一種土壤侵蝕類面源污染物入河量的計算方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種土壤侵蝕類面源污染物入河量的計算方法及裝置，通過對污染物含量(通用土壤流失方程)與徑流過程(WEP-L)的計算，將污染物隨徑流入河過程用具有物理機(jī)制的編程語言描述(Fortran編程)，實現(xiàn)土壤侵蝕類面源污染物入河量計算結(jié)果的動態(tài)性和穩(wěn)定性，剔除人為因素的過多干擾。該方法既提高了計算結(jié)果的模擬精度，又實現(xiàn)了穩(wěn)定預(yù)測功能。
【專利說明】一種土壤侵蝕類面源污染物入河量的計算方法及裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于水文學(xué)與水環(huán)境學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種土壤侵蝕類面源污染物入河量 的計算方法及裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 土壤侵蝕類面源污染泛指土壤顆粒中含有溶解的和固體的污染物從非特定的地 點在降水（或融雪）的沖刷作用下，通過徑流過程而匯入受納水體引起水體水質(zhì)惡化的現(xiàn) 象，此類污染物主要包括有機(jī)物、氮、磷、重金屬等。通常采用輸出系數(shù)法或水質(zhì)反演法，這 些方法的不足在于：
[0003] 1、土壤侵蝕類面源污染入河量通常采用輸出系數(shù)法或水質(zhì)反演法進(jìn)行計算，需依 靠針對性的實驗數(shù)據(jù)方可完成，適用范圍局限，不適用于流域大尺度污染入河量計算。
[0004] 2、土壤侵蝕類面源污染入河量計算結(jié)果受人為因素干擾較大。
[0005] 3、輸出系數(shù)法是指土壤侵蝕類面源污染負(fù)荷與入河系數(shù)的乘積，入河系數(shù)依靠經(jīng) 驗或部分實驗數(shù)據(jù)確定，計算范圍不宜過大。
[0006] 4、水質(zhì)反演法是指根據(jù)無支流匯入河段的輸入、輸出控制斷面的污染物實測濃 度，反演土壤侵蝕類面源污染物入河量，對于河段選取較嚴(yán)格，需剔除其他類型面源（如畜 禽養(yǎng)殖類面源）的影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種土壤侵蝕類面源污染物入河量的計算方法及裝置，旨 在解決上述【背景技術(shù)】中的不足。
[0008] 本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種土壤侵蝕類面源污染物入河量的計算方法，包括以下 步驟：
[0009] S1、利用通用土壤流失方程計算土壤侵蝕量；
[0010] S2、利用WEP-L模擬地表徑流過程，包含月徑流過程和年徑流過程；
[0011] S3、建立空間尺度下土壤侵蝕量-徑流過程的線性關(guān)系；
[0012] S4、利用Fortran語言進(jìn)行編程，耦合土壤流失方程和WEP-L模型，對土壤侵蝕類 面源污染物入河量進(jìn)行動態(tài)計算；
[0013] S5、將Fortran程序運行結(jié)果導(dǎo)入GIS工具中，完成土壤侵蝕類面源污染物入河量 的空間可視化。
[0014] 優(yōu)選地，在步驟S3中，所述線性關(guān)系用函數(shù)定義為：
[0015] W = Quota X USLE X a X R_thly/R_als
[0016] 式中：Quota為土壤中污染物含量，USLE為土壤侵蝕量，a為入河系數(shù)；R_thly為月 徑流量；R_ als為年徑流量。
[0017] 本發(fā)明進(jìn)一步提供了一種土壤侵蝕類面源污染物入河量的計算裝置，包括：
[0018] 土壤侵蝕量計算模塊，用于利用通用土壤流失方程計算土壤侵蝕量；
[0019] 徑流模擬模塊，用于利用WEP-L模擬地表徑流過程，包含月徑流過程和年徑流過 程；
[0020] 關(guān)系建立模塊，用于建立空間尺度下土壤侵蝕量-徑流過程的線性關(guān)系；
[0021] 動態(tài)計算模塊，用于利用Fortran語言進(jìn)行編程，耦合土壤流失方程和WEP-L模 型，對土壤侵蝕類面源污染物入河量進(jìn)行動態(tài)計算；
[0022] 分布圖繪制模塊，用于將Fortran語言運行結(jié)果導(dǎo)入GIS工具中，完成土壤侵蝕類 面源污染物入河量的空間可視化；其中，
[0023] 所述土壤侵蝕量計算模塊、徑流模擬模塊、關(guān)系建立模塊、動態(tài)計算模塊以及分布 圖繪制模塊依次連接。
[0024] 優(yōu)選地，在關(guān)系建立模塊中，所述線性關(guān)系用函數(shù)定義為：
[0025] W = Quota X USLE X a X R_thly/R_als
[0026] 式中：Quota為土壤中污染物含量，USLE為土壤侵蝕量，a為入河系數(shù)；R_thly為月 徑流量；R_ als為年徑流量。
[0027] 本發(fā)明克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種土壤侵蝕類面源污染物入河量的計算方法 及裝置，通過對污染物含量（通用土壤流失方程）與徑流過程（WEP-L)的計算，將污染物隨 徑流入河過程用具有物理機(jī)制的編程語言描述（Fortran編程），實現(xiàn)土壤侵蝕類面源污染 物入河量計算結(jié)果的動態(tài)性和穩(wěn)定性，剔除人為因素的過多干擾。該方法既提高了計算結(jié) 果的模擬精度，又實現(xiàn)了穩(wěn)定預(yù)測功能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028] 圖1是本發(fā)明土壤侵蝕類面源污染物入河量的計算方法的步驟流程圖；
[0029] 圖2是本發(fā)明實施例中Fortran編輯界面圖；
[0030] 圖3是本發(fā)明實施例中又一 Fortran編輯界面圖；
[0031] 圖4是本發(fā)明實施例中地表徑流過程輸出結(jié)果；
[0032] 圖5是本發(fā)明實施例中土壤侵蝕類面源污染物入河量空間分布圖；
[0033] 圖6是本發(fā)明土壤侵蝕類面源污染物入河量的計算裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0034] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0035] -種土壤侵蝕類面源污染物入河量的計算方法，如圖1所示，包括以下步驟：
[0036] S1、利用通用土壤流失方程計算土壤侵蝕量
[0037] 在步驟S1中，通用土壤流失方程USLE(Universal Soil Loss Equation)是用于 定量預(yù)報土地坡面多年平均年土壤流失量的一個經(jīng)驗性土壤侵蝕預(yù)報模型，其數(shù)學(xué)表達(dá) 式是一系列變量相乘的方程形式。計算公式為：
[0038] USLE = KXCXLXSXP
[0039] 式中：USLE為土壤侵蝕量，K為土壤類型，C為作物管理因子，L為坡長，S為坡度， P為水土保持措施因子。
[0040] S2、利用WEP-L模擬地表徑流過程，包含月徑流過程和年徑流過程
[0041] 在步驟S2中，流域分布式水文模型WEP-L是在綜合了分布式水文模型和陸面過程 模型各自優(yōu)點的基礎(chǔ)上開發(fā)的，模擬對象為天然-人工二元水循環(huán)系統(tǒng)。該模型采用"子 流域內(nèi)等高帶"為計算單元，并用馬賽克法考慮計算單元內(nèi)土地植被的多樣性，避免了采 用過粗網(wǎng)格單元產(chǎn)生的模擬失真問題。針對各水循環(huán)要素過程時間尺度不同的特點，計算 時采用了 lh至Id的變時間步長，既合理表述了水循環(huán)動力學(xué)機(jī)制又提高了計算效率。主 要輸入信息包括：河網(wǎng)水系、降水等氣象要素、下墊面要素信息、社會經(jīng)濟(jì)信息等。
[0042] S3、建立空間尺度下土壤侵蝕量-徑流過程的線性關(guān)系
[0043] 在步驟S3中，其中，土壤侵蝕量-徑流過程的線性關(guān)系用函數(shù)定義為：
[0044] W = Quota X USLE X a X R_thly/R_als
[0045] 式中：Quota為土壤中污染物含量，USLE為土壤侵蝕量，a為入河系數(shù)；R_thly為月 徑流量；R_ als為年徑流量。
[0046] S4、利用Fortran語言進(jìn)行編程，耦合土壤流失方程和WEP-L模型，對土壤侵蝕類 面源污染物入河量進(jìn)行動態(tài)計算
[0047] 在步驟 S4 中，上述方程（指 W = Quota X USLE X a X R_thly/R_als)中，變量 USLE 是 土壤流失方程的輸出結(jié)果，變量R_thly和R_als是WEP-L模型的輸出結(jié)果，利用Fortran語 言編寫求解W的過程，即為S4。
[0048] S5、將Fortran程序運行結(jié)果導(dǎo)入GIS工具中，完成土壤侵蝕類面源污染物入河量 的空間可視化
[0049] 在步驟S5中，利用GIS工具生成河網(wǎng)水系，利用河道拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行計算單元編碼， 輸入河道基本屬性。按照與生成河段基本信息對應(yīng)的Fortran運行結(jié)果（如：計算單元編 碼2134的土壤侵蝕量、土壤侵蝕污染物入河量）輸入到GIS基本信息列表后作圖。生成具 有空間分布特征的河道水系圖。
[0050] 在本發(fā)明的實際應(yīng)用過程中，包括以下具體步驟：
[0051] 1、進(jìn)入Fortran編輯界面，利用"土壤侵蝕量=降雨侵蝕量X坡長X坡度X 土 壤可侵蝕因子X植被覆蓋與管理因子X 土壤保持措施因子X計算單元面積"編寫土壤侵 蝕量計算代碼。利用"土壤侵蝕類面源污染物入河量=土壤中污染物含量X 土壤侵蝕量X 入河系數(shù)X月徑流量/年徑流量"編寫土壤侵蝕類面源污染物入河量計算代碼，見圖2和 圖3。
[0052] 2、利用WEP-L模型輸出計算單元地表徑流過程，見圖4。
[0053] 3、將地表徑流輸出結(jié)果，作為Fortran程序的輸入信息。
[0054] 4、利用GIS軟件完成計算單元的土壤侵蝕類面源污染物入河量賦值，并繪制土壤 侵蝕類面源污染物入河量空間分布圖，如圖5。
[0055] -種土壤侵蝕類面源污染物入河量的計算裝置，如圖6所示，包括：
[0056] 土壤侵蝕量計算模塊1，用于利用通用土壤流失方程計算土壤侵蝕量；
[0057] 徑流模擬模塊2,用于利用WEP-L模擬地表徑流過程，包含月徑流過程和年徑流過 程；
[0058] 關(guān)系建立模塊3,用于建立空間尺度下土壤侵蝕量-徑流過程的線性關(guān)系；
[0059] 動態(tài)計算模塊4,用于利用Fortran語言進(jìn)行編程，耦合土壤流失方程和WEP-L模 型，對土壤侵蝕類面源污染物入河量進(jìn)行動態(tài)計算；
[0060] 分布圖繪制模塊5,用于將Fortran語言運行結(jié)果導(dǎo)入GIS工具中，完成土壤侵蝕 類面源污染物入河量的空間可視化；其中，
[0061] 所述土壤侵蝕量計算模塊1、徑流模擬模塊2、關(guān)系建立模塊3、動態(tài)計算模塊4以 及分布圖繪制模塊5依次連接。
[0062] 本發(fā)明的計算裝置與上述實施例中的計算方法相對應(yīng)，以上述方法中記載內(nèi)容同 樣解釋本實施例裝置，在此不再贅述。
[0063] 相比于現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0064] 1、適用于大流域尺度計算；
[0065] 2、計算結(jié)果空間分布特征明顯，直觀易懂；
[0066] 3、對實現(xiàn)土壤侵蝕面源污染物入河量的預(yù)測具有可行性。
[0067] 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種土壤侵蝕類面源污染物入河量的計算方法，其特征在于包括以下步驟： 51、 利用通用土壤流失方程計算土壤侵蝕量； 52、 利用WEP-L模擬地表徑流過程，包含月徑流過程和年徑流過程； 53、 建立空間尺度下土壤侵蝕量-徑流過程的線性關(guān)系； 54、 利用Fortran語言進(jìn)行編程，耦合土壤流失方程和WEP-L模型，對土壤侵蝕類面源 污染物入河量進(jìn)行動態(tài)計算； 55、 將Fortran程序運行結(jié)果導(dǎo)入GIS工具中，完成土壤侵蝕類面源污染物入河量的空 間可視化。
2. 如權(quán)利要求1所述的土壤侵蝕類面源污染物入河量的計算方法，其特征在于，在步 驟S3中，所述線性關(guān)系用函數(shù)定義為： ff = QuotaXUSLEXaXRmonthly/Rannals 式中：Quota為土壤中污染物含量,USLE為土壤侵蝕量,a為入河系數(shù)；R_thly為月徑流 量；R_ais為年徑流量。
3. -種土壤侵蝕類面源污染物入河量的計算裝置，其特征在于，包括： 土壤侵蝕量計算模塊，用于利用通用土壤流失方程計算土壤侵蝕量； 徑流模擬模塊，用于利用WEP-L模擬地表徑流過程，包含月徑流過程和年徑流過程； 關(guān)系建立模塊，用于建立空間尺度下土壤侵蝕量-徑流過程的線性關(guān)系； 動態(tài)計算模塊，用于利用Fortran語言進(jìn)行編程，耦合土壤流失方程和WEP-L模型，對 土壤侵蝕類面源污染物入河量進(jìn)行動態(tài)計算； 分布圖繪制模塊，用于將Fortran語言運行結(jié)果導(dǎo)入GIS工具中，完成土壤侵蝕類面源 污染物入河量的空間可視化；其中， 所述土壤侵蝕量計算模塊、徑流模擬模塊、關(guān)系建立模塊、動態(tài)計算模塊以及分布圖繪 制模塊依次連接。
4. 如權(quán)利要求3所述的土壤侵蝕類面源污染物入河量的計算裝置，其特征在于，在關(guān) 系建立模塊中，所述線性關(guān)系用函數(shù)定義為： ff = QuotaXUSLEXaXRmonthly/Rannals 式中：Quota為土壤中污染物含量,USLE為土壤侵蝕量,a為入河系數(shù)；R_thly為月徑流 量；R_ais為年徑流量。
【文檔編號】G06F19/00GK104156570SQ201410354473
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月23日
【發(fā)明者】賀華翔, 周祖昊, 牛存穩(wěn), 賈仰文, 胡鵬, 謝新民, 柴福鑫, 陳星宇 申請人:中國水利水電科學(xué)研究院