一种基于污染削减的富营养型湖泊保护红线划定方法

1.本发明涉及湖泊保护技术领域，特别涉及一种基于污染削减的富营养型湖泊保护红线划定方法。


背景技术：

2.湖泊是陆地表层系统各要素相互作用的节点,是地球上重要的淡水资源库、洪水调蓄库和物种基因库,与人类生产与生活息息相关,在维系流域生态平衡、满足生产生活用水、减轻洪涝灾害和提供丰富水产品等方面发挥着不可替代的作用。富营养化一般指由于人类的活动，水体中营养物质增加，引起植物过量生长和整个水体生态平衡的改变，因而造成危害的一种污染现象。根据联合国环境规划署(unep)的一项水体富营养化调查结果表明：在全球范围内30％～40％的湖泊和水库遭受不同程度影响，各地区受影响的情况相差悬殊。随着湖泊流域和周边地区人口增长和经济快速发展，导致进入湖泊总氮(tn),总磷(tp)等污染物增加。大型湖泊及河流一般设立一定距离的缓冲带，使受其免受破坏、干扰和污染，多为自然或人造的空间，利用永久性植被拦截污染物或有害物质的条状、面状土地。湖滨保护红线是指在缓冲带的概念上，参照生态保护红线的概念，对于湖滨带这一特殊地带，提出便于污染物控制的空间概念，湖滨保护红线内以湖泊水环境保护为主，对污染排放行为做出严格控制。针对人类活动较为密集的城市型湖泊划定湖滨保护红线，可以起到保护湖泊的隔离生境，缓解或减轻湖泊水生态系统受到流域内各种人类活动或自然过程的破坏、干扰和污染的作用，在湖泊流域空间布局中具有特殊重要的地位，对实现流域清水的产流、汇流输送与入湖，保障流域生态健康和湖泊水环境质量具有十分重要的意义。
3.现有的湖泊缓冲空间往往使用简单的距离缓冲形式，无法因地制宜进行最大化保护策略。目前划分方法主要有3种：(1)基于复杂数学模型的确定方法，通过对河岸缓冲带沉积物和污染物沉积与迁移全过程的模拟，但该方法需要多个参数的连续观测数据，中国河岸带研究的基础数据较少，且较难获取，这在一定程度上限制了该类模型的推广与应用；(2)基于简单数学模型的宽度确定方法涉及的空间变量较少，能简单定量地计算湖泊缓冲空间的宽度；(3)其他确定缓冲空间宽度的方法根据具体的应用目的，采用不同的方法确定。本发明克服了以往湖泊水环境治理与保护面临的困境，从湖泊水环境保护的角度，提出一种设置物理隔离的空间管控范围——湖泊保护红线，并自然汇水单元为基础，建立一套定量化、自动提取划定湖泊保护红线范围的办法。


技术实现要素：

4.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
5.鉴于上述存在的问题，提出了本发明。
6.因此，本发明解决的技术问题是：目前的湖泊滨岸带划定方法主要集中在小尺度
生态系统修复设计，无法满足适用于富营养型湖泊保护的要求。
7.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于污染削减的富营养型湖泊保护红线划定方法，包括：
8.基于“源-汇”的概念，构建基于污染削减的湖泊沿岸土地利用分类体系；
9.基于湖泊及周边区域的高分辨率遥感影像数据和所述土地利用分类体系，创建湖泊沿岸利用类型识别搜索区域；
10.基于所述缓冲区内高程特征，生成集水区，并基于所述土地利用分类体系计算每个集水区的污染负荷产生量及削减能力，判定单元主导属性；
11.基于所述属性，获取连续的削减源线边框，提取湖滨保护红线边界。
12.作为本发明所述的一种基于污染削减的富营养型湖泊保护红线划定方法的一种优选方案，其中：所述土地利用分类体系，包括
13.划分湖泊沿岸土地为生态型、生活型和生产型，其中生态型包括山体型、湿地型、河口型；生活型包括农村型和城市型；生产型包括耕地型和建设用地型。
14.作为本发明所述的一种基于污染削减的富营养型湖泊保护红线划定方法的一种优选方案，其中：所述“源-汇”的概念，包括：
15.水体中氮磷污染物的来源被称为“源”，相对于“源”，“汇”是指可以吸收氮磷污染物的一些地区或生态系统类型；将所述湖泊沿岸土地分类中的生活型与生产型作为湖泊富营养化的“源”，将所述湖泊沿岸土地分类中的生态型作为湖泊富营养化的“汇”。
16.作为本发明所述的一种基于污染削减的富营养型湖泊保护红线划定方法的一种优选方案，其中：所述高分辨率遥感影像数据和土地利用分类体系，包括：
17.根据湖泊水位记录，选取一年当中最高水位时段相应高分辨率遥感影像数据，利用软件加载高分辨率遥感影像，基于所述遥感影像获取湖泊最高水位线及周边土地利用体系。
18.作为本发明所述的一种基于污染削减的富营养型湖泊保护红线划定方法的一种优选方案，其中：所述创建湖泊沿岸利用类型识别搜索区域，包括：
19.利用软件加载线状要素湖泊边界数据，并作为湖滨保护红线的下边界，并基于最高水位线向外创建缓冲区。
20.作为本发明所述的一种基于污染削减的富营养型湖泊保护红线划定方法的一种优选方案，其中：所述生成集水区，包括：
21.基于湖泊及周边范围的数字高程数据，利用软件分析工具对流向、填洼、流量、河网、集水面积进行分析，进而创建面状要素集水区。
22.作为本发明所述的一种基于污染削减的富营养型湖泊保护红线划定方法的一种优选方案，其中：所述计算每个集水区的污染负荷产生量及削减能力，包括：
23.计算湖泊沿岸用地类型为生活型或生产型的污染负荷产生量，计算湖泊沿岸用地类型为生态型的污染负荷削减量。
24.作为本发明所述的一种基于污染削减的富营养型湖泊保护红线划定方法的一种优选方案，其中：所述计算污染负荷产生量及削减能力，包括：
25.城乡生活型的污染负荷产生量的计算方法为：结合降雨径流监测所得的各污染物的降雨径流事件平均质量浓度，公式表示为：
26.l＝0.001
×
emc
×r×a×
p
27.其中，l为城乡型土地利用污染负荷产生量,kg；emc为次降雨平均浓度，mg/l，实地采样数值；r为年径流系数；p为多年平均降雨量，mm；a为汇水区内建设用地面积，km2；
28.耕地生产型的污染负荷产生量的计算方法为：依据物质守恒原理，定量描述农田年均氮磷营养负荷的盈亏,作为模型中的农田污染源负荷量，公式表示为：
29.p＝input
×a×r30.其中，p表示为耕地型土地利用污染负荷产生量,kg；input表示为单位土地年施肥折纯量,t/km2；a表示为汇水区内耕地型面积，km2；r表示为流失系数；
31.湿地生态型污染负荷削减量的计算方法为：参照湿地技术规范污染负荷经验值及湿地监测进行计算，公式表示为：
32.w＝a
×
x
×
365*0.001
33.x＝(mi－mo)/d
*
34.其中，w表示为汇水区内湿地型污染负荷年消纳量,kg；x表示为污染物消纳能力，g/m2·
d；*表示为湿地监测公式，mi表示为湿地进水口水质，mo表示为湖水口水质；
35.林地生态型污染负荷削减量的计算方法为：参照国内同类典型林地削减参数，公式表示为：
36.f＝a
×u×
365*0.001
37.其中，f：汇水区内林地型污染负荷年消纳量,kg；u:污染物消纳能力，g/m2·
d。
38.作为本发明所述的一种基于污染削减的富营养型湖泊保护红线划定方法的一种优选方案，其中：所述主导属性，包括：产污单元、平衡单元和削减单元；三个主导属性的判定标准分别为：
39.产污单元：汇水区内污染负荷产生量》污染负荷削减能力；
40.平衡单元：汇水区内污染负荷产生量＝污染负荷削减能力；
41.削减单元：汇水区内污染负荷产生量《污染负荷削减能力。
42.作为本发明所述的一种基于污染削减的富营养型湖泊保护红线划定方法的一种优选方案，其中：所述提取湖滨保护红线边界，包括：
43.提取所有削减单元，使用软件分析工具进行近邻分析，提取沿湖一圈最近的削减单元，根据其外边界进行连续性绘制，得到湖泊保护红线的上边界，并结合高分影像进行判读，根据湖泊周边实际情况进行上边界调整，最终将上边界与下边界结合形成湖滨保护红线。
44.本发明的有益效果：本发明构建了基于污染削减的高分遥感影像解译湖泊沿岸土地利用分类体系；根据富营养型湖泊周边高程分布及汇水特征情况，划定研究单元，以具有汇水特征的集水区进行湖滨保护红线的划定；基于汇水单元及土地利用类型的富营养型湖泊污染模拟计算方法，判定汇水单元主导属性，从环境保护的角度提取削减单元，设计湖滨保护红线划定方法，为湖泊科学划定保护红线及流域国土空间规划奠定基础。
附图说明
45.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本
领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
46.图1为本发明一个实施例提供的一种基于污染削减的富营养型湖泊保护红线划定方法的整体流程图；
47.图2为本发明一个实施例提供的滇池的产污单元、削减单元和平衡单元分布图；
48.图3为本发明一个实施例提供的滇池保护红线初步提取结果图。
具体实施方式
49.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
50.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
51.其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
52.本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
53.同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
54.本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
55.实施例1
56.参照图1，为本发明的一个实施例，提供了一种基于污染削减的富营养型湖泊保护红线划定方法，包括：
57.s1：基于“源-汇”的概念，构建基于污染削减的湖泊沿岸土地利用分类体系；
58.需要知道的是，水体中氮磷污染物的来源被称为“源”，相对于“源”，
[0059]“汇”是指可以吸收氮磷污染物的一些地区或生态系统类型；将所述湖泊沿岸土地分类中的生活型与生产型作为湖泊富营养化的“源”，将所述湖泊沿岸土地分类中的生态型作为湖泊富营养化的“汇”。
[0060]
更进一步的，划分湖泊沿岸土地为生态型、生活型和生产型；其中生活型与生产型
作为湖泊富营养化的“源”，生态型作为湖泊富营养化的“汇”；
[0061]
应说明的是，生态型包括山体型、湿地型、河口型；生活型包括农村型和城市型；生产型包括耕地型和建设用地型。
[0062]
更进一步的，构建基于污染削减的湖泊沿岸土地利用分类体系，如表1所示；
[0063]
表1基于污染削减的湖泊沿岸土地利用分类体系
[0064][0065][0066]
s2：基于湖泊及周边区域的高分辨率遥感影像数据和土地利用分类数据，创建湖泊沿岸利用类型识别搜索区域；
[0067]
更进一步的，根据湖泊水位记录，选取一年当中最高水位时段相应高分辨率遥感影像数据images，利用arcgis软件新建工程文件，加载高分辨率遥感影像数据images，其中，遥感影像分辨率应优于2m；
[0068]
应说明的是，在划定湖泊保护红线时，需要基于湖泊的最高水位线来划定保护红线的下边界，因此在选择高分辨遥感影像数据images时，需要基于湖泊水位记录选择一年当中最高水位时段所对应的数据，以便获取湖泊的最高水位线数据。
[0069]
更进一步的，根据高分辨率遥感影像images提取湖泊最高水位线及湖泊沿岸土地利用数据，利用arcgis软件加载线状要素湖泊边界数据(shp线状格式)l_lower，作为保护红线的下边界；基于最高水位线向外创建一定范围的条带状缓冲区p_buffer。
[0070]
应说明的是，根据湖泊大小合理设置条状带缓冲区宽度(一般为300～500米)，此区为湖泊沿岸利用类型识别搜索区域，该区域为湖泊保护红线最大划定范围，后续将在此范围内进行集水区划定及区域氮磷污染物排放特征的计算。
[0071]
s3：基于所述缓冲区内高程特征，生成集水区，并基于所述土地利用分类数据计算每个集水区的污染负荷产生量及削减能力，判定单元主导属性；
[0072]
更进一步的，加载湖泊及周边范围的数字高程数据，利用arcgis软件分析工具对流向、填洼、流量、河网、集水面积进行分析，进而创建面状要素集水区(shp线状格式)p_watershed；
[0073]
应说明的是，同一单元具有相同的汇水方向及特征。
[0074]
更进一步的，加载土地利用数据，为每个集水区p_watershed提取用地类型，并基于每个集水区的用地类型及面积，计算每个集水区内污染负荷产生量和污染负荷削减能力，其中，不同土地利用分类体系污染模拟计算方法如表2所示；
[0075]
表2不同土地利用分类体系污染模拟计算方法
[0076][0077]
应说明的是，对产生污染的用地类型进行污染负荷产生量的计算，对进行污染消纳的用地类型计算其污染负荷消减量；此处需计算污染负荷产生量的主要为城乡生活型和耕地生产型，需计算污染负荷消减量的主要为湿地生态型和林地生态型。
[0078]
更进一步的，基于集水区内污染负荷产生量和污染负荷削减能力，判断单元的主导属性；
[0079]
应说明的是，主导属性主要包括产污单元、平衡单元、削减单元；其中产污单元的
判定标准为：汇水区内污染负荷产生量》污染负荷削减能力；平衡单元的判定标准为：汇水区内污染负荷产生量＝污染负荷削减能力；消减单元的判定标准为：汇水区内污染负荷产生量《污染负荷削减能力。
[0080]
s4：基于所述属性，获取连续的削减源线边框，提取湖滨保护红线边界。更进一步的，基于各单元的属性，提取所有削减单元，使用arcgis软件分析工具进行近邻分析，提取沿湖一圈最近的削减单元，根据其外边界进行连续性绘制，得到湖泊保护红线的上边界l_upper；
[0081]
应说明的是，根据削减单元的定义，削减单元的集水区以吸收、净化水体中的氮磷污染物功能为主；因此，为最大化保护湖泊周围集水区的自然净化能力，此处提取沿湖所有的削减单元作为湖滨保护红线边界。
[0082]
更进一步的，结合高分影像进行判读，根据湖泊周边实际情况进行l_upper的调整，并结合依据湖泊最高水位线获得的l_lower，形成湖滨保护红线。
[0083]
应说明的是，结合高分影响进行判读并结合实际情况进行调整是为了对划定的湖滨保护红线进行复核，以保证其准确性。
[0084]
更进一步的，使用arcgis中的新建数据库功能，将以上所有数据存储至数据库。
[0085]
实施例2
[0086]
参照图2，为本发明的一个实施例，提供了一种基于污染削减的富营养型湖泊保护红线划定方法，为了验证本发明的有益效果，通过经济效益计算和仿真实验进行科学论证。
[0087]
本发明所述方法采用滇池作为案例湖泊进行实施例技术应用。
[0088]
首先，采用湖泊沿岸土地分类体系对滇池周围土地进行分类；
[0089]
其次，基于滇池的水位记录，加载资源3号卫星遥感影像，分辨率2.0m；建立arcgis工程文件example.mxd文件，加载影像，绘制滇池l_lower.shp数据，即滇池最高水位线数据，线状总长141km，根据最高水位线建立2km缓冲区，得到条带状数据l_buffer。
[0090]
接下来，基于滇池的数字高程数据，利用arcgis软件分析工具对流向、填洼、流量、河网、集水面积进行分析，获得面状数据p_watershed，其中包含518个集水区；利用表2的计算公式以及表3、表4、表5中的数据计算各集水区内污染负荷产生量和污染负荷削减能力，为每个集水区赋属性，共得到产污单元165个，削减单元353个，平衡单元0个，其中表3为实测滇池流域建设用地径流污染指数参考值；表4为滇池流域农田化肥施用(折纯)量流失系数；表5为流域生态型用地污染物消纳系数(单位g/m2*d)。
[0091]
表3实测滇池流域建设用地径流污染指数参考值
[0092][0093]
表4滇池流域农田化肥施用(折纯)量流失系数
[0094][0095]
表5流域生态型用地污染物消纳系数(单位g/m2*d)
[0096]
类别人工强化湿地天然湿地林地tn0.255～41.680.001—0.1890.003tp0.051～0.4500.001～0.0500.0005
[0097]
最后，利用arcgis软件分析工具对所有削减单元进行近邻分析，筛选出纳入单元251个，结合影像images进行上边界提取，得到线状数据l_upper；随后，投影得到面状要素的岸线利用类型数据集及线状要素的湖滨保护红线数据集，完成提取；
[0098]
由此可知，本发明能够基于滇池周围的土地类型、周围的高程分布及汇水特征情况，准确的划分研究单元，并基于所划分研究单元的主导属性进行湖泊保护红线的划定。
[0099]
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。