CN107315912B - 一种中小树枝型河道污染物浓度预测及纳污能力计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中小树枝型河道污染物浓度预测及纳污能力计算方法，确定调查对象水环境功能区的目标值，结合现场调研确定河道水文和水质参数；进行河道干流概化及河道支流概化；进行河道干流污染物浓度、河道干流纳污能力及干流超标长度比例、支流及整体河道污染物浓度的计算及预测。本发明在国内外已有的计算河道污染物浓度和纳污能力方法的基础上，提供了一种中小树枝型河道污染物浓度预测及纳污能力计算方法，可有效应用于中小树枝型河道的水环境管理、污染物浓度预测和水污染的控制，尤其适用于经济欠发达、河道污染较严重地区，具有很强的实用性和广泛的适用性，为中小树枝型河道水环境管理、污染物防治提供理论和技术支撑。
Description
技术领域
本发明涉及河道污染物浓度预测及纳污能力计算方法，尤其涉及一种中小树枝型河道污染物浓度预测及纳污能力计算方法。
背景技术
树枝型河道是指有多条支流汇入干流所形成的类似于树干分支形状的河道，联系众多水域，在天然实际河道中极其常见。树枝型河道接纳了沿途各个汇入点携带的污染物，当各支流汇入干流后，随着水流流动，干流中的污染物浓度变化与分布和纳污能力对河道两岸的环境及周围居民的生活质量影响很大，甚至影响当地的排水、通航等活动。
现阶段对河道污染物浓度预测及纳污能力的研究，侧重于假设单一排放口排放污染物，侧重于假设河道流速和污染物降解系数全局统一。对于中小树枝型河道，不能准确把握其污染物浓度分布及纳污能力，进而影响水环境管理措施的效益，又随《水污染防治行动计划》、《“十三五”生态环境保护规划》等相关规划的提出，污染物排放总量控制应得到重视。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种综合考虑支流携带的污染物、各段干流沿程流速变化及各段干流污染物降解系数变化对河道污染物浓度分布及纳污能力的影响，可应用于各类中小树枝型河道的污染物浓度预测及纳污能力计算方法。
本发明采用的技术方案为：
一种中小树枝型河道污染物浓度预测及纳污能力计算方法，包括以下步骤：
(1)根据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)或当地标准，确定调查对象水环境功能区的目标值Cs，确定河道水文和水质参数；
(2)根据上述的河道水文和水质参数，进行河道干流概化及河道支流概化；
(3)根据污染物浓度预测一维水质模型和完全混合水质模型，进行河道干流污染物浓度预测、河道干流纳污能力计算、干流超标长度比例计算，支流及整体河道污染物浓度预测。
上述步骤(1)中的河道水文和水质参数，包括干流上游来流初始流量Q0、干流上游来流本底浓度C0、干流总长度D、第i条支流汇入点到第i+1条支流汇入点间干流距离li、第i条支流汇入点到第i+1条支流汇入点间干流平均河宽Bi、第i条支流汇入点到第i+1条支流汇入点间干流平均水深Hi、第i条支流汇入点到第i+1条支流汇入点间干流污染物降解系数ki、相邻两条支流间干流的超标长度lii、第i条支流上游来流初始流量q0i、第i条支流上游来流本底浓度C0i、第i条支流的第j个污染源到第j+1个污染源的距离Lij、第i条支流长度Li、第i条支流的第j个污染源流量qij、第i条支流的第j个污染源污染物浓度Cij、第i条支流的平均河宽bi、第i条支流的平均水深hi和第i条支流的污染物降解系数k0i。
上述步骤(2)中河道干流概化，为综合各段干流沿程流速的变化和各段干流污染物降解系数的变化对河道污染物浓度分布及纳污能力的影响，将整体河道概化成干流段尾控制水质达标，且各段干流存在超标长度比例。
一维稳态下纳污能力的计算方法主要有段首控制、段尾控制和功能区末端控制三种，本发明将中小树枝型河道干流概化成段尾控制水质达标。
上述步骤(2)中河道支流概化，为基于一维水质模型，进行支流到达干流汇入点前的浓度预测，和整体河道污染物浓度预测。
上述步骤(3)中所述河道干流污染物浓度预测的步骤如下：
A1、支流排入干流完全混合后的浓度计算
第i条支流上游来流初始流量q0i与第i条支流的j个污染源流量之和qi为第i条支流(流入干流)的流量：
第i条支流汇入点到第i+1条支流汇入点间干流平均流速：
根据污染物浓度预测一维水质模型和完全混合水质模型，在不考虑扩散情况下，第i条支流污染物排入干流，则第i条支流汇入点处支流与干流完全混合后的浓度为：
式(1)中，qi为第i条支流流入干流的流量；式(2)中，ui为第i条支流汇入点到第i+1条支流汇入点间干流平均流速；式(3)中，Ci’为第i条支流污染物与干流完全混合后的浓度；
A2、河道干流污染物浓度预测
根据污染物浓度预测一维水质模型，计算中小树枝型河道干流第i段任一点的浓度：
式(4)中，C(x)为中小树枝型河道干流第i段任一点的浓度，x为污染物浓度预测的断面到第i条支流汇入点间干流的距离，以流向为正方向。
上述步骤(3)中河道干流纳污能力计算步骤如下：
B1、干流污染物到达第i+1条支流汇入点前浓度计算
干流中污染物经过一维降解，到达第i+1条支流汇入点前的干流浓度为：
式(5)中，Ci”为河道干流污染物到达第i+1条支流汇入点前的浓度；
B2、干流第i段河段的纳污能力计算
根据一维稳态下纳污能力段尾控制法，即当污染物进入河道后，要求计算河段段尾处的水质达到相应水环境功能区段的目标值，干流第i段河段的纳污能力为：
式(6)中，Ei为干流第i段河段的纳污能力；
B3、河道总纳污能力计算
式(7)(8)中，E为中小树枝型河道总纳污能力。
上述步骤(3)中干流超标长度比例为：
式(9)中，α为干流超标长度比例；L为干流第1条支流汇入点至计算河段的距离。
上述步骤(3)中支流及整体河道污染物浓度预测计算为：
根据式(1)，第i条支流流量为qi，则第i条支流平均流速为：
根据污染物浓度预测一维方法和完全混合模型，假设第i条支流存在n个污染源，污染物排入第i条支流经过稀释、降解，到达第i条支流干流汇入点前的浓度为：
式(10)中，u0i为第i条支流平均流速，式(11)中，Ci为第i条支流污染物到达第i条支流干流汇入点前的浓度；
式(11)推导方法同样适用于有n条支流汇入的干流，整体河道污染物浓度预测：
式(12)中，C为中小树枝型河道下游控制断面的浓度。
上述中小树枝型河道的支流均在集水范围内，支流均流向干流，即第i+1条支流汇入点位于第i条支流汇入点下游，第i条支流的第j+1个污染源位于第j个污染源下游。
上述干流总长度D为第1条支流汇入点至计算河段的距离；第i条支流长度Li为第i条支流第1个污染源至支流汇入点的距离。
本发明的有益之处在于：
本发明在国内外已有的计算河道污染物浓度和纳污能力方法的基础上，提供了一种中小树枝型河道污染物浓度预测及纳污能力计算方法，通过对河道干流和支流进行概化，同时考虑支流携带的污染物、各段干流沿程流速变化及各段干流污染物降解系数变化对河道污染物浓度分布及纳污能力的影响；进一步通过一维方法对河道干流污染物浓度、河道干流纳污能力、干流超标长度比例，支流及整体河道污染物浓度进行计算和预测。
该方法可有效应用于中小树枝型河道的水环境管理、污染物浓度预测和水污染的控制，尤其适用于经济欠发达、河道污染较严重地区；为中小树枝型河道水环境管理、污染物的治理及预防提供理论和技术支撑。具有很强的实用性和广泛的适用性。
附图说明
图1是本发明的一种中小树枝型河道污染物浓度预测及纳污能力计算方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
一种中小树枝型河道污染物浓度预测及纳污能力计算方法，包括确定调查对象水环境功能区的目标值Cs，结合现场调研确定河道水文和水质参数；河道干流概化及河道支流概化；进行河道干流污染物浓度预测、河道干流纳污能力及干流超标长度比例计算、支流及整体河道污染物浓度预测。
实施该方法时，具体为：
1、确定调查对象水环境功能区的目标值，以《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)或以当地标准确定，记为Cs。
2、现场调研确定河道水文和水质参数，包括干流上游来流初始流量Q0、干流上游来流本底浓度C0、第i条支流汇入点到第i+1条支流汇入点间干流距离li、干流总长度D、第i条支流汇入点到第i+1条支流汇入点间干流平均河宽Bi、第i条支流汇入点到第i+1条支流汇入点间干流平均水深Hi、第i条支流汇入点到第i+1条支流汇入点间干流污染物降解系数ki、相邻两条支流间干流的超标长度lii、第i条支流上游来流初始流量q0i、第i条支流上游来流本底浓度C0i、第i条支流的第j个污染源到第j+1个污染源的距离Lij、第i条支流长度Li、第i条支流的第j个污染源流量qij、第i条支流的第j个污染源污染物浓度Cij、第i条支流的平均河宽bi、第i条支流的平均水深hi和第i条支流的污染物降解系数k0i。
3、河道干流概化，将中小树枝型河道概化成干流段尾控制水质达标且各个分段存在一定的超标长度比例的情况，并同时考虑各段干流沿程流速的变化及各段干流污染物降解系数的变化对河道污染物浓度分布及纳污能力的影响。
4、河道支流概化，基于一维水质模型，预测支流到达干流汇入点前的浓度，同时可实现河道整体污染物浓度预测。
5、河道干流污染物浓度预测：
式(1)中，qi为第i条支流流入干流的流量，式(2)中，ui为第i条支流汇入点到第i+1条支流汇入点间干流平均流速，式(4)中，C(x)为中小树枝型河道干流第i段任一点的浓度，x为污染物浓度预测的断面到第i条支流汇入点间干流的距离。
6、河道纳污能力计算：
式(8)中，E为中小树枝型河道总纳污能力。
7、干流超标长度比例计算：
式(9)中，α为干流超标长度比例；L为干流第1条支流汇入点至计算河段的距离。
8、支流及整体河道污染物浓度预测：
式(10)中，u0i为第i条支流平均流速，式(11)中，Ci为第i条支流污染物到达第i条支流干流汇入点前的浓度；
式(11)推导方法同样适用于有n条支流汇入的干流浓度预测，可实现整体河道污染物浓度预测：
式(12)中，C为中小树枝型河道下游控制断面的浓度。
实施例1：
以某一地区中小树枝型河道为例进行中小树枝型河道污染物浓度预测和纳污能力计算，步骤如下：
(1)确定调查对象水环境功能区的目标值
确定水质目标为《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅱ类水标准，污染物质为BOD5。
(2)现场调研水文水质参数
现场调研河道水文和水质参数，包括河道计算区域为10km，该区域内有两条和干流程度相当的支流汇入其中，干流和支流的平均水深均为1.6m，平均河宽均为12m，干流和支流上游来流BOD5本底浓度均为3.5mg/L，干流上游来流初始流量1.5m3/s，第1条支流初始流量为1.3m3/s，第2条支流初始流量为1.5m3/s，第1条支流汇入点距离第2条支流汇入点4km，第2条支流汇入点距离控制断面6km，污染物降解速度均为0.8/d，第1条支流与第2条支流间干流的超标长度为1km，第2条支流与控制断面间干流的超标长度为1.5km，第1条支流有1个污染源，污染源流量为0.5m3/s，污染源浓度为6mg/L，污染源到第1条支流汇入点的距离为3km，第2条支流有2个污染源，第1个污染源和第2个污染源流量均为0.5m3/s，污染源浓度均为6mg/L，第1个污染源到第2个污染源的距离为3km，第2个污染源到第2条支流汇入点的距离为1.5km等。
(3)河道干流污染物浓度预测
第1条支流流入干流流量为1.8m3/s，干流第1段河段平均流速为0.172m/s，干流第1段河段任一点污染物浓度为：
第2条支流流入干流流量为2.5m3/s，干流第2段河段平均流速为0.302m/s，干流第2段河段任一点污染物浓度为：
(4)河道干流纳污能力计算
干流第1段河段纳污能力为：
干流第2段河段纳污能力为：
该树枝型河道总纳污能力为286.28kg/d。
(5)干流超标长度比例计算
干流超标长度比例为：
(6)支流及整体河道污染物浓度预测
支流污染物浓度预测，第1条支流平均流速为0.094m/s，第1条支流污染物到达第1条支流干流汇入点前的浓度为：
第2条支流平均流速为0.130m/s，第2条支流污染物到达第2条支流干流汇入点前的浓度为：
整体河道污染物浓度预测，中小树枝型河道下游控制断面10km处的浓度为：
与
计算结果相近。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (1)
1.一种中小树枝型河道污染物浓度预测及纳污能力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)或当地标准，确定调查对象水环境功能区的目标值Cs，确定河道水文和水质参数；所述步骤(1)中的河道水文和水质参数，包括干流上游来流初始流量Q0、干流上游来流本底浓度C0、干流总长度D、第i条支流汇入点到第i+1条支流汇入点间干流距离li、第i条支流汇入点到第i+1条支流汇入点间干流平均河宽Bi、第i条支流汇入点到第i+1条支流汇入点间干流平均水深Hi、第i条支流汇入点到第i+1条支流汇入点间干流污染物降解系数ki、相邻两条支流间干流的超标长度lii、第i条支流上游来流初始流量q0i、第i条支流上游来流本底浓度C0i、第i条支流的第j个污染源到第j+1个污染源的距离Lij、第i条支流长度Li、第i条支流的第j个污染源流量qij、第i条支流的第j个污染源污染物浓度Cij、第i条支流的平均河宽bi、第i条支流的平均水深hi和第i条支流的污染物降解系数k0i；
(2)根据上述的河道水文和水质参数，进行河道干流概化及河道支流概化；所述步骤(2)中河道干流概化，为综合各段干流沿程流速的变化和各段干流污染物降解系数的变化对河道污染物浓度分布及纳污能力的影响，将整体河道概化成干流段尾控制水质达标，且各段干流存在超标长度比例；所述步骤(2)中河道支流概化，为基于一维水质模型，进行支流到达干流汇入点前的浓度预测，和整体河道污染物浓度预测；
(3)根据污染物浓度预测一维水质模型和完全混合水质模型，进行河道干流污染物浓度预测、河道干流纳污能力计算、干流超标长度比例计算，支流及整体河道污染物浓度预测；
所述步骤(3)中所述河道干流污染物浓度预测的步骤如下：
A1、支流排入干流完全混合后的浓度计算
第i条支流上游来流初始流量q0i与第i条支流的j个污染源流量之和qi为第i条支流流入干流的流量：
第i条支流汇入点到第i+1条支流汇入点间干流平均流速：
根据污染物浓度预测一维水质模型和完全混合水质模型，在不考虑扩散情况下，第i条支流污染物排入干流，则第i条支流汇入点处支流与干流完全混合后的浓度为：
式(1)中，qi为第i条支流流入干流的流量；式(2)中，ui为第i条支流汇入点到第i+1条支流汇入点间干流平均流速；式(3)中，Ci’为第i条支流污染物与干流完全混合后的浓度；
A2、河道干流污染物浓度预测
根据污染物浓度预测一维水质模型，计算中小树枝型河道干流第i段任一点的浓度：
式(4)中，C(x)为中小树枝型河道干流第i段任一点的浓度，x为污染物浓度预测的断面到第i条支流汇入点间干流的距离，以流向为正方向；
所述步骤(3)中河道干流纳污能力计算步骤如下：
B1、干流污染物到达第i+1条支流汇入点前浓度计算
干流中污染物经过一维降解，到达第i+1条支流汇入点前的干流浓度为：
式(5)中，Ci”为河道干流污染物到达第i+1条支流汇入点前的浓度；
B2、干流第i段河段的纳污能力计算
根据一维稳态下纳污能力段尾控制法，即当污染物进入河道后，要求计算河段段尾处的水质达到相应水环境功能区段的目标值，干流第i段河段的纳污能力为：
式(6)中，Ei为干流第i段河段的纳污能力；
B3、河道总纳污能力计算
式(7)(8)中，E为中小树枝型河道总纳污能力；
所述步骤(3)中干流超标长度比例为：
式(9)中，α为干流超标长度比例；L为干流第1条支流汇入点至计算河段的距离；
所述步骤(3)中支流及整体河道污染物浓度预测计算为：
根据式(1)，第i条支流流量为qi，则第i条支流平均流速为：
根据污染物浓度预测一维水质模型和完全混合水质模型，假设第i条支流存在n个污染源，污染物排入第i条支流经过稀释、降解，到达第i条支流干流汇入点前的浓度为：
式(10)中，u0i为第i条支流平均流速，式(11)中，Ci为第i条支流污染物到达第i条支流干流汇入点前的浓度；
有n条支流汇入的干流，整体河道污染物浓度预测：
式(12)中，C为中小树枝型河道下游控制断面的浓度。
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