一种基于流域尺度社会系统的磷元素物质流分析方法

本发明涉及大型流域范围社会系统不同部门间污染物流动负荷量测算，尤其涉及一种基于流域尺度社会系统的磷元素物质流分析方法。

背景技术：

1、我国城市化、农业化步伐不断加快，大量的工业废水、生活污水及农业面源污染物质进入水体造成了严重的水体磷污染。

2、目前主要的流域水污染治理的方式多集中在污染物迁移全过程方面。然而无论是从源头控制、过程拦截还是末端治理，大型流域存在社会系统组成复杂、自然地理环境差异显著、水土污染物质交换频繁等问题，因此，想从根源治理水环境污染，就必须了解污染物的主要来源以及各污染源的污染负荷量，识别出主要污染源和优先控制区域，厘清污染物在不同部门之间的流动过程，针对不同污染源、污染物类型和污染程度的区域进行针对性的治理。

3、目前大部分磷污染计算的模型和方法主要依靠与磷相关的环境指标来指示磷污染程度，如人为净磷排放、磷足迹等，这些指标缺乏对磷负荷量的最直接定量核算，无法定量分析对水土受纳环境的影响，同时在大型流域复杂社会系统中无法定量追踪磷的流动轨迹和不同部门之间的磷污染联系，从而导致难以系统识别主要的磷污染源和污染路径。

技术实现思路

1、本发明基于物质流模型，提出了一种流域尺度社会系统的磷元素物质流分析方法，充分考虑大型流域社会系统的多元性和磷流动过程中的复杂性，建立了各社会子系统之间的磷流联系并可以直接计算每条磷流的负荷量以及系统磷输入-输出的负荷量。

2、本发明的目的在于解决以下问题：

3、(1)构建大型流域社会系统之间的磷流动量计算模型，划分了大型流域内与磷生产、消费和排放相关的主要部门，清晰地梳理了与磷素流动过程相关的磷流路线并计算出磷流量。

4、(2)大型流域复杂社会系统之间的磷流动量计算以及各个部门输出到自然水土环境的磷负荷量及贡献比例，以此识别流域磷污染来源和治理的优先区域。

5、本发明实施例提供一种流域尺度社会系统的磷元素物质流分析方法，解决了大型流域内与磷生产、消费和排放相关子系统之间磷流过程识别和磷流量化的问题。

6、本发明实施例一方面提供了一种流域尺度社会系统的磷元素物质流分析方法，包括如下步骤：

7、s1、划定流域地理边界，匹配行政边界；

8、s2、提取社会系统中与磷流动相关的子系统：确定与磷流动相关的具有独立代表性的社会子系统；

9、s3、确定每个子系统的主要组成单元；

10、s4、建立每个子系统间的磷流联系，形成整个社会系统的磷流网络；

11、s5、建立每条磷流的测算公式：根据社会系统内所有子系统的组成单元，建立具有独立代表性的产品磷流量计算公式；

12、s6、确定磷流测算公式类别：磷流计算公式分为三种类型，包括独立方程、依赖方程以及系统平衡方程；

13、s7、优先采用独立计算公式：所有随产品流动的磷量均采用独立计算方式；

14、s8、核算磷流网络中的每条磷流量：收集每条磷流模型需要的基础数据并根据步骤s5、s6和s7进行磷流量计算，同时测算每个子系统以及全流域社会系统的磷输入-输出负荷量。

15、可选的，所述s1中流域边界通常是一个地理概念，而不是行政范围，需要将流域地理边界转换为行政边界。通过获取目标区域的自然地理图层和超出目标区域的行政边界图层，利用arcgis10.8软件识别目标流域的地理空间位置，随后在行政边界图层中进行匹配和裁剪。

16、可选的，所述s2中提取与磷流动相关的具有独立代表性的社会生产部门，包括磷化工系统、农业种植系统、畜禽养殖系统、食品加工系统、居民消费系统、废物废水处理系统以及受纳环境。特别地，畜禽养殖系统细分为规模养殖和家庭散养，食品加工系统细分为初次加工和二次加工，居民消费系统细分为城市居民消费和农村居民消费。

17、可选的，所述s3确定子系统中的主要构成单元，农业种植系统中涉及磷流动过程的组成单元为化肥、农药、作物种子、大气沉降、土壤沉积、农产品。畜禽养殖系统包括工业饲料、农业饲料、动物产品和畜禽粪便；食品加工系统涉及所有食物的加工过程；居民消费系统包括农作物产品、动物产品、工业产品以及居民产生的废物和废水；废物废水处理系统包括污水处理厂、垃圾处理厂和垃圾填埋场，处理所有子系统生产过程中产生的废物废水；受纳环境细分为耕地、非耕地和地表水体。

18、可选的，所述s4建立子系统间的磷流联系，该联系由磷在社会经济系统中的属性以及磷在主要社会部门之间的流动过程(输入、输出和循环)建立，整个社会经济系统通过不同子系统间的磷流联系形成磷流网络。

19、可选的，所述s5、s6和s7建立每条磷流联系间的测算公式，根据社会系统内所有子系统的组成单元，建立具有独立代表性的产品磷流量计算公式；磷流计算公式分为三种类型，包括独立方程、依赖方程以及系统平衡方程，所有随产品流动的磷量均采用独立计算方式，因为该方法计算的磷流量最为直接和准确，具体介绍如下：

20、(1)独立方程，其中磷流量是通过将产品数据乘以含磷系数来计算的。

21、

22、其中φp为所求磷流量，mgood为某产品的质量，cgood为该产品中磷的浓度。

23、(2)依赖方程：磷流量采用其他方程计算。耕地、荒地和地表水的遗留磷计算；

24、

25、其中φ为遗留磷，下标cl、ucl和sw分别为耕地、荒地和地表水，i为所考虑的年份。

26、(3)系统平衡方程，用于通过平衡所有磷流量来计算未知的磷流量或储量，同时平衡子系统或全系统的磷物质平衡。

27、

28、其中，input和output分别表示磷输入和输出，stock表示特定系统或子系统中的磷库存，下标i、j和k分别表示输入、输出和存量类别。

29、可选的，所述s8建立了每条磷流的测算模型后，通过划定的行政边界，获取区域内的基础统计数据，数据来源包括地方统计年鉴、省市一级统计年鉴、部级统计年鉴以及国家级统计年鉴，统计年鉴中收集的数据主要来自民生、农业、工业、消费等模块。根据获取的基础数据和磷流方程，计算每条磷流负荷量以及各部门的磷输入-输出负荷量和输出贡献。

30、本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

31、本发明针对流域尺度的社会系统组成复杂、自然地理环境差异显著、水土污染物质交换频繁等问题，提出了流域尺度社会系统的磷元素物质流分析方法，充分考虑大型流域社会系统的多元性和磷流动过程中的复杂性，建立了社会系统中各生产部门之间的磷流动联系，直接计算了磷流网络中每条磷流的负荷量以及系统磷输入-输出的负荷量，为相关部门和人员了解流域内各生产部门之间磷的流动联系、识别主要污染源和优先治理控制区域提供有效的计算方法。此外，本发明涉及水土复杂环境磷受纳负荷的直接计算，弥补了其它磷污染评估方法中无法直接计算磷负荷量和同时关注水土环境磷遗留量的不足。

技术特征：

1.一种基于流域尺度社会系统的磷元素物质流分析方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的流域尺度社会系统的磷元素物质流分析方法，其特征在于，所述步骤s1具体为：根据磷负荷量计算需求将研究区域的流域地理边界进行界定，匹配与其对应的研究区行政边界，并在行政区域内获取计算磷通量的社会生产活动数据。

3.根据权利要求1所述的流域尺度社会系统的磷元素物质流分析方法，其特征在于，所述步骤s2中的社会子系统代表了磷的生产、消费和排放，包括磷化工系统、农业种植系统、畜禽养殖系统、食品加工系统、居民消费系统、废物废水处理系统以及受纳环境。

4.根据权利要求3所述的流域尺度社会系统的磷元素物质流分析方法，其特征在于，所述s3确定子系统中的主要构成单元具体为：

5.根据权利要求1所述的流域尺度社会系统的磷元素物质流分析方法，其特征在于，所述步骤s4具体为：根据磷在社会经济系统中的属性以及磷在主要社会部门之间的流动过程，建立每个子系统间的磷流联系，整个社会经济系统通过不同子系统间的磷流联系形成磷流网络，其中，流动过程包括输入、输出和循环。

6.根据权利要求1所述的流域尺度社会系统的磷元素物质流分析方法，其特征在于，所述s5建立每条磷流的测算公式具体为：根据物质守恒和代谢原理，建立具有独立代表性的产品磷流量计算公式对不同部门间形成的磷流路径进行量化。

7.根据权利要求1所述的流域尺度社会系统的磷元素物质流分析方法，其特征在于，所述s6中的独立方程、依赖方程以及系统平衡方程对应的公式具体为：

技术总结
本发明公开了一种流域尺度社会系统的磷元素物质流分析方法，步骤为：划定流域地理边界，匹配行政边界；提取社会系统中与磷流动相关的子系统；确定每个子系统的主要组成单元；建立每个子系统间的磷流联系，形成整个社会系统的磷流网络；建立每条磷流的测算公式；确定磷流测算公式类别；优先采用独立计算公式；核算磷流网络中的每条磷流量。本发明能够明确划分了大型流域内与磷生产、消费和排放的主要子系统，清晰地梳理了不同系统间与磷素流动过程相关的磷流路线，同时可以汇总每个子系统以及全社会系统磷的输入‑输出负荷量，并进一步计算子系统输出到自然水土环境的磷负荷量及贡献比例。

技术研发人员：谢显传,刘伟,陈志琴,秦天,陈跃进
受保护的技术使用者：南昌大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/19