CN104615871A - 一种冰封期水功能区纳污能力计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种冰封期水功能区纳污能力计算方法，其特征在于包括构建水功能区纳污能力一维水质模型等步骤，目的在于提出了一种适合寒区河流冰封期水功能区纳污能力计算的方法，对于针对寒区冰封期水环境风险进行分析和调控具有重要意义。

Description

一种冰封期水功能区纳污能力计算方法

技术领域

本发明专利涉及一种冰封期水功能区纳污能力计算方法。

背景技术

按照《全国重要江河湖泊水功能区划(2011-2030年)》，水功能区划分为两级体系。一级区划在宏观上调整水资源开发利用与保护的关系，协调地区间关系，同时考虑持续发展的需求；水功能一级区分四类，即保护区、保留区、开发利用区、缓冲区。二级区划主要针对开发利用区来细化水域使用功能类型及功能排序，协调不同用水行业间的关系；水功能二级区将一级区划的开发利用区具体划分为饮用水源区、工业用水区、农业用水区、渔业用水区、景观娱乐用水区、过渡区、排污控制区七类。各类型水功能区纳污能力计算的总体要求如下：

(1)保护区和保留区

对于水质现状已达到水功能区水质目标要求的,原则上是维持现状水质不变,采用污染负荷法核定其纳污能力。对于需要改善水质的,需要通过模型计算来核定其纳污能力。

(2)缓冲区

对于水质较好,达到水功能区水质目标要求、用水矛盾不突出的缓冲区,采用污染负荷法,将现状污染物入河量核定为其纳污能力。对于水质较差需要改善水质,或存在用水矛盾的缓冲区,根据水质目标及设计水文条件,用纳污能力计算值核定为其纳污能力。

(3)开发利用区

开发利用区根据各二级水功能区的水文设计条件、水质目标和模型参数,按水质模型进行计算并核定出纳污能力。

现有寒区流域水功能区纳污能力计算方法以枯水期流量作为核定设计流量的依据，但没有考虑寒区流域枯水期同时也是冰封期，而冰封期的河流冰封以及低水温会对水体的自净能力产生较大影响，从而影响了寒区流域水功能区纳污能力。

发明内容

本发明专利的目的在于提供

一种冰封期水功能区纳污能力计算方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、构建水功能区纳污能力一维水质模型：

$C_x=C_0\exp (-\mathrm{KL}/u)+\frac{p}{Q}\exp (-\mathrm{Kx}/u)---(5-2)$

C_x——下断面污染物浓度，mg/L；C₀——初始断面的污染物浓度，单位mg/L；L——计算河段长度，单位m；u——设计流量下河道断面的平均流速，单位m/s；K——污染物综合衰减系数，单位1/s；p——污染物入河速率，单位g/s；Q——水功能区设计流量，单位m³/s；x——河段排污口距下断面的纵向距离，单位m；

步骤二、计算河段最大纳污能力：

令C_x＝C_s，解得计算河段最大纳污能力为：

M＝[C_s-C₀exp(-KL/u)]·Q·exp(Kx/u)    (5-3)

式中，C_s——下断面污染物目标浓度，M——水功能区纳污能力，单位g/s；

步骤三、污染物综合衰减系数K的计算：

不同水温条件下K值估算关系式如下：

K_t＝K₂₀·θ^(T-20)    (5-4)

式中：K_t——T℃时的K值，单位1/d；T——水温，单位℃，冰封期取值为0℃；K₂₀——20℃时的K值，1/d；θ——温度系数，工业废水一般在1.03-1.1的范围内；

步骤四、设计流量下河道断面的平均流速u：

$u=\frac{1}{n}{R}^{2/3}{i}^{1/2}---(5-6)$

$R=\frac{A}{b+2h\sqrt{1+m^2}}---(5-7)$

$i=\frac{\mathrm{\Δz}}{L}---(5-8)$

其中，A为过流断面面积，b为过流断面概化为等腰梯形后的底宽，m为概化断面的边角余切值，h为过流断面水深，R为水力半径，以上各项参数均指能代表整个水功能区的平均值；n为曼宁系数；i为计算水功能区的平均坡降，Δz为水功能区上下断面高程差，根据各水功能区上、下断面所在子流域的高程数据作差求得；

步骤五，水功能区设计流量Q的计算方法：

根据步骤四中所得出的u值，得出，

Q＝uA＝u·(b+h·m)·h    (5-5)

该方法还包括以下步骤：

曼宁系数计算方法

$n_c={\left(\frac{n_b^{3/2}+n_i^{3/2}}{2}\right)}^{2/3}---(5-9)$

式中，n_c综合糙率值；n_b和n_i分别为河床、冰盖糙率值，其中河床糙率值可查阅流域水文年鉴，冰盖糙率值一般在0.02～0.04左右。

有益效果：

寒区冰封期往往是一年中径流量最小、水体自净能力最差的时期，同时污水处理厂的处理能力受微生物活性的影响也会降低，这些因素均对冰封期水质安全构成重大威胁，有必要单独针对冰封期开展水功能区纳污能力计算，以保障冰封期水质安全。本专利根据冰封期河道汇流和污染物降解特征，在冰封期水功能区纳污能力计算中对相关参数进行了修正，提出了一种适合寒区河流冰封期水功能区纳污能力计算的方法，对于针对寒区冰封期水环境风险进行分析和调控具有重要意义。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

由于松花江流域河流冰封枯水期水量减少，河道变窄，使得河道流量和流速较小，所以水功能区纳污能力采用一维水质模型进行计算。

在没有外来废污水排入时，计算河段下断面污染物浓度按式(5-1)计算：

$C_x=C_0\exp (-K\frac{L}{u})---(5-1)$

式中：C_x——下断面污染物浓度，mg/L；C₀——初始断面的污染物浓度，mg/L；L——计算河段长度，m；u——设计流量下河道断面的平均流速，m/s；K——污染物综合衰减系数，1/s。

当计算河段距下断面距离为x处有污水排入时，下断面的污染物浓度按式(5-2)计算:

$C_x=C_0\exp (-\mathrm{KL}/u)+\frac{m}{Q}\exp (-\mathrm{Kx}/u)---(5-2)$

式中：m——污染物入河速率，g/s；Q——水功能区设计流量，m³/s；x——排污口距下断面的纵向距离，m；其他符号意义同前。

令C_x＝C_s，解得计算河段最大纳污能力为：

M＝[C_s-C₀exp(-KL/u)]·Q·exp(Kx/u)    (5-3)式中，C_s——下断面污染物目标浓度，M——水功能区纳污能力，g/s；其他符号意义同前。

冰封期主要参数计算方法

(1)上、下断面污染物目标浓度

下断面污染物目标浓度C_s为所在水功能区目标水质对应的污染物浓度，上断面污染物目标浓度C₀为上一水功能区目标水质对应的污染物浓度，对于江河源头水功能区，C₀取值为零。对于主要污染物COD和氨氮，根据地表水环境质量标准(GB 3838-2002)，各级水质对应的浓度如表5-7所示。

表5-7各类别水质对应的COD、氨氮浓度(单位：mg/L)

(2)污染物综合衰减系数

本研究采用的松花江流域污染物综合衰减系数来自于《松辽流域水资源保护“十一五”规划》相关成果，各水功能区COD、氨氮的综合衰减系数为夏季(水温20℃)时测定。而水温是影响降解系数的一个重要因素，水体温度高，降解系数大，二者之间定量关系已经有较为可靠的研究成果。寒区冰封期河道内水体接近0℃，对降解系数影响不容忽视。

不同水温条件下K值估算关系式如下：

K_t＝K₂₀·θ^(T-20)    (5-4)

式中：K_t——T℃时的K值，1/d；T——水温，℃，冰封期取值为0℃；K20——20℃时的K值，1/d；θ——温度系数，工业废水一般在1.03-1.1的范围内,本研究取1.05的保守中值。

(3)水功能区长度

水功能区长度L取自于《全国重要江河湖泊水功能区划(2011-2030年)》中松花江流域内各河流水功能区长度数据，未列入全国重要江河湖泊水功能区的水功能区长度取自松辽流域水功能区断面复核成果。

(4)设计流量

基于分布式水文模型的水功能区设计流量计算方法见5.1节。为了更准确地模拟冰封期流量，对模型模拟的河道径流量进行了河道冻结与融化水量的修正，根据修正后径流量数据进行水功能区设计流量的核算。修正方法简述如下：采取分三级区设置最大冻深的方式，初冻时间定为日平均气温连续5天低于-5℃，最大冻深日期设置为最低日平均气温10天后，解冻日期设置为日平均气温高于0℃之后10天，解冻时的冰层厚度设置为最大冻深的2/3。在初冻与最大冻深日期之间，水流每日按均匀速度冻结，不参与河道汇流。在最大冻深与解冻日期之间，冰层每日按均匀速度解冻，参与河道汇流。在解冻日期，所有冰层水量释放，参与河道汇流。当最大冻深超过河道水深时，发生连底冻，河道流量减为零，河道新增汇流全部冻结进入冰层。

(5)排污口距下断面距离

排污口距下断面距离x利用地理信息系统中排污口距水功能区下断面距离确定。当水功能区中只有一个排污口时，x即为该排污口至下断面距离；当有多个排污口时，x取最上游排污口距离与最下游排污口距离的算术平均值；当水功能区内没有排污口时，x取水功能区长度的一半，即L/2。

(6)设计流量下河道断面的平均流速

设计流量下河道断面的平均流速根据以下方程联立求解

Q＝uA＝u·(b+h·m)·h    (5-5)

$u=\frac{1}{n}{R}^{2/3}{i}^{1/2}---(5-6)$

$R=\frac{A}{b+2h\sqrt{1+m^2}}---(5-7)$

$i=\frac{\mathrm{\Δz}}{L}---(5-8)$

其中，A为过流断面面积，b为过流断面概化为等腰梯形后的底宽，m为概化断面的边角余切值，h为过流断面水深，R为水力半径，以上各项参数均指能代表整个水功能区的平均值，具体计算方法见主要参数(7)；n为曼宁系数，关于河流冰封对其的影响见主要参数(8)；i为计算水功能区的平均坡降，Δz为水功能区上下断面高程差，根据各水功能区上、下断面所在子流域的高程数据作差求得。

(7)水功能区过流断面相关参数

水功能区过流断面相关参数的计算重点是确定能代表水功能区所在河段的平均断面形状，然后根据式5-5至5-8联立求解过流水深，即可实现各项参数的计算，进而求得水功能区设计流量下的平均流速。本研究将河道断面统一概化为等腰梯形，决定河道断面形状的主要参数即为底宽b和边角余切值m。建立各个三级区河道断面面积与现状参数与断面汇流面积之间的关系，取水功能区上下断面汇流面积的均值作为该水功能区代表断面的汇流面积，进而求得水功能区代表断面的底宽和边角余切参数。

(8)曼宁系数

河渠冰期水流运动与污染物归趋现象是一个非常复杂的水动力与水质过程。仅河渠冰盖形成是一个非常复杂的物理过程，其发展方程包括：1)水流的热扩散方程；2)冰花的扩散方程；3)冰盖下水流的输冰能力；4)水面浮冰的输运方程；5)冰盖和冰块厚度的发展方程等五大方程。为了简化模拟计算，将冰盖对河道水流的影响概化为封冻河道阻力项的影响，也就是综合考虑河床糙率和冰盖糙率对水流的影响。因此，冰封期河道汇流模型就是在圣维南方程组的基础上，考虑水流内部及边界的摩阻损失的方程，即

$n_c={\left(\frac{n_b^{3/2}+n_i^{3/2}}{2}\right)}^{2/3}---(5-9)$

式中，n_c综合糙率值；n_b和n_i分别为河床、冰盖糙率值。

综上即可得出冰封期水功能区纳污能力。

应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (2)

1.一种冰封期水功能区纳污能力计算方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、构建水功能区纳污能力一维水质模型：

$C_x=C_0\exp (-\mathrm{KL}/u)+\frac{p}{Q}\exp (-\mathrm{Kx}/u)---(5-2)$

C_x——下断面污染物浓度，mg/L；C₀——初始断面的污染物浓度，单位mg/L；L——计算河段长度，单位m；u——设计流量下河道断面的平均流速，单位m/s；K——污染物综合衰减系数，单位1/s；p——污染物入河速率，单位g/s；Q——水功能区设计流量，单位m³/s；x——河段排污口距下断面的纵向距离，单位m；

步骤二、计算河段最大纳污能力：

令C_x＝C_s，解得计算河段最大纳污能力为：

M＝[C_s-C₀exp(-KL/u)]·Q·exp(Kx/u)    (5-3)

式中，C_s——下断面污染物目标浓度，M——水功能区纳污能力，单位g/s；

步骤三、污染物综合衰减系数K的计算：

不同水温条件下K值估算关系式如下：

K_t＝K₂₀·θ^(T-20)    (5-4)

式中：K_t——T℃时的K值，单位1/d；T——水温，单位℃，冰封期取值为0℃；K₂₀——20℃时的K值，1/d；θ——温度系数，工业废水一般在1.03-1.1的范围内；

步骤四、设计流量下河道断面的平均流速u：

$u=\frac{1}{n}{R}^{2/3}{i}^{1/2}---(5-6)$

$R=\frac{A}{b+2h\sqrt{1+m^2}}---(5-7)$

$i=\frac{\mathrm{\Δz}}{L}---(5-8)$

其中，A为过流断面面积，b为过流断面概化为等腰梯形后的底宽，m为概化断面的边角余切值，h为过流断面水深，R为水力半径，以上各项参数均指能代表整个水功能区的平均值；n为曼宁系数；i为计算水功能区的平均坡降，Δz为水功能区上下断面高程差，根据各水功能区上、下断面所在子流域的高程数据作差求得；

步骤五，水功能区设计流量Q的计算方法：

根据步骤四中所得出的u值，得出，

Q＝uA＝u·(b+h·m)·h    (5-5)。

2.如权利要求1所述的一种冰封期水功能区纳污能力判别方法，其特征在于该方法还包括以下步骤：

曼宁系数计算方法

$n_c={\left(\frac{n_b^{3/2}+n_i^{3/2}}{2}\right)}^{2/3}---(5-9)$

式中，n_c综合糙率值；n_b和n_i分别为河床、冰盖糙率值，其中河床糙率值可查阅流域水文年鉴，冰盖糙率值一般在0.02～0.04左右。