本發(fā)明涉及一種對降雨徑流污染空間分布的分析方法，尤其涉及一種基于GIS技術(shù)分析降雨徑流污染空間分布特征的方法。

背景技術(shù)：

上世紀(jì)70年代，發(fā)達國家已基本控制工業(yè)廢水和生活污水等點源污染，非點源污染已成為自然水體污染的主要來源。相關(guān)研究表明，即使將點源污染全部控制，仍然不能保證良好的水環(huán)境質(zhì)量，其原因為降雨徑流沖刷地面的各種污染物并帶入自然水體。因此，研究降雨徑流污染空間分布特征對于制定降雨徑流污染控制策略、實施污染控制措施有著直接指導(dǎo)意義。

評估降雨徑流污染空間分布特征的傳統(tǒng)方法為輸出系數(shù)法，即沿用用地類型劃分準(zhǔn)則(國內(nèi)通常采用《城市用地分類與規(guī)劃建設(shè)用地標(biāo)準(zhǔn)》GB50137)，將研究區(qū)域劃分為不同的用地類型，并通過現(xiàn)場采樣和試驗分析，計算各用地類型的降雨徑流的污染物濃度，進而評估研究區(qū)域的不同用地類型的降雨徑流污染空間分布特征。目前輸出系數(shù)法在國內(nèi)已廣泛應(yīng)用。例如：張大弟(1997)對上海市郊4種地表類型的降雨徑流污染特征和負(fù)荷的調(diào)研和評估(上海市郊4種地表徑流污染負(fù)荷調(diào)查與評價)；常靜(2006)對上海交通區(qū)、商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)和居民區(qū)等用地類型的降雨徑流污染的空間分布進行評估(上海城市降雨徑流污染時空分布與初始沖刷效應(yīng))；歐陽威(2010)對北京城區(qū)不同用地類型降雨徑流的污染特征的評估(北京城區(qū)不同下墊面降雨徑流產(chǎn)污特征分析)；馬英(2011)對東莞不同用地類型降雨徑流的污染程度的研究(東莞不同下墊面降雨徑流污染輸移規(guī)律研究)等。

應(yīng)該指出，上述方法經(jīng)過不斷的修正后，具有所需參數(shù)少、數(shù)據(jù)獲取便捷等優(yōu)點，但其本質(zhì)仍為將各個用地類型的區(qū)域視為相互獨立的污染輸出板塊，并將同一用地類型的降雨徑流污染進行單一化的均值定量。而降雨徑流污染的主要來源為人為活動過程中積累于地表的污染物，而人為活動在空間上具有空間相關(guān)性的，其不隨用地類型的變更而產(chǎn)生巨幅變化，而且同一用地類型區(qū)域內(nèi)部亦存在差異。因此，忽略不同用地類型的降雨徑流污染的空間關(guān)聯(lián)性和同一用地類型的降雨徑流污染的空間差異性，易導(dǎo)致評估結(jié)果與實際情況存在較大偏差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供基于GIS技術(shù)分析降雨徑流污染空間分布特征的方法，采用GIS技術(shù)(地理信息系統(tǒng))對降雨徑流污染的空間分布特征進行模擬，解決當(dāng)前主要根據(jù)用地類型進行單一賦值的輸出系數(shù)法而導(dǎo)致計算結(jié)果精度較低的問題，并為有效制定降雨徑流污染控制策略、實施污染控制措施、開展海綿城市建設(shè)提供科學(xué)指導(dǎo)。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

基于GIS技術(shù)分析降雨徑流污染空間分布特征的方法，其特征在于它包括以下具體步驟：

A、獲取研究區(qū)域中陸域的空間信息數(shù)據(jù)，并將所述陸域分為地面類不透水面和屋面類不透水面；

B、采樣分析，對地面類不透水面和屋面類不透水面分別進行降雨采樣，并獲取采樣點的GPS定位數(shù)據(jù)；

C、根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算不同采樣點的單次降雨徑流污染物的EMC，并進一步加權(quán)計算SMC，通過采樣點GPS定位數(shù)據(jù)錄入基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫，將地面類不透水面采樣點的SMC作為屬性數(shù)據(jù)與相應(yīng)的空間坐標(biāo)進行關(guān)聯(lián)，建立地面類不透水面的降雨徑流污染屬性數(shù)據(jù)庫；

D、最優(yōu)GIS模型構(gòu)建，進行空間模擬，對各地面類不透水面采樣點的地理位置和SMC進行擬合分析，通過擬合分析選擇最優(yōu)半方差模型以及最優(yōu)參數(shù)，并利用該最優(yōu)半方差模型以及最優(yōu)參數(shù)對各地面類不透水面采樣點之間的位置進行SMC的插值計算；

E、生成降雨徑流污染等級空間分布圖，對于地面類不透水面，輸出步驟D中得到的地面類不透水面的降雨徑流污染插值圖，對于屋面類不透水面，將屋面類不透水面的降雨徑流污染SMC進行加權(quán)平均，作為屋面類不透水面的統(tǒng)一的SMC。優(yōu)選地，步驟A中，空間信息數(shù)據(jù)的來源分為兩種：①以降雨徑流污染研究區(qū)域的遙感影像資料為數(shù)據(jù)源，采用ArcGIS軟件進行坐標(biāo)系統(tǒng)配準(zhǔn)后，對研究區(qū)域下墊面進行解譯與解譯圖層預(yù)處理，并最終獲得shp格式的、有效空間信息數(shù)據(jù)；②相關(guān)規(guī)劃管理部門已存在研究范圍用地類型的解譯數(shù)據(jù)，則可采用ArcGIS軟件對其進行預(yù)處理，最終獲得研究區(qū)域中陸域的空間信息數(shù)據(jù)。

所述步驟A中剔除的用地類型包括水體、濕地、綠地等透水下墊面或自然水體，其中綠地不僅包括集中綠地，還包括小區(qū)綠地等零散綠地。不透水下墊面分為地面類和屋面類不透水下墊面2大類。

優(yōu)選地，步驟B中，降雨采樣分為地面類不透水面和屋面類不透水下墊面的采樣，采用人工采樣或降雨徑流采樣器進行降雨采樣，采樣過程中，前30min內(nèi)徑流采樣間隔時間宜為5min，30min～90min內(nèi)采樣間隔時間宜為10min，90min之后的采樣間隔時間可適當(dāng)擴大，采樣監(jiān)測指標(biāo)為COD、BOD、NH₄⁺-N、TN、TP、重金屬和POPs。

所述步驟B中采樣點位設(shè)計應(yīng)對研究區(qū)域進行網(wǎng)格化均勻布點，并在可接受采樣強度范圍內(nèi)對特殊區(qū)域(如大片的廣場等)進行密集布點，以達到分析其降雨徑流污染的空間差異性的目的。

所述步驟B中采樣次數(shù)設(shè)置應(yīng)滿足如下要求：需對研究范圍的降雨徑流進行長期采樣監(jiān)測，時間跨度至少一年，并保證每季度至少采樣一次；且大雨、中雨和小雨的降雨至少一次。

優(yōu)選地，步驟C中，事件平均濃度EMC(Event Mean Concentration)的計算公式為

點位平均濃度SMC(Site Mean Concentration)的計算公式為

上述公式(1)中，EMC是指事件平均濃度，mg/L；M是指降雨事件徑流污染物總量，mg；V是指降雨事件徑流總量，L；Q_j是指第j次取樣時所對應(yīng)的徑流量，L/min；C_j指j次取樣時的徑流污染物濃度，mg/L。上述公式(2)中，SMC是指點位平均濃度，P是指第i次降雨量，L；EMC_i是指第i次降雨徑流點位平均濃度，mg/L。

所述步驟C中監(jiān)測數(shù)據(jù)的正態(tài)分布檢驗為必須環(huán)節(jié)，常見檢驗方法包括Kolmogorov-Smirnov檢驗和Shapiro-Wilk檢驗，原始數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布的需進行對數(shù)轉(zhuǎn)換、倒數(shù)轉(zhuǎn)換等數(shù)據(jù)處理。SMC為評估降雨徑流污染空間分布特征的主要指標(biāo)。

優(yōu)選地，步驟D又包括：

1)用GS+擬合半方差函數(shù)并優(yōu)化其參數(shù)。將地面類不透水面采樣點的地理信息和對應(yīng)的SMC輸入GS+軟件中；用GS+對SMC進行空間模擬，通過擬合分析，選擇最優(yōu)半方差模型以及最優(yōu)參數(shù)；

2)將GS+(Version 9，Gamma Design Software company)擬合的半方差函數(shù)最優(yōu)參數(shù)輸入ArcGIS(Version 9.3,ESRI.company)中的地統(tǒng)計模塊(Geostatistical analyst)，采用最常用的普通克里金法(Ordinary Kriging)進行的空間插值，利用配對t檢驗(Paired t test)對空間差值結(jié)果與實測結(jié)果的進行精度檢驗，最終確定最優(yōu)GIS分析模型。

步驟D中，最優(yōu)半方差模型線性包括基臺模型、球狀模型、指數(shù)模型和高斯模型，其空間模擬(最優(yōu)半方差模型以及最優(yōu)參數(shù))的最優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)為決定系數(shù)值最大和殘差平方和值最小。

優(yōu)選地，步驟E還包括：參照研究區(qū)域受納水體的地表水控制標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)，制定降雨徑流的污染等級；

點擊插值圖的屬性，根據(jù)設(shè)定的污染等級對應(yīng)的污染物濃度，確定直方圖的組距、組數(shù)和輸出顏色；

輸出降雨徑流污染等級空間分布圖。

所述步驟E中輸出地面類不透水面的降雨徑流污染插值圖，將插值圖柵格化后，并對插值圖進行提取邊界和裁剪的優(yōu)化措施，插值圖柵格化的柵格應(yīng)不大于1m×1m。

所述步驟E中降雨徑流的污染等級即為直方圖的組數(shù)，一般分為6組～10組。

本發(fā)明將GIS技術(shù)引入至降雨徑流污染空間分布特征的模擬，試圖避免采用傳統(tǒng)輸出系數(shù)法在降雨徑流污染研究中籠統(tǒng)賦值不足，提高降雨徑流污染評估的精度，以便有效制定降雨徑流污染控制策略、科學(xué)指導(dǎo)實施污染控制措施。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的流程圖。

圖2為本發(fā)明一實施例的監(jiān)測點位總圖。

圖3為該實施例EPA_SS的最優(yōu)半方差函數(shù)模型及擬合結(jié)果。

圖4為利用普通克立格方法插值獲得的地表徑流SMC_SS分布圖。

具體實施方法

下面結(jié)合附圖和具體實施過程對本發(fā)明專利作進一步的說明。

為了更好的說明本發(fā)明專利的具體實施方案，現(xiàn)以本發(fā)明所采用的方法在上海臨港新城的應(yīng)用為例，對本發(fā)明內(nèi)容的實施過程進行實例說明。

上海臨港新城位于上海東南角，其陸地區(qū)域45％的面積由填海造陸而成，土壤鹽堿度較高，移植的植株生長受限臨港新城主城區(qū)的中心是滴水湖，它是世界上最大的人工景觀湖，面積為5.56km²，與沿湖以環(huán)狀的“三漣”(內(nèi)漣河，中漣河，

外漣河)和“七射”構(gòu)成了臨港水系的主構(gòu)架。臨港主城區(qū)劃分為滴水湖二級集水區(qū)，主城區(qū)采用的雨污分流的市政排水系統(tǒng)，暴雨時期，溢出的徑流污水將排入臨港水系，進入滴水湖對其景觀水質(zhì)造成影響。

(1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集

上海臨港新城2008年土地利用數(shù)據(jù)解譯于華東師范大學(xué)地理信息科學(xué)教育部重點實驗室，根據(jù)其人為活動的空間關(guān)聯(lián)性，本研究將不透水面分為道路廣場類不透水面與屋面類不透水面。通過ArcGIS工具生成道路廣場類不透水面與屋面類不透水面的圖層，以便采用地統(tǒng)計學(xué)模型對道路廣場類EIA的徑流污染物的空間分布進行模擬。

(2)制定采樣方案和采樣分析

在現(xiàn)場調(diào)研研究區(qū)域用地類型、用地面積等用地信息的基礎(chǔ)上，制定降雨徑流采樣方案。采樣點位如下圖下表所示。

表1 監(jiān)測點位信息

采用自動徑流采樣器共采集有效降雨事件5次，具體見表2。

表2 采集降雨事件

分析指標(biāo)為COD、BOD、NH₄⁺-N和TP。

3.降雨徑流污染檢測數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)庫建立

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行各污染物的描述性分析，相關(guān)性分析等。相關(guān)性分析，結(jié)果表明污染物SS的EMC值與COD_Cr、TP和NH₃-N均呈顯著相關(guān)，在此本研究僅選SS的SMC討論臨港新城地表徑流污染的空間差異性。

通過采樣點GPS定位數(shù)據(jù)錄入基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫，將地面類不透水面采樣點的SMC作為屬性數(shù)據(jù)與相應(yīng)的空間坐標(biāo)進行關(guān)聯(lián)，建立地面類不透水面的降雨徑流污染屬性數(shù)據(jù)庫。

表3 各污染物描述性統(tǒng)計

表4 各污染物相關(guān)性分析

4.最優(yōu)GIS模型構(gòu)建

根據(jù)公式計算不同監(jiān)測點位的SMCss，并以SMCss為區(qū)域化變量，利用半方差函數(shù)，對臨港新城道路交通類EIA的SMCss的半方差值隨步長變化的理論模型進行擬合，以殘差平方和(RSS)最小和決定系數(shù)(R²)最大為最優(yōu)模型的篩選標(biāo)準(zhǔn)，最終確定SMCss在空間模擬的最優(yōu)模型為高斯模型。

表5 臨港徑流SMC_SS的全方位的半方差模型及其參數(shù)

5.生成降雨徑流污染等級空間分布圖

①輸出地面類不透水面的降雨徑流污染插值圖，將插值圖柵格化后，并對插值圖進行提取邊界(Extract by mask)和裁剪等優(yōu)化措施；②將屋面類不透水面的降雨徑流污染SMC_SS進行加權(quán)平均，作為屋面類不透水面的統(tǒng)一的SMC。③參照研究區(qū)域受納水體的地表水控制標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)，制定降雨徑流的污染等級；④點擊插值圖的屬性(Properties)，根據(jù)設(shè)定的污染等級對應(yīng)的污染物濃度，確定直方圖(Histogram)的組距、組數(shù)和輸出顏色；⑤輸出降雨徑流污染等級空間分布圖。