（环境工程专业论文）基于gis的杭州市水环境容量计算及总量分配系统研制.pdf

河海大学工程硕士学住论文 摘要 在分析杭州水资源和环境现状的基础上，建立杭州市水环境容量计算模 型，利用组件式地理信息系统技术( g i s 技术) 将水环境容量计算模型、地 图数据、环境监测数据及污染源数据进行集成，计算出杭州市行政区域及流 域水系的水环境容量，并提供各种空间数据和属性数据的存储管理、可视化 显示、数据更新、查询和统计分析，并在此基础上得到杭州市水环境总量分 配方案。 关键词：水环境容量地理信息系统杭州市总量分配研究 河海大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t o nt h eb a s i so fa n a l y s i n gw a t e rr e s o l l r c a n de n v i r o n m e n t a lc u r r e n ts i t u a t i o ni nh a n g z h o u , b u i l dt h em o d et oc a l c u l a t et h ew a t e re n v x o n m e n tc a p a c i t yo fs u r f a c ew a t e ri nh a n g z h o u c o m p o n e n tg i sw e r e e s t a b l i s h e dt oa s s e m b l e dt h em o d et oc a l c u l a t et h ew a t e re n v i r o n m e n t c a p a c i t y , a n d t h ed a t ao f m a p ，a n dt h ei n f o r m a t i o no f w a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n g , a n dt h ed a t ao f p o l l u t i o n8 0 l i r c , e t h ec o m p u t e rs o f t w a r ec a l c u l a t et h ew a t e re n v i r o n m e n tc a p a c i t yo f8 t f a o c w a t e ri nh a n g z h o u a n ds h o wt h ed i s u i b t m o no f t h ew a t e re n v i r o n m e n tc a p a c i t yo f s u r f a c e 啊憎由e f i nh a n g z h c u ，a n dm a n a g e dv a r i o u sk i n d sd a t a k e yw o r d s ：w a t e re n v i r o n m e n tc a p a c i t y ，g i s ，h a n g z h o u ，d i s t r i b u t i o n ，s t u d y 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所傲的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 璺 竣2 踟芦月厂日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括讨登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 吕 至鍪如产厚，日 河海大学工程硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 长期以来，我国水环境面临着水体污染、水资源短缺和洪涝灾害等多方面压 力。水体污染加剧了水资源短缺，生态环境破坏导致洪涝灾害频发。在今后相当 长的时期内，水污染仍将是我国水环境面临的突出问题。“九五”以来，杭州市先 后实旌了水污染物排放浓度控制和目标总量控制，对改善水环境质量起到了一定 的作用。但是，浓度控制和目标总量控制没有建立水污染物排放量和水环境质量 之间的对应关系，以致部分污染源排放浓度虽达标或排放量未超过目标总量，但 是区域或流域的水环境质量仍然未能完全达到功能区划的控制要求，局部区域或 流域的水环境污染还较严重。为了从根本上改善水环境质量，必须通过建立污染 源与水环境质量的输入响应关系，确定各水环境功能区的环境容量，为环境管理 实施总量控制提供科学基础和技术平台。 根据国家环保总局 环发( 2 0 0 3 ) 1 4 1 号】关于印发全国地表水环境容量和 大气环境容量核定工作方案的通知、 环办函( 2 0 0 3 ) 5 8 6 号】关于确定杭州市、 唐山市为污染物排放总量试点城市的通知和试点城市主要污染物排放总量控 制工作大纲的要求，杭州市从2 0 0 2 年1 0 月开始开展杭州市水环境容量计算工 作试点工作，其工作内容包括水环境保护功能区水质评价、污染源核准与调查、 现状入河量统计、计算( 控制) 单元划分、水环境容量测算和总量分配。由于水 环境容量测算本身工作量大、技术性强，迫切需要一套具备g i s 功能、自动化 程序高、可视强的计算机软件，“杭州市水环境容量计算与总量分配系统”( 以下 简称水环境容量系统) 就是在这样的背景下开始进行研制的。该研究课题由导师 逢勇教授承担，课题自2 0 0 3 年开始，至2 0 0 4 年结束，本论文是在导师的指导下 完成，水环境容量系统的程序代码全部由本人独立完成。 1 2 g i s 在环境科学领域的应用 地理信息系统( g i s g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是2 0 世纪6 0 年代后期发 河海大学工程硕士学位论文 展起来，并引起世界各国广泛重视的新技术。它是介于信息科学、空间科学和地 球科学之间的交叉学科。它的发展同计算机技术、遥感技术、信息科学息息相关。 地理信息系统融计算机图形和数据库于一体，储存并处理空间信息，把地理位置 和相关属性有机结合起来，再与计算机技术相结合，通过系统建立、模型分析， 产生对资源、环境区域规划、管理决策、灾害防治等有用的信息。可根据实际需 要，图文并茂地输出给用户，以满足城市建设、企业管理、居民生活对空间信息 的要求，借助其独有的空间分析功能和可视化表达，进行各种辅助决策。 g i s 对环境科学发展的促进作用体现在以下方面。 ( 1 ) 数据的采集从点源延伸到立体空间、从瞬时延伸到多时相序列，有效地 对两个或两个以上不同时期的变化进行动态监浏和分析；充分利用遥感信息源成 本低且数据具有不同时相性、连续更新性等特征，极大地提高数据的精度和代表 性。 ( 2 ) g i s 的引入，使得环境数据的分析处理得以更新与提高。通过物理压缩( 光 盘、磁盘等) 不但便于维护、提取数据，而且速度快、成本低，并可对应用的模 型进行快速和重复分析测试，实现手工难以完成的分析，如数字地形分析、多边 形叠呈等：可将数据收集、应用分析和决策过程综合为共同信息流，在效率和效 益上占据优势。g i s 引入加速数据分析处理过程而赢得预报时间，使环境动态分 析由描述、解释现象进入数值预报新阶段。 ( 3 ) g i s 技术汇合生态、经济、社会等相关因素，有利于多学科支特，使 环境科学迅速向宏观和微观两极分化和发展。 ( 4 ) 利用计算机运行成果的输出( 主要形式为图形、报表) ，为环境决策者 提供依据。 自1 9 6 4 年诞生世界第一个g i s 加拿大地理信息来统以来，g i s 的应用范 围越来越广泛。联合国全球环境监测系统( g e m s ) 设计的全球资源信息数据库为 广大用户提供使用g e m s 的机会，帮助决策者有效地管理环境资源。面对突发 的环境污染事故利用g i s 应急系统可作出决策，疏散人员、调配设施。1 9 7 9 年 三哩岛核扩散事件中，美国地质调查局成功地凭借g i s 迅速作出判断和决策， 2 河海大学工程硕士学位论文 进免了一场社会恐慌；美国环境保护局还开发了化学事故紧急响应处里专家系 统、化学字故正确判断决策专家来统等。对排污许可证发放系统、绿色食品管理 系统，g i s 可提供审批决策友撑。g i s 还可模拟污染的发生、延续，为法庭论证 及行政纠纷调停提供依据。在环境质蚤监浏评价、市场分析、污水处理厂选址子 方面g i s 也有广阔的应用前景。 1 3 水环境容量简介 在给定水域范围和水文条件，规定排污方式和水质目标的前提下，单位时间 内该水域满足环境功能需求所能容纳污染物的最大数量，称作水环境容量。水环 境容量包括稀释容量和自净容量两部分。稀释容量是指在给定水域的水体污染物 浓度低于水质目标时，依靠稀释作用达到水质目标所能承纳的污染物最大数量。 自净容量是指由于沉降、生化、吸附等物理化学和生物作用，给定水域达到水质 目标所能自净的污染物最大数量。 实际水域的水环境容量确定时，可先确定水域的稀释容量，作为环境容量的 最小参考值。然后根据自净能力，计算水域的自净容量。然后根据优化的设计条 件，确定水域的水环境容量。实际的水域水环境容量w 是介于w m i n 和w m a x 区间范围内的一个值。 水环境容量大小与设计水文条件有直接关系，水文条件对于河流，指河段内 的水位、流速和流量等条件；对于湖库，指湖库的水位、库容和流入流出条件。 一般条件下，水文条件年际、月际变化非常大。作为计算水环境容量的重要参数， 各流域一般可选择近1 0 年最枯月平均流量作为设计流量条件，近l o 年最枯月平 均库容作为湖库的设计库容。海河、黄河、淮河、辽河等我国北方各个流域由于 枯水月流量太小或可能断流，可同时选择近1 0 年最枯季平均流量和近1 0 年最桔 季平均库容作为参考设计水文条件。长江、珠江、松花江等干流河面宽度较宽( 河 宽超过2 0 0 米) ，一般情况下污染物扩散仅在岸边进行，可先根据环境管理的需 求确定污染带宽度，然后以此宽度内的设计水文条件作为其下游一维水质模型计 算的边界条件。 水环境容量的单位时间一般指一年。最枯月或最枯季的环境容量换算为全 年，作为功能区的年环境容量。水环境容量一般指b o d 5 、c o d 、和氨氮的环境 3 河海大学工程硕士学位论文 容量。具有其他特征污染物的区域，可酌情考虑计算。应该强调的是，各类污染 物在水域中的转化规律非常复杂，而且相互影响。大尺度的容量计算忽略了微观 复杂的物化和生化转变过程，仅关注整体结果。 一般确定水环境容量的步骤分为以下三个： ( 1 ) 根据水域的汇流条件，计算稀释容量。调查水域内的取水口、排污口分布 和水量取用情况，利用均匀混合模型计算水域的稀释容量。 ( 2 ) 根据水域的自净条件，计算自净容量。依据已有研究资料或通过实际监测， 确定水域内的自净系数( 污染物综合衰减系数) ，然后根据水域内各个排污口的 分布情况计算满足水质目标的自净容量w 自净和自净容量范围包络曲线。 ( 3 ) 明确水环境功能需求，确定水环境容量。在得出w 摒。和w 自的基础上， 通过优化调整现有排污结构、取用水方式，明确水域内水质保护总体目标和敏感 点的保护目标，明确排污口允许混合区等边界等条件，充分利用环境资源，确定 水环境容量w 。 1 4 研究区域概况 杭州市水环境容量测算的行政区域范围为杭州全市1 6 5 9 6 k m 2 ，包括杭州市 区的主城区( 上城区、下城区、西湖区、江干区、拱墅区、杭州市高新技术开发 ( 滨江) 区、杭州市经济技术( 下沙) 开发区) 、萧山区和余杭区以及临安市、 富阳市、桐庐县、建德市和淳安县等五县( 市) ；流域范围为杭州所属钱塘江和 太湖两大流域的主要河流，主要包括钱塘江流域的千岛湖、兰江、新安江、富春 江、分水江、清阳江、萧绍运河和钱塘江干流等，太湖流域的京杭运河、苕溪等。 1 4 1 自然概况 杭州市地处东南沿海的长江三角洲南翼，浙江省西北部，杭州湾西端，钱塘 江下游，京杭大运河南端。市域界于北纬2 9 。l l 3 0 0 3 4 和东经1 1 8 0 2 0 1 2 0 0 3 7 ， 全市土地面积1 6 5 9 6 k m 2 ，其中市区3 0 6 8 k m 2 ，是长江三角洲南翼重要中心城市和 浙江省会，是浙江省政治、经济、文化中心。 杭州市属亚热带季风性气候，光温同步、雨热同季，四季分明、温和湿润， 光照充足、雨量充沛。年平均气温1 6 8 ，呈南高北低分布，夏季平均气温2 8 6 c ， 4 河海大学工程硕士学位论文 冬季平均气温3 8 0 年平均湿度7 6 8 2 。无霜期2 3 0 - 2 6 0 天多年平均降水量 1 1 0 0 - 1 6 0 0 m m ，以春雨、梅雨和台风雨为主，常年梅雨量3 5 0 - 5 5 0 m m ，约占全年 的2 5 _ 3 1 。年平均太阳总辐射量在1 0 0 - 1 1 0 k c a l c m 2 之间，日照时数1 8 0 0 - 2 0 0 0 小 时。对杭州市影响比较严重的灾害性天气主要为暴雨、台风、高温、干旱、雷击、 寒潮、大雪等。 杭州市大地构造处于扬子准地台东部钱塘台褶带，地质构造复杂，地层发育 齐全，位于地处江南古陆南部边缘、长江三角洲南翼和钱塘江流域，境内地貌类 别多样。杭州市地势西高东低，西北部和西部系浙西中山丘陵区，主要山脉有天 日山、白际山、千里岗山等，全市最高点是海拔1 7 8 7 m 的清凉峰；东北部和东 南部属浙北平原地区，地势低平，海拔仅3 - 6 m ，地表江河纵横，湖泊密布，为 典型的“江南水乡”，是杭嘉湖平原和萧绍平原的组成部分。 在全市土地面积构成中，山地丘陵占6 5 6 ，平原占2 6 4 ，江、河、湖、 荡、水库占8 ，故有“七山一水二分田”之称。 1 4 2 社会经济发展 杭州市历史悠久，五千年前新石器时代，产生了被称为文明曙光的“良渚文 化”，自秦朝设钱塘县治以来，已有2 2 0 0 多年历史。曾是五代吴越国和南宋王朝 两代建都地，是我国七大古都之一。杭州市辖8 个区( 上城、下城、西湖、拱墅、 江干、滨江、萧山和余杭区) 、3 个县级市( 临安、富阳和建德) 和2 个县( 桐 庐和淳安) 。2 0 0 2 年末全市户籍入口6 3 6 8 1 万人，平均人1 3 密度3 8 4 朋g i 1 2 ，入 口自然增长率2 7 2 ，其中非农业人口2 5 2 0 2 万人；市区户籍人口3 8 7 0 1 万人， 平均人口密度1 2 6 1 人屈o 。 2 0 0 2 年杭州市实现国内生产总值1 7 8 1 8 3 亿元，经济连续十二年保持两位数 增长。产业结构继续得到调整，三次产业比例调整为6 4 ：5 0 6 ：4 3 0 。人均国内 生产总值达2 8 1 5 0 元，财政总收入达2 5 7 1 4 亿元，其中地方财政收入1 1 8 3 2 亿 元。 2 0 0 2 年完成工业增加值7 7 5 1 2 亿元，规模以上工业企业完成工业总产值 2 4 0 0 3 0 亿元，基本形成食品加工、机械制造、电子通讯和纺织服装为主的四大 支柱产业。第一产业实现增加值1 1 4 6 4 亿元，粮食与经济作物种植面积比为 5 河海大学工程硕士学位论文 5 2 ：4 8 。粮食作物播种面积2 1 4 2 5 k i n 2 ，总产量1 1 6 5 8 万t 。第三产业实现增加 值7 6 5 3 7 亿元，其中旅游业发展呈现新局面，整合优化旅游资源，旅游西进” 建设项目取得阶段性成效。旅游产业增加值1 1 4 7 6 亿元，旅游外汇收入4 7 7 亿 美元。 1 5 主要研究内容 地理信息系统是在计算机软件和硬件的支持下，运用系统工程和信息科学的 理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供对规划、管理、决 策和研究所需信息的技术系统。g i s 已经成为管理和利用各种与空间位置有关的 信息资源，促进社会可持续发展的重要工具。g i s 几乎可以使各种与空间位置有 关的信息图形化、可视化。 应用g i s 技术，可以将水环境领域中许多复杂多变的数据与空间位置相联系 进而进行空间统计分析，实现水环境问题可视化，为管理部门规划与决策提供依 据。本论文将探讨基于组件式g i s 控件m a p o b j e c t s 2 0 的水环境容量系统研究， 主要内容如下： ( 1 ) 基于水环境容量系统的现状入河量统计，确定各类污染源对应污染物的 现状排放量和现状入河量，统计各行政区域和流域水系的各类污染物现状入河 量。 ( 2 ) 在g i s 技术支持的平台上，划分计算单元，编制了水环境容量计算程序， 进行动态水环境容量计算，得到实时的水环境容量并利用g i s 的图形显示功能实 现水环境容量计算结果的可视化显示。 ( 3 ) 基于水环境容量系统对按行政区和流域对水环境容量进行分配，并将水 环境容量分配值作为排污控制指标，对污染物入河量超标区域进行动态警示。 6 河海大学工程硕士学位论文 第二章水环境容量系统中污染物入河量及 水环境容量计算方法的研究 2 1 水环境容量系统中污染物入河量的统计方法 2 1 1 点源排放量的统计 水环境容量系统统计的工业点源、规模化养殖的资料来源采用杭州市环境保 护局有关污染源数据资料并结合现场核准确定。数据来源见表2 1 1 1 。 表2 1 1 1 水环境容量系统中点源排放量数据来源表 序号污染源类别调查方法 工业点源( 含集 以“杭州市环境保护局污染源数据库”为基础，并经污染控制处现场 1 中污染治理设 施) 核准后确定 采用由各养殖企业向当地环境保护管理部门申报，经市和县( 市) 、 2 规模化养殖区两级环境保护审核后的“杭州市规模化养殖场污染物排放总量申 请表”确定 2 1 2 面源排污量计算方法 ( 1 ) 生活源 统计各行政区域内城镇、农村和流动等三类人口数量( 其中流动人口数= 流 进人口数一流出人口数) ，根据相应的生活用水量和产污系数，估算各部分污水 排放量和区域总排放量。了解各地城市污水处理厂建设情况，在进污水厂处理后 排放和未经处理直接排放两种条件下，根据相应的处理后和未处理排放浓度，计 算各部分污染物排放量。具体公式见式2 1 2 1 、式2 1 2 - 2 和2 1 2 3 q = m 日x r x 3 6 5 x 1 0 - 7 ( 式2 1 2 - 1 ) 式中：( 叫l 口生活污水排放量，万t a ；广- 彳类人口数，人；脐一类人均 用水量，城镇和流动人口取2 5 0 1 j 人d 6 1 ，农村人口取1 5 0 t y ) d f l 哪；严_ 产污系数， 7 河海大学工程硕士学位论文 城镇和流动人口取0 9 ，农村取o 8 【1 4 1 。 = q 表x c 耒耀x 0 0 1 ( 式2 1 2 - 2 ) 械= 【( 级镇+ 印c - 娌+ ( 镇+ 级) q 一p 嚷她0 】0 0 1 ( 式2 1 2 3 ) 式中：形一农村( 城镇+ 流动) 人口生活污染物排放量，讹；q r - f 类人口污 水排放量，万妇；p * t 城镇污水纳管率，；c * t 污水处理排放浓度，根据 城镇污水处理厂排放标准，c o d 取6 0 m g l ，氨氮取1 5 r a g l ；c 束料污水未经 处理直排浓度，c o d 取3 5 0 m g c l ，氨氮取4 0 m g l 1 6 2 2 ( 2 ) 分散畜禽养殖 统计各行政区域内乡( 镇) 的分散养畜禽各类和数量，包括畜禽年末存栏总 数和年内出栏数，根据各类畜禽的污染物产生量和流失率计算。具体公式见式 2 1 2 - 4 和式2 1 2 5 5 g = 僻。+ 乃2 ，1 0 4 ( 式2 1 2 - 4 ) 1 = 1 式中：纠类畜禽年养殖废水排放总量，万t a ；鳓和j 石i r 了类畜禽的年末 存栏总数和年内出栏数，头或只；沪了类畜禽的年污水产生量，单位：t a 头( 只) 。 5 彬= 哆。+ j 巧，。_ ，x l o - 3 ( 式2 1 2 - 5 ) j - i 式中：，缮一类污染物( c o d 、氨氮) 年排污总量，妇；毋j 和母r = 类畜禽 的年末存栏总数和年内出栏数，头或只；纠类畜禽的i 类污染物的年产生量， 单位：k g a 头( 只) ；廿哼类畜禽的i 类污染物流失率，见表2 1 2 1 。 表2 1 2 - 1 分数畜禽养殖总量基数测算参数”- 1 0 捌 废水产 c o d 氨氯 畜禽种类( ，) 生量( )产生量( r , g )流失率( 珞)产生量( j 砀)流失率( 砌) 牛 1 3 47 6 0o f 31 5 8 8o 1 2 l 猪 5 9 01 5 8o 33 9 00 1 2 1 羊 o 2 08 4 6o _ 30 4 8 6o 1 2 1 鸡、鹌鹑、鸽 o 0 50 9 4o 3o 2 70 1 2 1 鸭、鹅、兔 o 1 00 9 4o 30 0 5 40 1 2 1 ( 3 ) 水产养殖 根据各行政区域水产养殖种类、方式和养殖面积、产量，根据各类水产和方 式的产污系数计算。具体公式见式2 1 2 6 和式2 1 2 7 8 河海大学工程硕士学位论文 q = 墨置 ( 式2 1 2 - 6 ) 式中：蝴产养殖污水排放量，万蚀；爵一类水产养殖面积，h m 2 ；e r - i 类水产养殖单位面积年产流系数，万l j h l b l a ，根据对杭州市郊蒋村乡代表性水产 养殖方式的调查和实测结果，鱼塘养殖产流系数取3 ，水库及网箱养殖产流系数 取0 。 矿= q 最 ( 式2 1 2 - 7 ) 式中：腓产养殖污染物产生量，如；g 广_ 彳类水产养殖产量，讹；再一 类水产养殖单位产量产污系数，t 污染物t 水产量，根据对杭州市郊蒋村乡代表 性水产养殖方式的调查和实测结果，取c o d0 1 ，氨氮0 0 0 1 。 ( 4 ) 城镇径流 将杭州市主城区、县城、中心城镇的建设用地分为工业区、商业区、居住区 三类，调查并统计各类用地面积和当地多年年均降雨量，根据各功能区径流系数 和径流中污染物平均浓度计算。具体公式见式2 1 2 8 和式2 1 2 - 9 3 q = e s , x n x r f x 0 1 m 式中：9 一城镇径流污水排放量，万t a ；删镇用地i 类功能区( 工业区、 商业区、居住区) 面积，i o n 2 ；一当地多年均降雨量，n l m ；，广_ f 类功能区径流 系数。 3 矿= 墨x n x r f q x 1 0 。 扣i 式中：删镇径流污染物( c o d 、氨氮) 年排放量，“a ；c h 类功能区 地表径流中污染物( c o d 、氨氮) 平均浓度，m g l ，见表2 1 2 - 2 。 表2 1 2 - 2 城镇径流污染计算参数数”捌 功能区 ( m ) n ac r a g l ) 类别c o d 氨氮 工业区主城区：1 4 1 9 1 ；萧山：1 4 2 0 8 0 7 48 3 41 7 4 商业区余杭：1 3 9 8 3 ：临安：1 4 3 2 6 o 8 08 9 60 9 6 6 富阳：1 5 3 4 o ：建德：1 5 6 1 8 居民区 o 7 28 0 31 2 9 桐庐：1 5 2 4 9 ；淳安：1 4 8 9 0 ( 5 ) 农业径流 将产生农业径流的土地分为水田、早地、茶园、果园、竹园、林地等六类， 9 河海大学工程硕士学位论文 分别调查并统计乡( 镇) 各类土地面积，根据径流中污染物的浓度、区域年均降 雨量、各类土地的径流系数及产流面积计算。具体公式见式2 ，1 2 1 0 和式2 1 2 1 1 3 q = 墨x n x q x o i ( 式2 1 2 1 0 ) 式中：啡业径流污水排放量，万t a ；品一类农业用地( 水田、旱地、 茶园、果园、竹园、林地) 面积，k m 2 ；一当地多年均降雨量，咖；即。类农 业用地的地表径流系数。 6 矿= 岛x n x q q x l o 。 j - i 式中；形一农业径流污染物( c o d 、氨氮) 的年负荷量，t a ；c 卜彳类农业 用地地表径流的污染物( c o d 、氨氮) 浓度，m e c i ，见表2 1 2 - 3 。 表2 i 2 - 3 农业径流污染计算参数【i ，l 筇1 j 2 j 3 1 g ( m g l ) 土地类型n ( n m a ) n c o d 氨氮 水田 2 6 80 6 70 2 5 旱地 2 6 8o 3 2 主城区：1 4 1 9 1 ；萧山：1 4 2 0 8 0 2 0 茶园 1 3 40 3 7 余杭：1 3 9 8 3 ；临安：1 4 3 2 6 0 0 5 果园 2 3 o0 7 3 富阳：1 5 3 4 0 ；建德：1 5 6 1 8 0 1 6 1 竹园 2 2 8o 7 5桐庐：1 5 2 4 9 ；淳安：1 4 8 9 00 0 7 8 林地 1 7 70 - 3 9o 1 8 ( 6 ) 船舶 统计主要通航水系的客运人数和货运船舶数，根据人口系数计算。具体公式 见式2 1 2 1 2 、式2 ，1 2 1 3 和式2 1 2 - 1 4 q 客运= p e ，x 1 0 7 式中：q 客t 一客运污水排放量，万t a ；p 一客运人数，人次年；姒均用 水量，取2 0 l j k 次；，_ 产污系数，取0 9 。 q 货船= h x e x m x r x l o 。7 式中：q 女船货船污水排放量，万t a ；肛货船流量，船只年；以均用 水量，取1 0 0 l 人次； 仁单船人数，取3 人船。 = q 【c 娃理+ ( 1 一& 虐) 咯她理】o o l ( 式2 1 2 1 4 ) 式中：肛一船舶污染物排放量，t a ；p r 处理达标后排放比例，；c 龋 一污水处理后排放浓度，m g l ，c o d 取1 0 0 ，氨氮取1 5 ；c 束* m 污水未经处理 1 0 河海大学工程硕士学位论文 直排浓度，m g l ，c o d 取3 5 0 ，氨氮取4 0 2 2 水环境容量系统中水环境容量计算方法 水环境容量计算首先进行计算单元划分，然后用与计算单元相适应的水环境 容量模型计算每个单元的水环境容量，最将计算单元的水环境容量按流域和行政 区统计，得到整个杭州市的水环境容量 2 2 i 计算单元划分方法 在水环境容量系统的g i s 平台上，充分考虑功能区划方案、水质监测断面 位置和排污口位置等因素后，运用系统提供的编辑工具，对相应图层进行分割得 到计算单元图层。计算单元划分的依据和原则如下： ( i ) 地面水环境保护功能区划方案。根据浙江省地面水环境保护功能区 划方案0 6 1 ，以环境保护功能区河段为基础，将其划分为1 个或多个水环境容 量计算单元。 ( 2 ) 常规监测断面。结合杭州市范围内现有国控、省控、市控、县控常规 监测断面，进行杭州市水环境容量计算单元划分。 ( 3 ) 流域内概化的入河排污口位置。根据流域内不同排污口位置，采用权 重法计算得到概化排污口位置，作为计算单元划分的重要依据。 ( 4 ) 最新乡镇债道界线。考虑到污染源( 尤其是面源) 的现状排放量基础 资料调查是以乡镇倩道为基本单元，针对杭州市域范围内乡镇街道界线有不同 程度的变化，需要在统一的地图上划定最新乡镇街道界线，为计算单元现状入 河量统计及水环境容量计算奠定基础 ( 5 ) 水陆统筹考虑原则。根据杭州市水系、流域特征，计算单元的划分从 水域和陆域两部分统筹考虑，分别划定水域范围和陆域范围。 ( 6 ) 不跨越水环境功能区划原则。考虑到不同功能区水质标准要求不同， 原则上计算单元的划分应不跨越两个不同类别的功能区。 ( 7 ) 不跨越县级行政区范围原则。考虑到今后区域总量分配按县级行政区 为单位，计算水环境容量的基本单元( 计算单元) 应不跨越两个县级行政区。 根据上述依据和原则，在水环境容量系统中将杭州市地表水水系及其陆域范 河海大学工程硕士学位论文 围共划分为2 4 0 个水环境容量计算单元，其中淳安县在千岛湖和桐溪、云源溪、 龙源溪等河共划分了2 2 个计算单元，建德市的兰江、新安江、富春江等共划分 了1 9 单数单元，桐庐县钙个，富阳市6 6 个，杭州主城区2 9 个，萧山区1 7 个， 余杭区1 8 个，临安市2 6 个。 2 2 1 水环境容量数学模型 2 2 1 1 河流一维水环境容量模型 河流一维水环境模型适用于杭州市的大多数中小河流。将主要入河排污口纳 入水质模型进行计算；在影响和误差不大时，将多个排污口概化为一个或几个排 污口，以概化后的排污口位置、排污量进行水质模型计算，模型方程如下： x p 啡肛烈譬爿毛+ 讣岛c o 卜s s sc 抛， 式中：旷为环境容量( t a ) ，口为不均匀系数，绕为上游来水量( m 3 s ) ，彩 为点源设计水量( m 3 s ) ，g 为水质标准( m g ，l ) ，c 0 为面源浓度( 增l ) ，疋 为中间变量，q 为单位长度沿程面源水量( m 2 s ) ，工为计算单元长度或沿程距离 ( m ) ，c 0 为面源浓度( r a g l ) ，c o 为上游水质本地浓度( m g 甩) 。 其中：参数也的求取 露，；l + 旦 其中：吃为中间变量，置为降解系数( 1 d ) ，a 为断面面积( m 2 ) ，g 为单 位长度沿程面源水量( m 2 s ) 。 参数q 的求取 口：盟 工 其中：口为单位长度沿程面源水量( m 2 s ) ，q 0 为面源水量( m 3 s ) ，x 为计 河海大学工程硕士学位论文 算单元长度或沿程距离( m ) 。 2 2 1 2河网水环境容量模型 河网水环境容量模型适用于杭州市萧山区的萧绍平原河网。按地势走向将平 原河网分为沿地势下降方向合并或虚拟概化为少数几条河段。其模型方程如下： 矿 q o 睁c o ) + 晰，+ 别删鄹6 c 姐2 心， 其中，q 。为旁侧支流水量( m 3 s ) ，v 为水体体积( m 3 ) ，其它参数意义同 式2 2 1 1 2 2 1 3 河口水环境容量模型 适用于杭州市钱塘江感潮河段。 x p 娩+ g 碗啦h 陋8 甜o o u 2 ) 1 j 嘲 3 1 s s s c 抛h ， 其中，u 为流速( n l s ) ，m l 为纵向扩散系数( n 1 2 s ) ，其它参数意义同式2 2 1 1 。 2 2 1 4 湖泊、水库容量模型 该模型应用于千岛湖、西湖、青山水库 形 蹴8 6 4 0 0a t 十盟8 6 4 0 0 蚂绋 3 l sl i 参数意义同式2 2 1 1 2 2 2 模型参数确定 ( 1 ) 设计水文条件 根据水环境容量计算要求，设计水文条件包括9 0 保证率下多年最枯月平均 流量、流速、断面面积等的水文条件。杭州市水环境容量测算前期委托杭州市水 文水资源监测总站于2 0 0 3 年7 - 8 月对主要水域进行了水文条件实测，主要为千 岛湖、钱塘江干流、富春江、新安江、兰江、萧绍平原河网和浦阳江、分水江、 寿昌江、先锋河等较大的支流，共2 7 个水文断面，经水文部门统计分析，得到 9 0 保证率条件下多年最枯月平均的流量、流速、断面面积等参数。 同时委托杭州市水文水资源监测总站对钱塘江闸口断面进行了实测，在结合 1 3 河海大学工程硕士学位论文 历年积累水文资料的基础上，推算钱塘江9 0 保证率下多年最枯月平均潮流量和 潮量。 运河( 杭州段) 的水文数据主要采用运河( 杭州段) 课题组编制的运河( 杭 州段) 污染综合防治技术研究0 0 1 和浙江省水利水电勘测设计院编制的杭州 市城市防洪、河道整治规划报告【3 8 】中的有关资料。 ( 2 ) 降解系数k 值和纵向扩散系数m l 根据杭州市水体实际情况，并参考有关研究成果1 5 , 9 , 1 m 7 , 1 8 , 1 9 , 2 7 , 3 0 删，杭州市水 环境容量测算中不同水体的降解系数量和纵向扩散系数 矗取值见表2 2 2 1 。 表2 2 2 1 杭州市水环境容量计算置值 序号水环境类别k c o nk “m l l 一般河流 o 2 5o 1 5 2 感潮河段 o 3 0o 2 0o 5 m 7 5 3 城市河网 o 2 00 1 2 4 千岛湖、西湖、青山水库 0 0 4 0 0 2 5 ( 3 ) 不均匀系数仅值 根据有关研究成果【2 1 ，2 蚋，河流的河宽是影响河流不均匀系数的主要因素，通 常是河面越宽，不均匀系数越小。针对杭州水环境实际水文情况，杭卅i 市水环境 容量测算中主要水体a 取值见表2 2 2 - 2 。 表2 2 2 - 2 杭州市水环境容量计算a 值 序号 12345 河宽( m ) 1 5 m2 0 3 05 0 - 3 0 05 0 0 - 8 0 0 湖库 o 8 1 o 兰0 7 o 5 o 6o 2 _ o 3 1 抑2 钱塘江、富春江、新安江、千岛湖、西湖、 适用水体小支流运河分水江等 兰江青山水库 ( 4 ) 模型参数验证 为确定水环境容量系统中计算模型适用性，选取新安江( 寿昌江口洋溪水 厂上游2 k m 段) 和富春江( 桐庐一窄溪段) 两段有代表性的主要水体，采用一 维水质模型，利用多年水质监测数据进行计算模型参数检验。 采用2 0 0 2 年枯水期河流监测断面上界面监测数据，作为模型验证单元的上 边界起始浓度，输入对应枯水期水文参数，利用一般河流水环境容量模型的等效 浓度预测模式( 式2 2 2 1 ) ，计算得到下边界浓度值。将计算值与下边界的实测 值进行比较，得到相对误差，在误差允许范围内验证一般河流水环境容量模型的 适用性，结果见表2 2 2 3 。 1 4 河海大学工程硕士学位论文 c = ( c o 一纠( 剁屯+ 鲁 c 乱2 二t ， e ：l + j 坠 $ 6 4 0 0 q 口：旦芝 式中：c l 沿程距离x 处污染物浓度，m e , a - ；囟上游来水流量，m 3 s ；q p 一 点源排放流量，m 3 s ；9 广船程面源流量，m 3 s ；q 控制断面水质标准浓度， r a g l ；g 广始程汇入的面源污染物平均浓度，m g l ；c 分一e 游来水浓度，m g l ； 瑚程距离，m ；匿一降解系数，l i d ；枷流平均断面面积，m 2 ，一位长 度沿程面源排放量，耐2 s 。 表2 2 2 - 3 数学模型验证结果 河流验证单元项目 实测值( m g ，l ) 计算值( 删l )相对误差( ) 寿昌江口一洋溪 c o d m 。 1 3 11 3 7 4 2 新安江 水厂上游2 k m 【5 】氨氮 0 3 50 3 91 2 0 c o d m 。 2 3 3 2 3 01 4 富春江 桐庐一窄溪 氨氮 o 8 60 8 07 2 由表2 2 2 3 可知，相对误差在1 4 5 1 2 o 之间，该误差是可以接受的，证 实一般河流水环境容量模型基本适用。 河海大学工程项士学位论文 第三章基于组件式g i s 与水环境容量系统 的集成 3 1 水环境容量系统与g i s 集成方式的研究 地理信息系统可以分为通用地理信息系统平台和面向特定专题或区域的 g i s 应用，前者提供了空间数据输入、存储、处理、分析和输出等g i s 基本功能， 一般由专门的软件开发商完成；后者往往针对莱一专题、领域提供特定的技术服 务，包括专题g i s 和区域综合g i s 。随着g i s 应用领域的扩展，应用型g i s 的 开发工作日显重要。因此o i s 与管理系统的集成成为g i s 应用的重要技术问题， g i s 与系统集成的方式有以下几种： ( 1 ) 单纯二次开发 单纯二次开发指完全借助于g i s 工具软件提供的开发语言进行应用系统开 发。g i s 工具软件大多提供了可供用户进行二次开发的宏语言，如e r s i 公司的 a r e v i c w 提供了a v e n u e 语言，m a p l n f o 公司研制的m a p i n f op r o f e s s i o n a l 提供了 m a p b a s i c 语言等。用户可以利用这些宏语言，以原g i s 工具软件为开发平台， 开发出针对应用对象的应用程序。 单纯二次开发的优点是可以利用g i s 工具软件的现有功能，开发周期短。 但是这种开发方式使用的宏语言作为编程语言，与传统的通用编程语言相比有较 大差距，而且其移植性差，受开发平台的影响，不能脱离原系统单独运行，难以 开发出界面友好而又功能强大的定制程序。 ( 2 ) 集成二次开发 集成二次开发是指利用g i s 工具软件，如a r c v i e w ，m a p h l f o 等，实现g i s 的基本功能，以通用编程软件尤其是面向对象的可视化开发工具，如d e l p h i ， v i s u a lc - h ，v i s u a lb a s i c ，p o w e rb u i l d e r 等为开发平台，进行二者的集成开发。 集成二次开发目前主要有以下两种方式： ( a ) o l e d d e 技术 采用o l e 4 2 】( o b j e c tl i n k i n ga n de m b e d d i n g ，对象链接与嵌入) 自动化技术 1 6 河海大学工程硕士学位论文 或利用d d e l 4 2 ( d y n 衄l i cd a t ae x c h a n g e ，动态数据交换) 技术，用软件开发工 具开发前台可执行应用程序，以o l e 自动化方式或d d e 方式启动g i s 工具软 件在后台执行，利用回调 4 3 1 ( c a l l b a c k ) 技术动态获取其返回信息，实现应用程 序中的地理信息处理功能。 利用o l e d d e 集成开发，几乎可以实现g i s 工具软件的所有功能，并可以 利用可视化编程工具的强大功能实现精彩的操作界面，采用这种方式，开发周期 短，难度小，不仅节约时间和资金，更重要的是可以生产更统一、适用的应用程 序，是g i $ 二次开发的理想方式 但是，此种集成方法稳定性不高，效率低，并要求应用模型与g i $ 软件都 提供d d e 或者o l e 的数据操作协议。因此，d d e 技术已被它的提出者m i c r o s o f t 公司所淘汰，o l e 技术也被基于c o m ( c o m p o n e n t0 b j c c tm o d e l ，组件式对象 模型) 的新技术所取代。 ( b ) 组件式g i s 技术 组件式g i s “, 4 5 ( c o m p o n e n tg i s ，c o m g i s ) 是基于标准的组件式平台，以 一组具有标准通信接口的、允许跨语言应用的组件提供的g i s ，各组件之间不仅 可能自由、灵活地重组，而且具有可视化的界面和符合a c t i v e x 控件规范的标准 接口，在d e l p h i ，v i s u a lc h ，v i s u a lb a s i c ，p o w e rb u i l d e r 等编程工具编制的应 用程序中，可以直接将g i s 功能嵌入其中，实现g i s 的各种功能。c o m g i s 技术 的基本思想就是把g i s 的各大功能模块根据性质的不同划分为一个或几个控件， 每个控件完成特定的功能，各个g i s 控件之间，以及g i s 控件与其它非g i s 控 件之间，可以方便地通过面向对象的可视化开发工具集成起来，形成最终的g i s 应用系统。同传统的g i s 比较，这一技术具有以下几方面特点 4 6 4 8 】： a ) 高效无缝的系统集成； b ) 无须专门的g i s 开发语言； c ) 面向大众化的g i s ； d ) 成本低、周期短； e ) 可扩展性强。 虽然采用g i s 组件在开发上有许多优势，但是不可避免地也存在一些功能上 的欠缺和技术上的不成熟，主要表现在：访问超大空问数据( 如大数据量的遥感 1 7 河海大学工程硕士学位论文 图像) 时效率上相对低下；支持的空间数据量有限；大多数组件式g i s 软件尚不 支持拓扑生成、网络分析、三维分析和高质量地图输出等高级功能；系统的可靠 性、容错性有待提高。 集成二次开发既可以充分利用可视化软件开发工具的高效方便的编程功能， 又可以充分利用g i s 工具软件对空间数据库的管理、分析处理功能，集二者之 所长，不仅能大大提高应用系统的开发效率，而且使用面向对象的可视化软件开 发出来的应用程序具有良好的外观、完善的功能、便于维护等优点。通过比较上 述集成方式的优缺点，根据本系统的实际需要，选择采用g i s 组件的开发模式。 目前推出的基于a c t i v e x 技术的g i s 组件主要有：美国e s r i 公司推出的 m a p o b j e c t s 、m a p i n f o 公司推出的m a p x 、h t 昭a g h 公司推出的o e o m e d i a 等， 国内的北京朝夕公司推出的m a p e n g i n e 、北京超图地图信息技术有限公司推出的 s u r p e r m a p 等。通过比较上述产品的性价比，本系统决定采用美国e s r i 公司推 出的m a p o b j e e t s 。m a p o b j