产生不便。

在水环境管理中，对于排污企业(污染源)的管理一直是重中之重。而如何摒弃一刀切的限排策略，在科学支撑下，对污染排放企业做到精准定位、合理管理，一直是该项工作中的难点。量化分析在传统意义上更多指的是将难以定量的指标通过数据或区间的方式为其赋值，再通过对量化值的统计来得出一个可量化比较的结论。

由此，目前亟需一种对污染源排污进行量化分析的方法，结合地理特征、监测断面位置部署以及行政区划的控制区域划分方式，保证每个控制区域在汇水上具有合理性的同时，具有上下游的监测断面和较少的行政单元，便于计算评定和应用管控，而且将量化分析的特性更多地放在了权重分配上，并且通过不同指标对应权重的分配来体现对各个指标关注程度的不同。

发明内容

本发明创新地提供了一种污染源排污量化分析方法及装置，在控制区域的划分上，结合了流域自然地理特征和监测断面的空间位置，而且将量化分析的特性更多地放在了权重分配上。

为实现上述的技术目的，一方面，本发明公开了一种污染源排污量化分析方法。所述污染源排污量化分析方法包括：基于目标区域的自然地理特征和监测断面所在位置，对目标区域进行控制区域划分；获取目标区域中各个污染源所在的位置，并确定各个污染源所属的控制区域；根据各个监测断面相对于所在河流的上下游关系，确定各个控制区域的入境监测断面和出境监测断面；计算各个污染源与其所在的控制区域的出境监测断面之间的距离；对于各个污染源，根据所述污染源与其所在的控制区域的出境监测断面之间的距离，计算所述污染源的各种污染物到达所述出境监测断面处的污染物浓度；将所述污染源的各种污染物到达所述出境监测断面处的浓度进行加权平均计算并得到加权平均计算结果，对各个污染源的加权平均计算结果进行排序，从而得到各个污染源排污量化分析结果。

进一步地，对于所述污染源排污量化分析方法，基于目标区域的自然地理特征和监测断面所在位置，对目标区域进行控制区域划分包括：基于目标区域的自然地理特征、监测断面所在位置和行政区域划分，对目标区域进行控制区域划分。

进一步地，对于所述污染源排污量化分析方法，根据所述污染源与其所在的控制区域的出境监测断面之间的距离，计算所述污染源的各种污染物到达所述出境监测断面处的污染物浓度，包括：计算到达所述污染源之前的混合水质；基于菲克定律的一维河流水质模型得到衰减模型；根据所述污染源与其所在的控制区域的出境监测断面之间的距离、以及到达所述污染源之前的混合水质，利用所述衰减模型计算所述污染源的各种污染物到达所述出境监测断面处的污染物浓度。

进一步地，对于所述污染源排污量化分析方法，计算到达所述污染源之前的混合水质包括：利用零维完全混合模型计算到达所述污染源之前的混合水质。

为实现上述的技术目的，另一方面，本发明公开了一种污染源排污量化分析装置。所述污染源排污量化分析装置包括：控制区域划分单元，用于基于目标区域的自然地理特征和监测断面所在位置，对目标区域进行控制区域划分；污染源和控制区域关联单元，用于获取目标区域中各个污染源所在的位置，并确定各个污染源所属的控制区域；监测断面和控制区域关联单元，用于根据各个监测断面相对于所在河流的上下游关系，确定各个控制区域的入境监测断面和出境监测断面；距离计算单元，用于计算各个污染源与其所在的控制区域的出境监测断面之间的距离；污染源到出境处水质计算单元，用于对于各个污染源，根据所述污染源与其所在的控制区域的出境监测断面之间的距离，计算所述污染源的各种污染物到达所述出境监测断面处的污染物浓度；量化分析单元，用于将所述污染源的各种污染物到达所述出境监测断面处的浓度进行加权平均计算并得到加权平均计算结果，对各个污染源的加权平均计算结果进行排序，从而得到各个污染源排污量化分析结果。

进一步地，对于所述污染源排污量化分析装置，所述控制区域划分单元进一步用于基于目标区域的自然地理特征、监测断面所在位置和行政区域划分，对目标区域进行控制区域划分。

进一步地，对于所述污染源排污量化分析装置，所述污染源到出境处水质计算单元包括：到达污染源前水质计算模块，用于计算到达所述污染源之前的混合水质；衰减模型确定模块，用于基于菲克定律的一维河流水质模型得到衰减模型；衰减模型计算模块，用于根据所述污染源与其所在的控制区域的出境监测断面之间的距离、以及到达所述污染源之前的混合水质，利用所述衰减模型计算所述污染源的各种污染物到达所述出境监测断面处的污染物浓度。

进一步地，对于所述污染源排污量化分析装置，所述到达污染源前水质计算模块进一步用于利用零维完全混合模型计算到达所述污染源之前的混合水质。

为实现上述的技术目的，又一方面，本发明公开了一种计算设备。所述计算设备包括：一个或多个处理器，以及与所述一个或多个处理器耦合的存储器，所述存储器存储指令，当所述指令被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行上述方法。

为实现上述的技术目的，再一方面，本发明公开了一种机器可读存储介质。所述机器可读存储介质存储有可执行指令，所述指令当被执行时使得所述机器执行上述方法。

本发明的有益效果为：

本发明实施例的污染源排污量化分析方法及装置在控制区域的划分上，结合了流域自然地理特征和监测断面的空间位置，最大化实现每个控制区域具有出入境的监测断面，从而使每个控制单元都有有效的监测数据可用，便于计算评定和应用管控，结合政务实现精准管理；而且将量化分析的特性更多地放在了权重分配上，并且通过不同指标对应权重的分配来体现对各个指标关注程度的不同。另一方面，考虑了污染源排污浓度和与下游监测断面之间的距离，以污染物传递机理模型为内核，通过功能性的封装，建立了非稳态扩散模型，通过模拟控制区域内每个污染源排污到达该控制区域时衰减后的污染物浓度，来判断其排放对出境监测断面后的生态环境的威胁性，与环保业务紧密结合，适宜于环保工作。

附图说明

图中，

图1为本发明一个实施例提供的污染源排污量化分析方法的流程图；

图2为本发明另一个实施例提供的污染源排污量化分析装置的结构示意图；

图3为根据本发明实施例的用于污染源排污量化分析处理的计算设备的结构框图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明提供的污染源排污量化分析方法及装置进行详细的解释和说明。

图1为本发明一个实施例提供的污染源排污量化分析方法的流程图。

如图1所示，在步骤S110，基于目标区域的自然地理特征和监测断面所在位置，对目标区域进行控制区域划分。

基于目标区域的自然地理特征和监测断面所在位置，对目标区域进行控制区域划分。进一步来说，还可以结合行政区域划分，对控制区域划分进行修正。当然，也可以先考虑目标区域的自然地理特征和行政区划，对目标区域进行控制区域划分；然后再根据监测断面所在位置，对控制区域划分进行调整。

获取目标区域的数字高程模型(DEM，Digital Elevation Model)高程地图，确定监测断面的经纬度点位，利用SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型的水文响应单元划分功能或者ArcGIS的hydrology工具，制作控制区域划分图。在制作过程中，将监测断面所在的点位作为汇水节点，则划分出的控制区域的出入境会以监测断面所在位置区分。其中，ArcGIS是计算机制图应用，包含了全球范围内的底图、地图数据和应用程序，以及可配置的应用模板和开发人员使用的GIS工具和API，可用于创建Web地图、发布GIS服务、共享地图、数据和应用程序，以及管理组织的内容和多个用户。

控制区域划分完毕后，可以在ArcGIS中叠加行政区划图层，利用ArcGIS-ArcToolBox-Analysis Tools-Overlay中的Identity或Union功能，将行政区域划分矢量图和控制区域划分图进行特征合并，根据管理蓝图或河流特征将区域划分图做进一步的修正。比如，随着水环境监管程度不断完善，多地环保厅局都逐步在河流出入各个市县区处部署监测断面。由此，可以根据其未来宏观布局，利用行政区划图将控制区划图做进一步细分。

在步骤S120，获取目标区域中各个污染源所在的位置，并确定各个污染源所属的控制区域。

关联污染源和控制区域。获取包含经纬度信息的目标区域所有污染源清单，可以将整理后的清单数据导入ArcGIS，利用ArcGIS中的Display XY Data功能将其进行空间可视化布点。随后可以利用ArcGIS-ArcToolBox-Analysis Tools-Overlay中的SpatialJoin功能在污染源属性表中给每个污染源添加所属的控制区域字段。

在步骤S130，根据各个监测断面相对于所在河流的上下游关系，确定各个控制区域的入境监测断面和出境监测断面。

关联监测断面和控制区域。获取包含经纬度信息的目标区域中所有监测断面清单，首先可以利用Select Features工具全选所有监测断面，将监测断面向河流上游方向位移，可以利用SpatialJoin功能关联出控制区域的第一列监测断面字段；随后将监测断面向河流下游方向位移，可以利用SpatialJoin功能关联出控制区域的第二列字段。最后，利用控制区域中河流上下游的关系，区分各个监测断面是属于关联控制区域中的出流断面还是入流断面。经过增删改查，最终在控制区域属性表中创建各个控制区域的入境监测断面字段和出境监测断面字段。

在步骤S140，计算各个污染源与其所在的控制区域的出境监测断面之间的距离。

关联污染源和该污染源所在控制区域的上下游监测断面。以控制区域标识(ID)或名称为索引，为污染源信息表单(即上文中的污染源属性表)中添加所在控制区域的出境监测断面和入境监测断面相关字段。

计算并排序污染源与其下游的出境监测断面之间的概化空间距离。至此，在数据集中已经包括各个污染源的经纬度信息和与其相关的下游监测断面的经纬度信息。用这两组经纬度信息，计算出其概化的地表距离。由于污染源多由管道管网排污入河，与地表地形关联较少，所以此处可以忽略地球表面地形对计算带来的误差；同时由于地下管网数据难考，此处在宏观层面上暂时忽略了地下管网分布带来的距离误差。污染源与其下游的出境监测断面之间概化的地表距离的具体计算公式可以采用Google地图(Google Map)计算程式。

建立关联性数据集并接入时序数据。数据集可以包括：关联信息总表、污染源信息表单、污染源排放监测时序数据表、监测断面信息表单、监测断面水文与水质时序数据表、每个控制区域的环境参数方案表单、以及/或者权重方案表单。其中，关联信息总表中的核心字段可以包括：污染源名称、污染源标识(ID)、所属控制区域编号、上游监测断面标识(ID)、下游监测断面标识(ID)、该污染源距下游监测断面的距离、以及/或者排放类型等字段。污染源信息表单和监测断面信息表单包括其元数据字段，包括接入的业务信息和其经纬度。污染源与监测断面的时序数据表中分别接入污染源与监测断面处的实时时序水质监测值与流量值。

在步骤S150，对于各个污染源，根据污染源与其所在的控制区域的出境监测断面之间的距离，计算污染源的各种污染物到达出境监测断面处的污染物浓度。

步骤S150可以具体包括如下过程：计算到达污染源之前的混合水质；基于菲克(Fick)定律的一维河流水质模型得到衰减模型；根据污染源与其所在的控制区域的出境监测断面之间的距离、以及到达污染源之前的混合水质，利用衰减模型计算污染源的各种污染物到达出境监测断面处的污染物浓度。

其中，计算到达污染源之前的混合水质可以包括如下步骤：利用零维完全混合模型计算到达污染源之前的混合水质。

封装基于Fick定律的衰减模型。污染源排污到达目标断面的浓度的核心算法是根据Fick第一定律和第二定律得到的，并在此基础上可以考虑弥散扩散和转化降解的因素，包括沉淀作用、气液交换作用、吸附作用、化学转化和生物作用，分别以弥散系数(Dn)和各降解转换系数(k(Kp,Ke,Ks,Kc,Kb))来体现。Kp表示沉淀系数，Ke表示气液交换系数，Ks表示吸附作用系数，Kc表示化学转化系数，Kb表示生物作用系数。其中，Fick第一定律是在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量(Diffusion Flow)即扩散通量与该截面处的浓度梯度(Concentration gradient)成正比，也就是说浓度梯度越大，扩散通量越大。菲克(Fick)第二定律是在非稳态扩散过程中，在距离X处，浓度随时间的变化率等于该处的扩散通量随距离变化率的负值。

在步骤S160，将污染源的各种污染物到达出境监测断面处的浓度进行加权平均计算并得到加权平均计算结果，对各个污染源的加权平均计算结果进行排序，从而得到各个污染源排污量化分析结果。

假设污染源的污染物种类有N种，各种污染物达出境监测断面处的浓度为C

在实际应用中，随着实测数据的更新推送，触发执行上述方法流程，来实现动态监管的目的。

图2为本发明另一个实施例提供的污染源排污量化分析装置的结构示意图。如图2所示，该实施例提供的污染源排污量化分析装置200包括控制区域划分单元210、污染源和控制区域关联单元220、监测断面和控制区域关联单元230、距离计算单元240、污染源到出境处水质计算单元250、以及量化分析单元260。

控制区域划分单元210用于基于目标区域的自然地理特征和监测断面所在位置，对目标区域进行控制区域划分。控制区域划分单元210的操作可以参照上面图1描述的步骤S110的操作。作为一种可选实施方式，控制区域划分单元210进一步用于基于目标区域的自然地理特征、监测断面所在位置和行政区域划分，对目标区域进行控制区域划分。

污染源和控制区域关联单元220用于获取目标区域中各个污染源所在的位置，并确定各个污染源所属的控制区域。污染源和控制区域关联单元220的操作可以参照上面图1描述的步骤S120的操作。

监测断面和控制区域关联单元230用于根据各个监测断面相对于所在河流的上下游关系，确定各个控制区域的入境监测断面和出境监测断面。监测断面和控制区域关联单元230的操作可以参照上面图1描述的步骤S130的操作。

距离计算单元240用于计算各个污染源与其所在的控制区域的出境监测断面之间的距离。距离计算单元240的操作可以参照上面图1描述的步骤S140的操作。

污染源到出境处水质计算单元250用于对于各个污染源，根据污染源与其所在的控制区域的出境监测断面之间的距离，计算污染源的各种污染物到达出境监测断面处的污染物浓度。污染源到出境处水质计算单元250的操作可以参照上面图1描述的步骤S150的操作。污染源到出境处水质计算单元250可以包括到达污染源前水质计算模块、衰减模型确定模块和衰减模型计算模块。其中，到达污染源前水质计算模块用于计算到达污染源之前的混合水质。衰减模型确定模块用于基于菲克定律的一维河流水质模型得到衰减模型。衰减模型计算模块用于根据污染源与其所在的控制区域的出境监测断面之间的距离、以及到达污染源之前的混合水质，利用衰减模型计算污染源的各种污染物到达出境监测断面处的污染物浓度。其中，到达污染源前水质计算模块进一步用于利用零维完全混合模型计算到达污染源之前的混合水质。

量化分析单元260用于将污染源的各种污染物到达出境监测断面处的浓度进行加权平均计算并得到加权平均计算结果，对各个污染源的加权平均计算结果进行排序，从而得到各个污染源排污量化分析结果。量化分析单元260的操作可以参照上面图1描述的步骤S160的操作。

在现有技术的污染源排放贡献率技术中，现有的方案能够计算出某个管控区域内排放贡献最高的污染源。然而，通过该方案计算出的排放贡献最高的污染企业往往是当地规模较大的厂家，这些厂家由于废水处理技术成熟、管控严格，排放的废水在环境评定中已经达标，并不是造成断面水质超标的主要原因。相反，排放不达标的企业却未在贡献率评价的重点关注名单中。由此，这种现有的方案无法对污染管控工作提供支撑。

通过上述实施例计算出的量化分析结果，一些重点关注的超标排污企业都有了合理的得分和排名。比如，某省某磷矿厂由于存在历史遗留的磷矿渣储存不当的问题，导致排水中总磷浓度严重超标。但该渣场平时排水较少，排水多在降雨时发生，因此在现在的贡献率机制中便只占据了较小的贡献度。但上述实施例的量化分析方案中，每当降雨发生，该厂当天的污染浓度排名就会位居前三，表示其是导致监测断面水质超标的主要原因。

图3为根据本发明实施例的用于污染源排污量化分析处理的计算设备的结构框图。

如图3所示，计算设备300可以包括至少一个处理器310、存储器320、内存330、通信接口340以及内部总线350，并且至少一个处理器310、存储器320、内存330和通信接口340经由内部总线350连接在一起。该至少一个处理器310执行在计算机可读存储介质(即，存储器320)中存储或编码的至少一个计算机可读指令(即，上述以软件形式实现的元素)。

在一个实施例中，在存储器320中存储有计算机可执行指令，其当执行时使得至少一个处理器310：基于目标区域的自然地理特征和监测断面所在位置，对目标区域进行控制区域划分；获取目标区域中各个污染源所在的位置，并确定各个污染源所属的控制区域；根据各个监测断面相对于所在河流的上下游关系，确定各个控制区域的入境监测断面和出境监测断面；计算各个污染源与其所在的控制区域的出境监测断面之间的距离；对于各个污染源，根据所述污染源与其所在的控制区域的出境监测断面之间的距离，计算所述污染源的各种污染物到达所述出境监测断面处的污染物浓度；将所述污染源的各种污染物到达所述出境监测断面处的浓度进行加权平均计算并得到加权平均计算结果，对各个污染源的加权平均计算结果进行排序，从而得到各个污染源排污量化分析结果。

应该理解的是，在存储器320中存储的计算机可执行指令当执行时使得至少一个处理器310进行本公开的各个实施例中以上结合图1-2描述的各种操作和功能。

在本公开中，计算设备300可以包括但不限于：个人计算机、服务器计算机、工作站、桌面型计算机、膝上型计算机、笔记本计算机、移动计算设备、智能电话、平板计算机、蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、手持装置、消息收发设备、可佩戴计算设备、消费电子设备等等。

根据一个实施例，提供了一种例如非暂时性机器可读介质的程序产品。非暂时性机器可读介质可以具有指令(即，上述以软件形式实现的元素)，该指令当被机器执行时，使得机器执行本公开的各个实施例中以上结合图1-2描述的各种操作和功能。

具体地，可以提供配有可读存储介质的系统或者装置，在该可读存储介质上存储着实现上述实施例中任一实施例的功能的软件程序代码，且使该系统或者装置的计算机或处理器读出并执行存储在该可读存储介质中的指令。

在这种情况下，从可读介质读取的程序代码本身可实现上述实施例中任何一项实施例的功能，因此机器可读代码和存储机器可读代码的可读存储介质构成了本发明的一部分。

可读存储介质的实施例包括软盘、硬盘、磁光盘、光盘(如CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD-ROM、DVD-RAM、DVD-RW、DVD-RW)、磁带、非易失性存储卡和ROM。可选择地，可以由通信网络从服务器计算机上或云上下载程序代码。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的权利要求保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明权利要求的保护范围内。