一种河道缓冲带布设方法和装置与流程

本发明涉及河道缓冲带布设，具体涉及一种河道缓冲带布设方法和装置。

背景技术：

1、随着水污染防治从末端治理向流域系统治理转变，非点源污染作为水体富营养化的重要成因，其治理的关键在于对坡面汇流携带的溶解态污染物进行有效拦截。河道缓冲带作为一项重要的生态措施，被广泛应用于阻控两侧河岸污染物进入水体。然而，流域内河段众多、污染负荷时空分布不均，如何精准识别污染贡献最大的关键河段、判定污染物的主要来源岸侧，并据此确定差异化的缓冲带宽度，是当前流域非点源治理中亟待解决的技术难题。

2、现有缓冲带布设方案具有诸多局限：难以识别出当前治理紧迫性最高的区域，对治理河段的识别缺乏系统性与动态性；缓冲带的布设未区分左右岸污染来源差异，左右岸污染来源判定多依靠经验划分或简单的集水区面积比例，精度低且造成工程面积和建设成本浪费；缓冲带宽度采用固定值或简单分级，未与各河段实际需削减的污染物负荷量挂钩；负荷排序与来源解析所需的数据往往来自不同的计算或采集过程，数据同源性差，增加了重复建模和数据处理的成本。

3、上述局限导致现有方法难以在兼顾关键污染河段精准识别、污染主要来源岸侧判定、缓冲带布设成本控制和同源数据复用的前提下，完成河道缓冲带的靶向布设。

技术实现思路

1、本发明提供了一种河道缓冲带布设方法，以解决难以兼顾关键污染河段精准识别、污染主要来源岸侧判定、缓冲带布设成本控制和同源数据复用的河道缓冲带靶向布设问题。

2、第一方面，本发明提供了一种河道缓冲带布设方法，该方法包括：

3、按照预设时间步长，利用分布式流域水文水质模型对目标河道流域进行长序列模拟，得到每个时间步长下目标河道流域的坡面流栅格数据集和溶解态污染物运送栅格数据集；根据多个坡面流栅格数据集和多个溶解态污染物运送栅格数据集，构建目标河道流域的溶解态污染物负荷时空分布；根据溶解态污染物负荷时空分布，构建目标河道流域中每个河段的时空动态指标，其中，时空动态指标用于表征目标河道流域在预设评估时段内溶解态污染物负荷的时间与空间变化；基于多个时空动态指标和预设累积贡献率阈值，利用累积贡献率曲线，对目标河道流域的污染河段进行识别，得到多个关键污染河段；利用溶解态污染物负荷时空分布、坡面流栅格数据集和溶解态污染物运送栅格数据集，确定每个关键污染河段的污染主要来源岸侧；基于多个时空动态指标和每个关键污染河段的污染主要来源岸侧，确定目标河道流域的河道缓冲带布设方案。

4、本发明提供的河道缓冲带布设方法，利用分布式流域水文水质模型统一输出坡面流与溶解态污染物运送栅格数据并构建全域污染负荷时空分布，实现了全流域数据同源统一运算，能够避免多源数据拼接带来的重复建模和计算损耗，降低了流域数据处理成本。进一步，根据两种栅格数据集构建目标河道全流域的溶解态污染物负荷时空分布，能够完整体现各河段污染物通量随时间和空间的变化规律，能够为后续指标计算提供连续统一的数据支撑。进一步，基于负荷时空分布并同步融合污染空间聚集强度与时间增长趋势构建河段时空动态指标，能够直观反映各河段真实治理紧迫程度。进一步，结合时空动态指标与累积贡献率阈值，利用历史累积贡献率曲线筛选出关键污染河段，通过从全流域的视角锁定高污染贡献区段，避免了仅靠监测断面经验划定治理范围的局限性。进一步，基于前期生成的栅格数据，并结合溶解态污染物负荷时空分布精准判定污染主导岸侧，解决了现有技术岸侧来源识别精度低、依靠经验划分的问题。进一步，综合河段时空污染特征与岸侧污染来源制定差异化缓冲带布设方案，规避了传统布设方案造成的资源浪费与拦截效果不足的缺陷。因此，通过实施本发明，在提升流域非点源污染治理精准度的同时，有效降低工程建设规模与数据运算开销，兼顾技术实用性与经济可行性解决了仅依靠静态负荷或监测断面经验识别河段、两侧河岸均等布设缓冲带、固定宽度适配性差和多环节数据不同源的问题，提升了关键污染河段与污染来源岸侧的精准性。

5、在一种可选的实施方式中，根据多个坡面流栅格数据集和多个溶解态污染物运送栅格数据集，构建目标河道流域的溶解态污染物负荷时空分布，包括：

6、基于多个坡面流栅格数据集，沿河道中心线将目标河道流域划分为左岸空间域和右岸空间域；根据多个溶解态污染物运送栅格数据集，分别确定目标河道流域中每个河段的左岸空间域的左岸过境通量和右岸空间域的右岸过境通量；根据每个河段的左岸过境通量和右岸过境通量，构建目标河道流域的溶解态污染物负荷时空分布。

7、本发明提供的河道缓冲带布设方法，通过坡面流栅格数据集划分河道左右空间域，明确了两侧河岸的汇流边界。进一步，根据溶解态污染物运送栅格数据集分别计算各河段左右岸过境通量，能够定量拆分两侧河岸入河的污染物体量并反映两侧河岸各自的污染物过境通量。进一步，根据左右岸过境通量构建溶解态污染物负荷时空分布，能够统一存储全流域和全时段的左右岸入河溶解态污染物通量，为后续的关键河段识别和主要污染岸侧来源判定提供了数据基础。因此，通过实施本发明，克服了两侧河岸污染难以区分、数据同源性不足的局限，降低了流域数据处理成本，为后续关键河段识别、岸侧溯源与缓冲带靶向布设提供了关键支撑。

8、在一种可选的实施方式中，根据溶解态污染物负荷时空分布，构建目标河道流域中每个河段的时空动态指标，包括：

9、根据溶解态污染物负荷时空分布，确定目标河道流域在预设评估时段的累积负荷空间分布；计算累积负荷空间分布的空间变化梯度以及计算溶解态污染物负荷时空分布的时间变化速率；根据空间变化梯度和时间变化速率，构建目标河道流域中每个河段的时空动态指标。

10、本发明提供的河道缓冲带布设方法，通过溶解态污染物负荷时空分布求取评估时段累积负荷空间分布，能够完整汇总时段内各河段总污染入河量，为污染物的空间变化梯度计算提供基础。进一步，通过分别求解累积负荷空间变化梯度与负荷时间变化速率，量化了污染空间聚集强度与时间增长态势，实现了污染物总量的动态评价。进一步，通过融合两类参数并构建河段时空动态指标，能够综合反映各河段的治理紧迫程度，提升了关键污染河段筛选的目的性。因此，通过实施本发明，解决了仅依靠静态负荷识别河段与忽略污染动态演化的问题，能够精准反映河段治理的优先级。

11、在一种可选的实施方式中，该方法还包括：

12、获取目标河道流域的多个历史时空动态指标；根据多个历史时空动态指标，构建累积贡献率曲线；根据累积贡献率曲线，确定预设累积贡献率阈值。

13、本发明提供的河道缓冲带布设方法，通过收集全河段历史时空动态指标，能够为贡献率计算提供充足样本数据。进一步，基于全部指标绘制累积贡献率曲线，能够直观呈现不同河段污染贡献的分布规律，有助于识别污染贡献突变拐点。进一步，根据累积贡献率曲线灵活设定累积贡献率阈值，实现了按流域实际污染分布动态划定治理范围，能够避免固定比例一刀切。因此，通过实施本发明，利用历史指标生成累积贡献率曲线并自主确定筛选阈值，解决了传统固定阈值划分关键河段脱离了流域实际污染格局的问题，能够让不同程度污染河段识别标准适配相应的流域治理需求。

14、在一种可选的实施方式中，利用溶解态污染物负荷时空分布、坡面流栅格数据集和溶解态污染物运送栅格数据集，确定每个关键污染河段的污染主要来源岸侧，包括：

15、沿河道中心线，分别在每个关键污染河段的左岸空间域和右岸空间域划分预设宽度的河岸缓冲区；利用坡面流栅格数据集，对溶解态污染物运送栅格数据集、目标河道流域的土地利用类型以及每个关键污染河段的河岸缓冲区进行空间叠置，得到每个关键污染河段的初始空间统计结果；利用土地利用类型，计算每个关键污染河段的左岸污染负荷强度指数和右岸污染负荷强度指数；利用坡面流栅格数据集、每个关键污染河段的左岸污染负荷强度指数和右岸污染负荷强度指数，对初始空间统计结果进行叠加统计，得到每个关键污染河段的目标空间统计结果；根据溶解态污染物负荷时空分布和目标空间统计结果，确定每个关键污染河段的污染主要来源岸侧。

16、本发明提供的河道缓冲带布设方法，通过沿河道中心线对关键污染河段左右岸划分预设宽度河岸缓冲区，能够确定岸侧污染输入的分析范围，并限定计算的空间边界。进一步，将坡面流栅格、污染物运送栅格、土地利用类型与河岸缓冲区进行空间叠置，得到初始空间统计结果，实现了多源栅格数据集的空间匹配。进一步，结合土地利用类型分别计算左右岸污染负荷强度指数，量化了不同土地类型的下垫面带来的岸侧污染产出差异。进一步，结合坡面流栅格、左右岸污染负荷强度指数对初始空间统计结果做叠加统计，得到目标空间统计结果，融合了汇流方向与产污强度，能够反映河岸缓冲区范围内左右岸的实际产污的贡献程度。进一步，根据溶解态污染物负荷时空分布和目标空间统计结果判定污染主要来源岸侧，能够兼顾时序污染通量与空间产汇流特征进行判断。因此，通过实施本发明，避免了仅靠污染过境通量判定岸源的局限，降低了汇流方向和土地利用带来的判定误差，为后续缓冲带分岸差异化布设提供依据。

17、在一种可选的实施方式中，根据溶解态污染物负荷时空分布和目标空间统计结果，确定每个关键污染河段的污染主要来源岸侧，包括：

18、根据目标空间统计结果，获取每个关键污染河段的左岸污染负荷强度指数、右岸污染负荷强度指数、左岸潜在产污面积和右岸潜在产污面积；根据溶解态污染物负荷时空分布，确定每个关键污染河段在预设评估时段内的左岸累积过境通量和右岸累积过境通量；根据每个关键污染河段的左岸污染负荷强度指数、右岸污染负荷强度指数、左岸潜在产污面积、右岸潜在产污面积、左岸累积过境通量和右岸累积过境通量，确定每个关键污染河段的左岸污染贡献指数值和右岸污染贡献指数值；根据左岸污染贡献指数值和右岸污染贡献指数值，确定每个关键污染河段的污染主要来源岸侧。

19、本发明提供的河道缓冲带布设方法，通过从目标空间统计结果提取左右岸污染负荷强度指数与潜在产污面积，并获取岸侧空间产污基础参数，能够反映缓冲区下垫面的产污条件。进一步，根据溶解态污染物负荷时空分布提取评估时段左右岸累积过境通量，实现了时空间内的数据利用。进一步，通过融合负荷强度指数、潜在产污面积和累积过境通量，并计算左右岸污染贡献指数值，融合了多因素客观量化两侧河岸实际污染贡献大小，避免了单一指标计算导致的片面性。进一步，通过对比左右岸污染贡献指数值能够判定污染主要来源岸侧。因此，通过实施本发明，提升了污染来源岸侧判定的精确性，减少了污染溯源判定偏差。

20、在一种可选的实施方式中，基于多个时空动态指标和每个关键污染河段的污染主要来源岸侧，确定目标河道流域的河道缓冲带布设方案，包括：

21、当污染主要来源岸侧为左岸或右岸，基于多个时空动态指标，确定每个关键污染河段的溶解态污染物去除率；利用每个关键污染河段的溶解态污染物去除率，对预设缓冲带污染物拦截效率模型进行求解，得到每个关键污染河段的污染主要来源岸侧的缓冲带宽度；根据多个缓冲带宽度，确定目标河道流域的河道缓冲带布设方案。

22、本发明提供的河道缓冲带布设方法，当单侧岸边作为污染主要来源岸侧的情形，利用时空动态指标确定河段对应的溶解态污染物去除率，能够使治理目标匹配河段的实际污染程度。进一步，将溶解态污染物去除率代入预设缓冲带污染物拦截效率模型求解，实现了治理目标到缓冲带布设宽度参数的转化。进一步，通过汇总各关键污染河段求解得到的缓冲带宽度能够输出完整的河道缓冲带布设方案。因此，通过实施本发明，将河段动态污染程度与缓冲带模型计算关联，避免了统一宽度粗放布设带来的资源浪费，实现了单岸场景下缓冲带宽度参数的定制化设计。

23、在一种可选的实施方式中，该方法还包括：

24、当每个关键污染河段的左岸和右岸均为污染主要来源岸侧，根据多个时空动态指标，计算每个关键污染河段的左岸时空动态指标和右岸时空动态指标；根据每个关键污染河段的左岸时空动态指标和右岸时空动态指标，判断是否需要在每个关键污染河段的左岸和右岸同时布设缓冲带；当需要在每个关键污染河段的左岸和右岸同时布设缓冲带，基于每个关键污染河段的左岸时空动态指标和右岸时空动态指标，利用预设缓冲带污染物拦截效率模型，计算每个关键污染河段的污染主要来源岸侧的缓冲带宽度。

25、本发明提供的河道缓冲带布设方法，当河段的两侧河岸均判定为污染主要来源岸侧的情形，根据时空动态指标开展双侧布设必要性判断，规避了盲目双侧布设导致资源浪费。进一步，当确认需要双侧布设之后，分别计算左岸、右岸对应的时空动态指标，能够确认两侧河岸各自独立的污染风险程度。进一步，分别基于两侧河岸时空动态指标调用预设拦截效率模型，求解得到两侧河岸各自相应的缓冲带宽度。因此，通过实施本发明，能够兼顾工程建设的成本控制与缓冲带拦截效果。

26、在一种可选的实施方式中，该方法还包括：

27、当不需要在每个关键污染河段的左岸和右岸同时布设缓冲带，基于多个时空动态指标，利用预设缓冲带污染物拦截效率模型，计算每个关键污染河段的污染主要来源岸侧的缓冲带宽度。

28、本发明提供的河道缓冲带布设方法，当河段的两侧河岸均判定为污染主要来源岸侧但无需进行双侧布设的情形，沿用时空动态指标表征河段整体污染风险等级，并调用预设缓冲带污染物拦截效率模型对优选的主要来源岸侧缓冲带宽度求解，精简了工程布设对象。因此，通过实施本发明，实现了单岸择优布设，减少了不必要的工程投入，并且保障了污染防控效果，完善了单侧与双侧布设选择下的缓冲带参数计算逻辑。

29、第二方面，本发明提供了一种河道缓冲带布设装置，该装置包括：

30、流域长序模拟模块，用于按照预设时间步长，利用分布式流域水文水质模型对目标河道流域进行长序列模拟，得到每个时间步长下目标河道流域的坡面流栅格数据集和溶解态污染物运送栅格数据集；时空负荷构建模块，用于根据多个坡面流栅格数据集和多个溶解态污染物运送栅格数据集，构建目标河道流域的溶解态污染物负荷时空分布；动态指标构建模块，用于根据溶解态污染物负荷时空分布，构建目标河道流域中每个河段的时空动态指标，其中，时空动态指标用于表征目标河道流域在预设评估时段内溶解态污染物负荷的时间与空间变化；污染河段确认模块，用于基于多个时空动态指标和预设累积贡献率阈值，利用累积贡献率曲线，对目标河道流域的污染河段进行识别，得到多个关键污染河段；污染岸侧判定模块，用于利用溶解态污染物负荷时空分布、坡面流栅格数据集和溶解态污染物运送栅格数据集，确定每个关键污染河段的污染主要来源岸侧；布设方案确定模块，用于基于多个时空动态指标和每个关键污染河段的污染主要来源岸侧，确定目标河道流域的河道缓冲带布设方案。