CN102750448A - 一种基于水功能区的水量水质调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于水功能区的水量水质调控方法，所述方法的步骤包括：构建水量调控模拟模型的步骤；计算水功能区控制断面流量的步骤；计算入河污染负荷量的步骤；基于水功能区的纳污能力计算的步骤；分析水功能区达标状况的步骤。本发明通过构建流域级水功能区的水量调控模拟模型，考虑人工用水、工程调度与自然水循环关系，同时构建水功能区纳污能力分析模型，使用纳污能力分析模型以水量调控模拟模型为依据分析计算水功能区的纳污能力，根据分析计算结果对流域的水量和水质进行调控。与现有技术相比，本发明充分考虑人工用水、工程调度与自然水循环三方面的因素，对流域水质的纳污能力分析更加准确，使水量调控更加合理。

Description

一种基于水功能区的水量水质调控方法

技术领域

本发明涉及一种基于水功能区的水量水质调控方法，是一种水资源调控的方法，是一种对数千平方千米及以上的区域或流域的河流水功能区的水量、水质进行分析和水环境控制的方法。

背景技术

对生态环境的分析和调控需要将自然环境和人类活动的诸多因素进行整合，剔除影响较小的因素，确定关键因素，建立与实际河流状态最近似的模型。并在模型的应用中不断的扩充和修正模型，加入更多的因素，使模型越发接近实际的河流和水环境状态。早期的流域级的大范围水量水质的分析由于受到当时科研水平和手段的限制，只能寻找数个关键性的因素建立模型。这样的模型只能近似的模拟水量与污染物入河量状况，与实际相差较大。现有的水量水质调控方法对于污染控制的分析缺乏对用水导致水量和污染负荷排放对水功能区达标状况的双重影响因素的考虑，难以从技术角度分析合理的水量水质联合调控措施，以实现水功能区达标要求。现有河流纳污能力计算方法主要是以河流设计流量分析计算水功能区的纳污能力，通过对水文历史资料分析，通过频率分析得出给定的偏枯保证率(通常为75％或90％)条件下的河流断面流量，以该流量为基础，考虑河流自净能力设计分析可以容许水功能区不超标的污染负荷入河量。没有考虑到人工用水和工程调度(人工的水源分配)与自然水循环之间的动态关系，不能反映人工取水、水利工程调控等因素改变径流过程进而影响纳污能力的普遍性实际情况。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种基于水功能区的水量水质调控方法，所述的方法综合分析用水与工程调度对河道流量过程的影响，建立调控模型，并提出了基于用水调控的水功能区动态纳污能力的分析计算方式，为水功能区污染负荷入河控制量分析提供基础，实现流域水质水量总量控制技术。本发明所述的方法对水量调控和水质目标控制分别按照水资源分区和河流水功能区进行控制，并建立二者之间的水量传输排放关系。

本发明的目的是这样实现的：一种基于水功能区的水量水质调控方法，所述方法的步骤如下：

构建水量调控模拟模型的步骤：用于以流域水资源分区和行政分区嵌套形成水功能区的计算单元，并将水功能区的主要控制工程节点和水功能区控制断面作为基本信息模拟单元；分析所述水功能区范围内的水量平衡信息，建立计算单元与水功能区地表径流汇流与用水退水关系，计算用水影响下的水功能区控制断面过流；所述的水功能区断面的流量计算公式如下：

Q＝W_上+W_本-U+S

式中：Q-水功能区控制断面过流量，

W_上-上游来水量，

W_本-水功能区所在单元地表径流量，

U-水功能区所在单元地表取用水量，

S-水功能区所在单元用水后退入水功能区断面水量；

计算水功能区控制断面流量的步骤：用于使用水量调控模拟模型计算水功能区的断面流量；

计算入河污染负荷量的步骤：用于对入河的污染源进行量化的估算，包括：对工业点源产生量估算和城镇生活点源产生量估算；

基于水功能区的纳污能力计算的步骤：用于根据水量调控模拟模型的流量计算结果，采用一维水质模拟公式计算用水影响条件下的水功能区纳污能力：

M＝31.5(C_s-C₀ exp(-kL/u))exp(kx/u)Qr，

式中：M-污染物纳污能力(t/a)，

C_s-水功能区下断面水质目标控制因子浓度(mg/L)，

C₀-水功能区上断面水质目标控制因子浓度(mg/L)，

k-污染物综合衰减系数(1/s)，

L-水功能区长度(m)，

x-排污口下游断面距水功能区下断面纵向距离(m)，

u-设计流量下的平均流速(m/s)，

Qr-设计流量(m³/s)；

分析水功能区达标状况的步骤：用于使用水功能区达标分析模型，通过污染负荷产生入河量与水功能区纳污能力对比分析水功能区达标状况，如果若水功能区达标率不能实现，则回到“构建水量调控模拟模型的步骤”调整数据量，重新进行计算，直至实现水功能区达标率，则结束过程。

本发明产生的有益效果是：本发明通过构建流域级水功能区的水量调控模拟模型，考虑人工用水、工程调度与自然水循环关系，同时构建水功能区纳污能力分析模型，使用纳污能力分析模型以及水量调控模拟模型为依据分析计算水功能区的纳污能力，根据分析计算结果对流域的水量和水质进行调控。与现有技术相比，本发明充分考虑人工用水、工程调度与自然水循环三方面的因素，对流域水质的纳污能力分析更加准确，使水量调控更加合理。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述方法的流程图；

图2是本发明实施例一所述方法中水量调控模拟模型的水源用户配置关系示意图；

图3是本发明实施例一所述方法的水量调控模拟模型的计算流程示意图；

图4是计算单元与水功能区关系示意图；

图5是本发明的实施例二所述水量调控模拟模型的计算基本流程图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种基于水功能区的水量水质调控方法。本实施例采用了一种水资源分区和水功能区嵌套计算的新形式，实现了水量调控模拟和河流纳污能力计算的融合。本实施例的关键在于：一是整体水量水质调控的技术设计；二是基于水功能区的水量调控模拟模型；三是基于用水的动态纳污能力计算；四是水功能区达标状况分析模型。其中，基于水功能区的水量调控模拟模型计算是本实施例的重点所在。

本实施例所述方法中涉及水资源分区、水功能区及计算单元等不同性质而又互相关联的信息承载体。其中，计算单元为流域划分中的水资源分区与行政区单元嵌套形成的区域，承载区域水资源量以及供用水等信息；水功能区为表征具有水质目标要求的河流分段划分。

所述的水资源分区是指针对水资源规划提出的流域划分，水资源分区是一种类似行政区域的面状结构。

水功能区是以河流为划分对象，科学合理地在相应水域划定具有特定功能、满足水资源开发利用和保护要求的河流分段划分。水功能区是以河流为主的线状信息结构。

水量调控模拟模型中的计算单元是水资源分区和行政分区通过地理位置上相互嵌套关系形成的区域，模拟中每个计算单元包括不同用户的用水需求、污水处理水平、小型工程调蓄与供水能力等信息。

本实施例所述方法根据对于现有纳污能力计算局限性的分析，对水质水量的总量调控分析涉及对水量过程、水质模拟过程的联合分析。上述各部分工作通过方案设置和多层次反馈实现对水质水量联合调控的模拟分析。

本实施例所述方法包括水量调控模拟模型、入河污染负荷预测模型、纳污能力分析模型和水功能区达标分析模型。模型间的相互关系为：水量调控模拟模型计算用水与水功能区控制断面流量；入河污染负荷预测模型分析入河污染负荷量；纳污能力分析模型根据水量模拟调控的流量结果计算特定用水情景下水功能区纳污能力，通过纳污能力分析模型对比动态水量条件下的水功能区纳污能力；水功能区达标分析模型通过污染负荷产生入河量与水功能区纳污能力对比分析水功能区达标状况。在上述模型顺序计算得出水功能区达标状况后，若水功能区达标率不能实现，可以进一步根据输入信息对用水量、工程调度方案、污水处理和污染控制措施进行反馈调整，从源用水、治污、调度等环节实现水量水质的联合调控，提出总量控制目标，达到污染控制目的。

本实施例所述方法的步骤如下，如图1所示：

构建水量调控模拟模型的步骤：用于以流域水资源分区和行政分区嵌套形成水功能区的计算单元，并将水功能区的主要控制工程节点和水功能区控制断面作为基本信息模拟单元；分析所述水功能区范围内的水量平衡信息，建立计算单元与水功能区地表径流汇流与用水退水关系，计算用水影响下的水功能区控制断面过流；所述的水功能区断面的流量计算公式如下：

Q＝W_上+W_本-U+S

式中：Q-水功能区控制断面过流量，

W_上-上游来水量，

W_本-水功能区所在单元地表径流量，

U-水功能区所在单元地表取用水量，

S-水功能区所在单元用水后退入水功能区断面水量。

水量调控模拟模型：

现有关于水量调控模拟模型，在国际上开发和应用比较成熟的有SWAT模型。针对地下水有MODFLOW模型。SWAT模型是一种分布式水文模型，同时考虑了用水对水文过程的影响。郭正鑫(2009)就北京温榆河为例，使用工具ARCGIS处理获得的数据，建立起能够描述河网闸坝水系统的SWAT模型来实现对流域水量水质的联合调控。但SWAT模型的应用需要以分布式水文过程为基础，需要大量基础信息资料，包括对区域水文气象、地形地貌、土地利用等信息数据的处理输入，同时还需要应用一定长度历史水文数据对模型进行验证和参数率定。考虑与现有的供用水统计信息资料相一致，本实施例提出的水量调控模拟模型不采用分布式模型方式，主要采用概念化处理系统水量过程的方式实现模拟，同时采用模块化分割方法实现不同类别水量的模拟。

水量调控模拟模型主要针对用水、河道水量调度过程进行模拟，分析不同用水和调度方案对水平衡过程的影响效果。水量调控模型需要对现状和未来的水资源供需分析进行模拟计算，通过情景方案设置和反馈协调河道外生活、生产和生态用水与河道内生态、发电以及航运等用水，提出流域水资源在不同地区和行业的合理配置方案，并给出不同用水和工程调度情景下各区域的废污水排放状况和重要节点断面的水量过流状况，并给出各个水功能分区节点的过流状况。

根据上述要求，本实施例所述的水量调控模拟模型的主要设计原则如下：

(1)确定模拟规模与精度：根据水量总量调控需求，设置基本的供用水计算单元和断面节点。为配合水功能区的纳污能力计算，采用水资源分区套行政区作为水量供需平衡计算单元，主要控制节点为大型以上蓄水工程、重要引提水工程、重要省界断面以及水功能区节点断面。

(2)流域水循环与水量供用耗排二元水循环关系为基础：根据流域天然水系与计算单元的供用耗排水关系绘制描述水量关系的水资源网络节点图。将计算单元、主要工程、控制性节点以及供用耗排水等系统元素采用概化的“点”、“线”元素表达，反映流域水循环与水资源供、用、耗、排过程，作为模拟计算的基础。

(3)约束条件：在模型中设置反映各分区水资源配置中的工程和非工程约束，如供水渠道、管道的过水能力约束，不同来水情况下分水指标的约束等。对于发电工程考虑其发电调度需求以及与供水、河道内水量调度需求的关系，设置河道内水量需求约束条件。

(4)模块化处理：模块化处理即是根据计算过程中各部分功能将系统整体划分为相互关联但又具备一定独立性的功能模块，针对各模块的过程进行详细设计的方法。模型模拟中根据各类水源的利用和处理定义了多个相对封闭和独立的子系统，同时对每一类子系统又规范了其计算范围和框架。通过模块化分割可以对各个子系统功能作封闭式处理，并通过各模块有机整合实现系统功能。通过模块化分割处理可以深入细致地处理各功能块内部的细节流程，使系统框架更清晰、可扩展性更强。

计算水功能区控制断面流量的步骤：用于使用水量调控模拟模型计算水功能区的断面流量。本步骤使用水功能区断面的流量计算公式，采用不同的用水情景时，调整水功能区所在单元取用水量U，计算出水功能区控制断面在不同用水情景下的过流量，分析出水量变化条件下的水质状况模拟和控制目标，实现了人工用水与水循环过程动态关系的模拟。

水量调控模拟模型通过设置供用水计算单元和节点进行水量平衡计算。为了配合水功能区的纳污能力计算，采用水资源分区嵌套行政区作为计算单元。计算单元是系统模拟的中心环节，水资源供用耗排的分析都是在计算单元内部完成的。节点包含工程节点和控制节点两类：工程节点特指在系统图上单列的蓄引提工程，这类工程在模拟计算中单独参与计算，可以对受水单元或者其他工程供水，同时也可以按照工程运行目标对发电航运和生态与环境等河道内用水需求进行水量调控。控制节点指有水量或水质控制要求的河道或渠道断面，它具有与工程节点相同的各种水力关系，但一般不具备调蓄能力。将计算单元、主要工程节点、控制节点以及供用耗排水等系统元素采用概化的“点”、“线”元素表达，绘制描述流域水量关系的水资源系统网络节点图，反映流域水循环与水资源供用耗排过程，以此作为模拟计算的基础。

水量调控模型以行政区域和流域片区结合的计算单元为基本用水单位模拟水量过程，可以较为准确的反映天然水循环过程，从整体上对流域水循环过程进行仿真模拟。相对与现有的水质模拟主要基于河流层面信息进行污染负荷入河过程的分析，降低了模拟的计算步长和计算单元的尺度，扩大了可模拟的范围，可以更好的反映较大范围内区域的水循环、供用水过程条件下的区域整体水量过程和相应的纳污能力指标。

水量调控模型主要以模拟方式完成水量供需平衡计算、用户用耗排水和河道水量平衡过程。以一个计算单元为例，供需平衡计算公式为：

式中：

m-需水用户数量，n-不同水源数量；

W_需(i)-第i类用户的需水量；

W_供(i，j)-第j类水源对第i类用户的供水量；

W_缺(i)-第i类用户缺水量。

不同水源对用户的配置关系如图2所示，在水量配置过程按照工程条件等运行规则来控制模拟过程。

在用户分的水源之后，在用水过程中产生水量消耗，消耗部分水量返回大气水循环，剩余水量排入下游或者。用水、耗水、排水以及污水处理再利用的相关公式。

各类用户耗水的计算公式如下：

$\mathrm{WH}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}U\left(i\right)*c\left(i\right)$

式中：WH-单元总耗水量；

U(i)-第i类用户配置得到的总用水量；

C(i)-耗水率；n-用户数。

对于城镇用户，其耗水后余水为污水源量：

$\mathrm{WY}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(U\left(i\right)-\mathrm{Wh}\left(i\right))$

式中：WY-污水源量；U-用水量；Wh-耗水量；n-城镇用水户数。

对于农村用户，其耗水后余水部分下渗，另一部分形成回归退水：

$\mathrm{WS}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(U\left(i\right)-\mathrm{Wh}\left(i\right))*\mathrm{Cs}$

$\mathrm{WT}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(U\left(i\right)-\mathrm{Wh}\left(i\right))*(1-\mathrm{Cs})$

式中：WS-下渗水量；WT-退水量；U-用水量；

Cs-下渗率；Wh-耗水量；n-农村用水户数；

根据污水处理率计算处理后污水量：

WC＝WY*CC

式中：WC-处理后污水；WY-污水源量；CC-污水处理率。

可再利用污水量：

WZ＝WC*CZ

式中：WZ-可再利用处理后污水量；

WC-处理后污水；CZ-处理后污水再利用率。

对于节点水量平衡过程，基本计算公式为：

Q_出＝Q入-Q_供+Q_排-W_耗-ΔW

式中：Q_出-节点出流量；

Q_入-节点入流水量，包括上游节点排入水量和节点所在本地区间径流；

-节点对用户的供水量；

Q_排-节点下泄水量；

W_耗-节点蒸发渗漏损失水量；

ΔW-节点蓄水变化量。

综合不同的计算单元和节点，以水源优先序关系为控制，通过循环计算不同单元的供需平衡、耗排水量和节点水量平衡过程。单个时段的计算流程示意图如图3所示。

计算入河污染负荷量的步骤：用于对入河的污染源进行量化的估算，包括：对工业点源产生量估算和城镇生活点源产生量估算。

污染负荷预测主要以点源污染入河量预测为主。

本实施例考虑生活和生产两大不同类型用水户污染负荷排放的不同特征，结合污水处理厂效率分析预测入河点源污染负荷量。按照上述原则开发建立了入河污染负荷预测模型，其基本公式如下：

1)工业点源产生量估算：

工业点源产生量以单位工业增加值的排污量为基础进行估算，公式如下：

W_INDUSTRY，i＝GDP_i×LOAD_i

式中，W_INDUSTRY，i为i子流域工业点源产生量，单位：t；GDP_i为i子流域工业增加值，单位：万元；LOAD_i为i子流域单位工业增加值的污染负荷，单位：t/万元。

2)城镇生活点源产生量估算：

城镇生活点源产生量以单位人口排污量和人口总数进行估算，公式如下：

W_URBAN，i＝POP_URBAN，i×LOAD_i×CEN_n，i

式中，W_URBAN，i为i子流城镇生活点源产生量，单位：t；POP_URBAN，i为i子流城镇人口，单位：万人；LOAD_i为i子流单位城镇人口的污染负荷，单位：t/万人；CEN_n，i为i子流域n季度城镇生活季节用水比例，单位：无量纲，n取1～4。

考虑污染负荷在从路面进入河道的自然衰减和污水处理的效应，入河污染负荷量可以进一步用以下公式计算：

M_i，k.t＝D_i，k.t×K_i，k，t

D_i，k.t＝WP_i，k，t+SP_i，k，t

WP_i，k，t＝(WDP_i，t-RDP_i，t)×CW_i，k，t×10^-2+(WIP_i，t-RIP_i，t)×CW_i，k，t×10^-2

${\mathrm{CW}}_{i,k,t}=\min ({\mathrm{CS}}_k,\frac{({\mathrm{WDP}}_{i,t}\×{\mathrm{PDP}}_{i,k,t}+{\mathrm{WIP}}_{i,t}\×{\mathrm{PIP}}_{i,k,t})(1-L_k\×{10}^{-2})}{{\mathrm{WDP}}_{i,t}+{\mathrm{WIP}}_{i,t}})$

SP_i，k，t＝(QDP_i，t-WDP_i，k，t)×PDP_i，k，t+(QIP_i，t-WIP_i，k，t)×PIP_i，k，t

以上式计算出的入河污染负荷量为控制目标，可以进一步基于成本效益分析原理，通过定量分析计算水污染防治方式措施的成本与收益，在投资约束下给出污染削减的最优措施组合。在削减方式中既考虑污染源的源头产生量的削减，也包括污染物末端治理措施的削减，还考虑到其他管理与工程措施实现的削减。模型假定各项措施成本和对于污染物的削减相互之间没有影响。在COD和氨氮指标分别优化的基础上，最优投资取各优化单元投资最大者，并汇总到整个流域层面。污染负荷排放优化控制目标函数和约束条件如下：

目标函数为：Max(W1_i，k，t+W2_i，k，t+W3_i，k，t)

约束条件为：C1_i，k，t×W1_i，k，t+C2_i，k，t×W2_i，k，t+C3_i，k，t×W3_i，k，t≤GDP_i，t×1.5×10^-2

W1_i，k，t+W2_i，k，t+W3_i，k，t≤WG_i，k，t

W1_i，k，t≥0

W2_i，k，t≥0

W3_i，k，t≥0

WG_i，k，t＝Min(M_i，k.t，CPT_i，k，t)

式中：

W1_i，k，t-第i单元t时间段污水集中处理厂实现的第k类污染物削减量，t/a(吨/年，下同)；

W2_i，k，t-第i单元t时间段达标排放管制实现的k污染物削减量，t/a；

W3_i，k，t-第i单元t时间段以其他方式进一步削减实现的k污染物削减量，t/a；

C1_i，k，t-第i单元t时间段污水集中处理方式实现单位k污染物的削减成本，万元/t；

C2_i，k，t-第i单元t时间段污染源达标分散治理方式实现的单位k污染物的削减成本，万元/t；

C3_i，k，t-第i单元t时间段以其他方式进一步削减实现的单位k污染物的削减成本，万元/t；

GDP_i，t-第i单元t时间段的GDP总量，万元；

WG_i，k，t-第i单元t时间段k污染物的入河控制量目标，t/a；

CPT_i，k，t-第i单元t时间段k污染物的水功能区纳污能力，t/a。

基于水功能区的纳污能力计算的步骤：用于根据水量调控模拟模型的流量计算结果，计算特定用水情景下水功能区纳污能力，通过纳污能力分析模型对比动态水量条件下的水功能区纳污能力。

为了实现水量调控模拟模型与水功能区的有效结合，将水功能区作为水量调控模拟模型中的控制节点按照流域的上下游关系插入到水资源系统网络节点图中。水功能区上下段节点可以作为水量调控模拟模型中的计算节点，用水以及工程调控作用会影响到水功能区节点的流量过程，在一定程度上决定了水功能区纳污能力的大小，为通过水量调控达到水质目标起到了作用。

计算单元和水功能区是按照区域和河道进行划分的，两者之间有相互交叉的关系。为分析水量水质之间的联合调控，需要对计算单元与水功能区建立对应关系(如图4所示)：每个计算单元都包含若干个水功能区，以确保单元地表径流能够汇入对应的水功能区(图4中虚线所示)；为确保系统水量转移的完备性，每个水功能区也对应存在具有排水关系的计算单元，从而使单元用水后的废污水及退水能够排入相应的水功能区(图4中实线所示)。这两层关系构成了针对水功能区的水量过程和污染负荷排放过程；这两种水量排放关系分别采用水量调控模拟模型中的本地径流排放渠道和未处理污水排放渠道表示。确定每个计算单元所涉及的水功能区的汇流面积比例，将该比例作为本地径流排放渠道的分水参数；考虑用水中心和排污口的分布，分析计算单元对水功能区节点的未处理污水排放渠道的分水参数。

通过对进入水功能区断面的水量划分，水量调控模拟模型将未处理污水的排放路径由之前的排入下游节点和水汇改为排入计算单元所对应的水功能区。通过模型的改进，可以较为准确的分析出水功能区节点的地表径流水量过程和功能区的废污水排放量。

按照一维水质模型，对河流纳污能力计算公式如下：

M＝31.5(C_s-C₀ exp(-kL/u))exp(kx/u)Qr

式中：M-污染物纳污能力(t/a)；

C_s-水功能区下断面水质目标控制因子浓度(mg/L)；

C₀-水功能区上断面水质目标控制因子浓度(mg/L)；

k-污染物综合衰减系数(1/s)；

L-水功能区长度(m)；

x-排污口下游断面距水功能区下断面纵向距离(m)；

u-设计流量下的平均流速(m/s)；

Qr-设计流量(m³/s)。

上式中，初始断面背景浓度(C₀)取上游河段水质目标值作为本河段初始断面背景浓度，即上一个水功能区的水质目标值就是下一个水功能区的初始浓度值C₀。若计算河段为河源段，则取源头水水质浓度作为该河源段初始断面背景浓度。在计算纳污能力时，C_S值主要在上述标准范围内，综合考虑与其相邻的上、下游功能区的相互关系以及功能区重要程度确定，并以不降低现状水质为原则。污染负荷衰减系数、水功能区长度等均根据已有参数确定。

分析水功能区达标状况的步骤：用于使用水功能区达标分析模型，通过污染负荷产生入河量与水功能区纳污能力对比分析水功能区达标状况，如果若水功能区达标率不能实现，则回到“构建水量调控模拟模型的步骤”调整数据量，重新进行计算，直至实现水功能区达标率，则结束过程。

本实施例水功能区达标分析模型是以长时间月尺度的水质模拟模型，在一个小的子流域内用河段单元零维方程可以基本描述水质过程。通过该模型对入河污染负荷预测模型结果进行分析，得出水功能区断面的水质状况，与水功能区水质目标要求进行对比，最终得出水质达标分析结果。

模型中水功能区控制断面的污染负荷浓度计算公式如下：

C(x)＝C₀ exp(-k·x/u)

式中，C(x)为控制断面污染物浓度(mg/L)；C₀始断面污染物浓度(mg/L)；k为污染物综合自净系数(1/d)；x为排污口下游断面距控制断面纵向距离(m)；u为设计流量下岸边污染带的平均流速(m/s)。

假设某河道断面流量为Q，若该断面至下游断面x公里处无支流汇入，无污染负荷输入，则河道中上下断面流量相等，则时段内河道下游通过的污染物负荷量为：

W_x＝QΔtC(x)＝QΔtC₀ exp(-k·x/u)＝W₀ exp(-kx/u)

通过上述公式可以计算出功能区断面污染负荷指标浓度，通过与纳污能力分析模块计算得出的相应水功能区断面纳污能力指标值，可以判断该功能区水质是否达标，如果不达标则能分析出不能达标的水质指标以及超标状况。

通过对不达标结果的分析，调整用水量输入、污水处理等措施，分析各项措施对提高河道流量过程、减少入河污染负荷的作用，进行反馈分析，从而得出各类措施对促进水功能区达标的作用，进一步建立用水、污染物入河总量的控制性指标。

本实施例在嫩江流域的应用实例(仅包含计算和分析部分，不包括模型构建)：

嫩江是松花江流域的三大水系之一，位于中国黑龙江省中西部，全长1370km，流域面积29.7万km2。嫩江流域共分为尼尔基以上、尼尔基至江桥、江桥以下3个水资源三级区，18个水资源四级区。按照水资源分区和行政区的嵌套关系，全流域共划分水资源四级区套地市的基本计算单元47个。

嫩江流域共划分一级水功能区105个，区划河长9760km。其中，保护区34个，保留区21个，开发利用区32个，缓冲区18个。嫩江流域一级水功能区中的32个开发利用区又划分为58个二级水功能区，区划河长3499km。

水量调控模拟计算：

通过径流汇流面积以及排污口分布，从而确定本地径流排放渠道和未处理污水渠道的分水参数。嫩江流域部分计算单元与水功能区地表汇流及废污水排放关系如表1所示。

表1  计算单元与水功能区地表汇流及废污水排放关系表

调控模型以2005年为现状年，以2015和2020年为规划水平年。计算中采用1956-2000年月系列来水过程作为水资源量输入。

由于经济社会发展、产业结构调整、用水效率提高、节水力度加强、生态环境保护目标变化等诸多因素导致经济社会对水的需求可能有较大的差异。因此，用基本水量方案(一般节水模式)和强化节水方案(强化节水模式)二套方案预测嫩江流域不同水平年的需水量过程，结合流域未来供水工程的规划建设，按照建立的水量调控模拟模型计算，确定流域水量供需平衡结果如表2所示。

表2嫩江流域水量供需平衡结果

由供需平衡结果可以看出，在基本方案需水条件下，未来嫩江流域的缺水量为12.9亿m3，缺水率达6.5％左右。采用强化节水方案后，未来缺水量降低至7.5亿m3，缺水率达4.1％左右。由此可见采用强化节水之后，嫩江流域的缺水情况有所缓解，但仍存在一定程度的水量供需压力，需要增强水量综合调控。

污染负荷入河量：

根据污染负荷入河量预测公式，考虑嫩江流域人口、工业产值以及现状排污系数、污水处理状况，对未来嫩江流域点源污染负荷入河量进行预测。其中部分水资源三级区套地市计算单元的污染负荷入河量结果如表3所示。

表3部分计算单元污染负荷入河量分析(t)

根据计算单元与水功能区入流关系，可以将计算单元的污染负荷分解到各个水功能区范围内。

纳污能力计算：

根据上述水量调控方案，选择嫩江流域主要控制断面(尼尔基、中部引嫩、江桥、大赉)以及部分支流上的蓄水工程(毕拉河口、音河)所对应的水功能区作为典型水功能区进行分析。嫩江流域典型水功能区基本方案和节水方案流量特征值、COD和氨氮的纳污能力计算结果分别如表4、表5所示。

表4嫩江流域典型水功能区流量特征值

表5嫩江流域典型水功能区纳污能力计算

对比水功能区断面污染负荷入河量与纳污能力计算结果，可以看出在现状条件下部分水功能区不能达标，未来采用基本方案情景下，纳污能力进一步减小，污染负荷入河量随着污水处理率的提高而有所减少，达标率有所提高。而在采用节水情景方案条件下，水功能区达标率可以较大幅度提高。

从基本方案和节水方案典型水功能区过流状况对比可以看出，在采用节水方案之后，典型水功能区平均流量、最小过流和90％过流过程均有所提升。并且，最小流量提升幅度大于平均过流的提升幅度，说明在节水减排的条件下，问题比较严重的枯季纳污和河道水质可以得到较大的改善。相应的由表4也可看出水功能区COD和氨氮的纳污能力也有所增加。

控制性指标分析：

通过调控模型计算分析，可以提出不同区域动态纳污能力，通过与水功能区控制水质目标对比，得出区域用水控制、流量控制和排污量控制等不同的水量水质控制性指标。

根据最终分析的河流满足纳污能力要求的用水分析，得出流域内各控制节点断面(水资源四级区套地市)的分行业用水总量控制结果，按照各主要断面汇总后的控制节点用水总量控制表，如表6所示。按照用水控制后得出的流量过程得出的纳污能力结果作为区域的排污控制指标，如表7所示。

表6  分节点用水总量控制指标    单位：t

表7分区域COD和氨氮排污总量控制指标    单位：t

达到的应用效果如下：

(1)体现出了本实施例在大流域尺度范围内对流域的水量调控的效能。在近30万km²的嫩江流域完成了从1956年至2000年共计45年(540月)的仿真模拟应用。

(2)充分体现了用水对河道断面过流的影响，对105个水功能区断面在未来用水情景下的过流状况进行了模拟。

(3)根据用水变化条件下的过流状况对水功能区纳污能力进行了分析。

(4)通过上述分析提出了各个区域的用水总量、过流总量以及排污总量控制指标，对区域水量水质联合调控决策提供了技术依据。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于计算水功能区控制断面流量的步骤的细化，所述的计算水功能区控制断面流量的步骤中用于根据模块化分割方法水量调控模拟模型的计算包括的子步骤如下(流程图见图5)：

计算单元本地径流用水模拟：包括第一阶段计算本地径流的利用及用户间配置，第二阶段计算河网入流统计及供水计算，第三阶段计算网超蓄水量排放。

本地径流利用包括本地引提水工程供水和河网调蓄供水。河网是对单元本地蓄水工程以及具有调蓄能力的天然系统的概化，包括小型水库、塘坝以及平原区的河道等。通过河网可以调控本地径流、污退水以及上游来水等各种水源，同时河网也可以计算蒸发、渗漏等各种水量损失。河网可以起到水库的作用，对水源实现跨时段的调控，但其调控与供水能力会受到更严格的限制。

第一阶段计算本地径流的利用及用户间配置。计算概化的本地引提水工程供出水量，并将该水量分配到单元内各个用户。统计不能利用的本地径流退入本单元河网。

第二阶段计算河网入流统计及供水计算。累积本单元排入河网的污水退水量、未利用的本地径流量、上游单元排入的河网水以及上游节点排入的超蓄水量，计算得出河网初始蓄水量和水量损失。再按照河网调蓄能力和调蓄系数计算出河网可供的水量，进一步分配到各类用户。

第三阶段计算网超蓄水量排放。在完成河网供水与配置后，计算超过河网蓄水能力部分水量的排放，以及河网可以存蓄到下一时段的水量。

计算单元非常规水源利用模拟：非常规水源主要包括雨水利用、微咸水和海水利用等。非常规水源一般数量较小，按照系统水源利用优先序原则属于应优先使用的水量，其水量只能供本单元使用，不存在单元间的水量传递关系。该类水源利用按照规定的用户和优先序进行配置，对雨水利用、海水淡化、海水直接利用和微咸水利用过程分别进行计算，将其水量分别配置给所需用户。

地下水利用模拟：对于浅层地下水，将每个计算单元视为只有一个地下水库，其补给水量为地下水可利用量，对每个单元输入地下水可开采量的年过程。浅层地下水按照优先使用量配置用户，在地表水供水后仍存在用户缺水，再对地下水进行补充开采配置。

地表工程供水模拟：对于大型水库、引水工程等，以本地径流计算后得出的水量作为入库水量，根据水库入流、上时段存蓄水量结合水库调度规则得出可供水量，对用户进行水量配置，并计算超过蓄水能力后的工程下泄流量。

控制断面水平衡模拟：根据计算单元对水库节点、水功能区控制断面等的径流汇流量、单元用水耗水后的排水量，通过水量平衡计算各断面的过流量。

时段结束判断：判断计算的时段是否到达设定的末尾，如果到达则结束过程，如果未达到则回到“计算单元本地径流用水模拟”的子步骤，继续下移时段的计算。考虑到供用水统计一般以年值为主，对农业用水需要划分年内的月特征过程，并且长系列水文水资源资料条件也以月过程为主，水量调控模型中的计算时段长选用月为单位，既适应资料条件需求，也满足从月到年值的汇总需求。

实施例三：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例所述的水量水质联合分析调控的步骤细化，所述的水量水质联合分析调控的步骤中的分析方法包括两种分析方式：

第一种分析方式是：在确定用水总量条件下模拟各水功能区断面的径流过程，得出各区域纳污能力总量；第二种分析方式是：通过对比纳污能力计算结果与实际排污预测量，调整用水控制量实现水功能区断面水质达标目标。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案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(比如各个步骤之间的顺序、各个模型形式等)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。

Claims (3)

1.一种基于水功能区的水量水质调控方法，其特征在于所述方法的步骤如下：

构建水量调控模拟模型的步骤：用于以流域水资源分区和行政分区嵌套形成水功能区的计算单元，并将水功能区的主要控制工程节点和水功能区控制断面作为基本信息模拟单元；分析所述水功能区范围内的水量平衡信息，建立计算单元与水功能区地表径流汇流与用水退水关系，计算用水影响下的水功能区控制断面过流；所述的水功能区断面的流量计算公式如下：

Q＝W_上+W_本-U+S

式中：Q-水功能区控制断面过流量，

W_上-上游来水量，

W_本-水功能区所在单元地表径流量，

U-水功能区所在单元地表取用水量，

S-水功能区所在单元用水后退入水功能区断面水量；

计算水功能区控制断面流量的步骤：用于使用水量调控模拟模型计算水功能区的断面流量；

计算入河污染负荷量的步骤：用于对入河的污染源进行量化的估算，包括：对工业点源产生量估算和城镇生活点源产生量估算；

基于水功能区的纳污能力计算的步骤：用于根据水量调控模拟模型的流量计算结果，采用一维水质模拟公式计算用水影响条件下的水功能区纳污能力：

M＝31.5(C_s-C₀ exp(-kL/u))exp(kx/u)Qr，

式中：M-污染物纳污能力(t/a)，

Cs-水功能区下断面水质目标控制因子浓度(mg/L)，

C₀-水功能区上断面水质目标控制因子浓度(mg/L)，

k-污染物综合衰减系数(1/s)，

L-水功能区长度(m)，

x-排污口下游断面距水功能区下断面纵向距离(m)，

u-设计流量下的平均流速(m/s)，

Qr-设计流量(m³/s)；

分析水功能区达标状况的步骤：用于使用水功能区达标分析模型，通过污染负荷产生入河量与水功能区纳污能力对比分析水功能区达标状况，如果若水功能区达标率不能实现，则回到“构建水量调控模拟模型的步骤”调整数据量，重新进行计算，直至实现水功能区达标率，则结束过程。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的计算水功能区控制断面流量的步骤中用于根据模块化分割方法水量调控模拟模型的计算包括的子步骤如下：

计算单元本地径流用水模拟：包括第一阶段计算本地径流的利用及用户间配置，第二阶段计算河网入流统计及供水计算，第三阶段计算网超蓄水量排放；

计算单元非常规水源利用模拟：非常规水源主要包括雨水利用、微咸水和海水利用；

地下水利用模拟：对于浅层地下水，将每个计算单元视为只有一个地下水库，其补给水量为地下水可利用量，对每个单元输入地下水可开采量的年过程；

地表工程供水模拟：对于大型水库、引水工程等，以本地径流计算后得出的水量作为入库水量，根据水库入流、上时段存蓄水量结合水库调度规则得出可供水量，对用户进行水量配置，并计算超过蓄水能力后的工程下泄流量；

控制断面水平衡模拟：根据计算单元对水库节点、水功能区控制断面等的径流汇流量、单元用水耗水后的排水量，通过水量平衡计算各断面的过流量；

时段结束判断：判断计算的时段是否到达设定的末尾，如果到达则结束过程，如果未达到则回到“计算单元本地径流用水模拟”的子步骤，继续下移时段的计算。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的水量水质联合分析调控的步骤中的分析方法包括两种分析方式：

第一种分析方式是：在确定用水总量条件下模拟各水功能区断面的径流过程，得出各区域纳污能力总量；第二种分析方式是：通过对比纳污能力计算结果与实际排污预测量，调整用水控制量实现水功能区断面水质达标目标。

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