CN107657912A - 一种基于Mike11的河流水环境容量确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Mike11的河流水环境容量确定方法，针对现有河流水环境容量计算方法精度较低且不能用于计算动态水环境容量，引入动态水环境容量概念方法，避免因不考虑水文条件是个变化的过程导致容量计算结果不精确的问题。首先，利用原始数据并采用MIKE11软件的HD和AD模块，建立水量水质模型，模拟计算河道中污染物的时空分布，得到河道各功能区控制断面的化学需氧量COD、总磷TP和氨氮的浓度；然后，采用一维水环境容量模型计算各功能区在保证率分别为70、80和90％下设计流量的化学需氧量COD、总磷TP和氨氮的自然水环境容量。本发明提高了水环境容量计算的精确度，有利于河流生态环境的管理。

Description

一种基于Mike11的河流水环境容量确定方法

技术领域

本发明涉及污染减排与污染物排放总量控制等环境管理邻域，特别是一种MIKE11技术支持下的河流水环境容量计算方法，其中，所述的河流是指相连通的河流。

背景技术

水环境容量是水功能区水质目标管理的基本依据，是水资源保护规划的主要约束条件，是实施水污染物总量控制的依据，也是水环境管理的基础。20世纪70年代，“环境容量”概念进入我国，到1988年，张永良等提出了“水环境容量”的简明定义:水体环境在规定的环境目标下所能容纳的污染物量。自此以后，虽有不少新的关于水环境容量的定义，但其本质含义大同小异。本文中水环境容量的计算就依据张永良提出的概念来计算。

目前，水环境容量的计算方法主要分确定性方法和不确定性方法两大类。(1)确定性方法以机理性水质模型为主要工具，主要包括解析公式法、模型试错法、和模拟优化法，不确定性因素通过限制性条件引入，表达对安全及控制风险的要求，计算结果为定值。解析公式法采用稳态水质模型直接计算，工作量小，应用最广，但精度较低且不能用于计算动态水环境容量。模型试错法采用动态水质模型反复测算，计算精度高，但计算效率相对较低。基于规划理论的模拟优化方法，将模拟方法与优化方法有机结合，方法灵活，能够大幅度提高效率和精度，美国常用该方法施行总量控制的TMDL(Total Maximum Daily Loads)计划，但其容量与总量的概念几乎为同义语，不同于国内水环境容量的内涵，它更强调污染物总量分配。(2)不确定性方法从不确定性角度分析与计算某种可信度水平下的水环境容量或容量的取值范围，其中以确定性模型为基础的水质随机过程方法、随机微分方程模型法和灰色(参数)水质规划法，由于区间取值对分配的限制和数学处理的复杂性等原因，应用并不广泛。近年来，未确知数学盲数理论和三角模糊技术等非确定性方法的引入为水环境容量研究提供了新思路和新方法，但是需要采用实测数据确定变量或参数的分布，实际应用中技术难度相对较大。

水环境容量计算以数学模型为基本技术手段。依据污染物类型的不同，可将水环境容量模型分为易降解有机物水环境容量模型、难降解有机物水环境容量模型、重金属水环境容量计算模型和水环境热容量计算模型。按照水环境容量公式所采用的水质数学模型维数的不同，又可将水环境容量模型分为零维水环境容量模型、一维水环境容量模型和二维水环境容量模型。不同的计算模型有其各自的适用条件，如:零维模型适用于污染物均匀混合的小河段(河流)及网河流域；一维模型适用于河道宽深比不大，污染物质在较短时间内能在横断面上混合均匀的中小型河段(河流)；二维模型适用于河道宽度较大，且平面距离显著大于垂向距离，致使污染物在横断面上分布极不均匀的河段(河流)，或者宽度虽然不大，但是存在某些特殊功能需求的河流(如鱼类的洄游通道)。

目前尚未有在不同水文条件下计算水环境容量的专利，随着人们生态环境保护意识的加强，社会对水环境质量的重视，控制排入水体的污染物和改善水体质量已成为当前社会稳定发展的迫切需要，促使环境容量计算方法不断改进。因此，在利用MIKE11软件计算河流水环境容量方法的基础上，得到不同设计水文条件下的水环境容量，并使之高效、经济、广泛的应用于水污染物总量控制具有非常现实的意义。

发明内容

针对现有的河流水环境容量计算方法存在的不足，本发明要解决的技术问题是建立新的确定河流水环境容量的一种MIKE11技术支持下的河流水环境容量的计算方法，不仅能够克服河流水环境容量计算时因水文等资料缺乏所造成的无从下手的问题，还可以避免因不考虑水文条件是个变化的过程导致容量计算结果不精确的问题，提高水环境容量计算的精确度，有利于河流生态环境的管理。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于Mike11的河流水环境容量确定方法，步骤如下：

步骤一、收集原始数据，至少包括河流水文、气象、化学需氧量COD、总磷TP和氨氮的浓度；

步骤二、利用步骤一收集到的初始数据采用MIKE11软件的水动力模块HD和水质模块AD，建立水量、水质模型，模拟计算河道中污染物的时空分布，分别得到河道各功能区控制断面的化学需氧量COD浓度、总磷TP浓度和氨氮的浓度，均用C_控制表示；

步骤三、采用一维水环境容量模型分别计算各功能区不同保证率下设计流量的化学需氧量COD、总磷TP和氨氮的自然水环境容量，均用M表示，M＝86.4×(Cs/α－C_控制)×Q，式中：自然水环境容量M的单位是kg·d^-1；Cs为功能区水质目标，分别代入化学需氧量COD浓度、总磷TP浓度和氨氮的浓度，其单位是mg·L^-1；α为稀释流比，α＝Q/(Q+q)；Q为上游断面设计流量，其单位是m³·s^-1；q为区间旁侧入流量，其单位是m³·s^-1；C_控制的单位是mg·L^-1。

进一步讲，步骤三中，保证率为70％～90％。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明与传统水环境容量计算方法相比，利用MIKE11技术的支持模拟现实河流状态，计算在不同设计水文条件下的河流水环境容量，能更加准确的确定河流水环境容量，具有科学、简单实用与适用范围广，可更加科学地指导水环境管理，实现对河流的环境保护。

附图说明

图1为本发明基于Mike11的河流水环境容量确定方法的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

如图1所示，本发明提出的一种基于Mike11的河流水环境容量确定方法，本发明的设计思路是，采用MIKE11软件的HD+AD模块，建立研究河段的水量水质模型，模拟计算河道中污染物的时空分布，得到各功能区控制断面COD、TP和氨氮的浓度(C_控制)，然后采用一维水环境容量模型计算各功能区不同设计水文条件下的COD、TP和氨氮自然水环境容量。具体步骤如下：

步骤一、收集原始数据，至少包括河流水文、气象、化学需氧量COD、总磷TP和氨氮的浓度。

步骤二、利用步骤一收集到的初始数据采用MIKE11软件的水动力模块HD构建河道的水动力模型，并通过调整横向混合系数调试该水动力模型，采用MIKE11软件的水质模块AD构建河道的水质模型，并通过调整综合降解系数调试该水质模型，从而模拟计算河道中污染物的时空分布，进而分别得到河道各功能区控制断面的化学需氧量COD浓度、总磷TP浓度和氨氮的浓度，均用C_控制表示。

步骤三、采用一维水环境容量模型分别计算各功能区不同保证率下设计流量的化学需氧量COD、总磷TP和氨氮的自然水环境容量，均用M表示，M＝86.4×(Cs/α－C_控制)×Q，式中：自然水环境容量M的单位是kg·d^-1；Cs为功能区水质目标，其单位是mg·L^-1；α为稀释流比，α＝Q/(Q+q)；Q为上游断面设计流量，其单位是m³·s^-1；q为区间旁侧入流量，其单位是m³·s^-1；C_控制的单位是mg·L^-1。

在具体计算过程中，步骤二中得出的是三个分别表示河道各功能区控制断面的化学需氧量COD浓度、总磷TP浓度和氨氮的浓度的C_控制，同理，在步骤三中，需要将上述的三个C_控制分别代入M＝86.4×(Cs/α－C_控制)×Q式中，最终得到的是各功能区在不同保证率下设计流量的化学需氧量COD自然水环境容量、总磷TP自然水环境容量和氨氮的自然水环境容量。

本发明的设计中，考虑到由于河流的水环境容量并不是一个稳定的阈值，而是随水文条件的变化而不断变化的，故在汛期以单一水环境容量来限制污染入河量，并不能满足河流的水环境管理要求。因此，本发明中引入动态水环境容量概念，对河流不同功能区段不同设计水文条件下的水环境容量进行计算和分析，为污染物入河总量控制方案的制定提供可行的技术依据。由于每年的汛期流量差别比较大，流量越大，水环境容量M越大，所以水环境容量有个动态变化的过程。常规河流水环境容量的计算，多在单一设计流量前提下进行，通常将90％保证率月平均流量作为设计流量。如果以单一设计流量条件下的水环境容量来限制丰水期污染物排放量，会导致水环境容量浪费，增加污水处理成本。因此本发明中采用多个设计水文条件(即不同保证率下的设计流量)，来计算动态水环境容量，让决策者更好的根据当年情况来选择采用哪个水环境容量。因此，本发明考虑了在保证率分别为70％、80％或是90％下设计流量的化学需氧量COD、总磷TP和氨氮的自然水环境容量M。

实施例1：基于Mike11确定海河干流上游段各功能区水环境容量。

海河干流上游段，为海河三岔口(由北运河(古称潞河)、南运河(古称卫河)汇集注入海河而得名)至海河桥段，研究的区域是金刚桥至海河桥，行政区划涉及天津市红桥区、河北区、南开区、和平区、河西区、河东区等区县的行政区域，全长12km，河道宽度为85-200m。该段主要有两条支流分别是复兴河和月牙河。

水质模型参数的确定和取值是否符合客观实际，关系到计算结果是否准确合理。直接反映水功能区水环境容量动态变化的参数是计算水功能区动态环境容量的关键参数，主要有设计流量、综合降解系数(K)和排污口位置。该模型建立所需资料和参数主要由查阅文献和实测得来。

设定的水质改善目标为：实现海河干流上游段水质达到COD_Cr≤30mg/L、氨氮≤2mg/L，总磷≤0.3mg/L；中游段水质达到COD_Cr≤40mg/L、总磷≤0.4mg/L、氨氮≤4mg/L，全年非汛期水质达标率不低于80％。

由于上游河道水质要求是一致的，因此不能按照水质功能划分分区，这里将以监测断面为界将上游河段划分成四个区域分别是金刚桥到津湾广场段，津湾广场到直沽桥段，直沽桥到国泰桥段，国泰桥到海河桥段。因为我们的目标是使每个断面都达标，所以有必要以监测断面为界将海河上游河段划分成四个功能区。

表1海河上游河段区域划分

河网文件是模型的基础，将网上下载的海河上游河段流域图加载至MIKE11河网编辑器作为底图，按照底图中的海河上游河道走向，连接各点生成河网文件。由于没有实测断面数据，查阅了相关文献采用100m河道宽度；河道平均深度为4m；截面平均流速为0.05m/s；水力坡度为I＝0.002；横向混合系数M_y＝0.174。经过格式处理后形成模型断面文件。由于也缺少河道糙率数据所以这里采用试错法，最后得到糙率为0.03。

边界条件是模型计算的先决条件。上游边界为各功能区的初始断面，采用不同时段的90％,80％,70％保证率设计流量。水质边界条件采用前一个功能区的水质目标作为待计算功能区的上游边界条件。天津水文站保存有1995～2015年长系列水文资料，选用实测月平均流量作为设计流量的计算系列；采用水文频率分析法对多年汛期月平均流量进行分析。各分区控制断面设计流量采用水文比拟法计算得到，海河上游河段各分区初始断面90％，80％,70％保证率设计流量见表2。

表2海河上游河段不同保证率设计流量

海河上游河段的污染物主要为氨氮、TP和COD。根据研究河段污染源调查和水质评价结果，氨氮、TP和COD是污染最普遍、最严重的3个因子，故确定COD、TP和氨氮3项指标来表征海河上游河段水质状况，作为海河上游河段水环境容量计算的控制因子。由于计算的是汛期的水环境容量，汛期时流量比年平均大，K值应该比其他月份的大。采用经验法初选K值后，将2014年6月26日到2014年9月28日的实测资料作为汛期条件，通过调整汛期K值，使金钢桥、津湾广场、直沽桥、国泰桥、学苑北路断面模型模拟值和实测值尽量吻合(表3)，率定得到汛期COD综合降解系数(K_COD)为0.016d^-1，氨氮综合降解系数(K_氨氮)为0.015d^-1，TP综合降解系数为(K_TP)为0.014d^-1。

表3汛期综合降解系数率定中各断面实测值和模拟值比较

由表2中不同保证率月平均流量作为模型计算的上游边界条件，利用建立的MIKE11水量水质模型，模拟计算得到4个分区末端控制断面COD、TP和氨氮浓度(C_控制)。根据之前提到的公式计算得到各功分区水环境容量，由汛期90％，80％，70％保证率月平均流量计算得到各功能区水环境容量。

表4海河上游河段汛期不同保证率下的水环境容量

总之，本发明与常规水环境容量计算方法相比，本方法利用MIKE11技术的支持尽可能准确模拟现实河流水量水质变化，计算不同设计水文条件下的水环境容量，所得到的水环境容量更加贴近实际，可以使环境管理更加具有科学性和针对性，有效用于对河流环境管理、保护。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种基于Mike11的河流水环境容量确定方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一、收集原始数据，至少包括河流水文、气象、化学需氧量COD浓度、总磷TP浓度和氨氮的浓度；

步骤二、利用步骤一收集到的初始数据采用MIKE11软件的水动力模块HD和水质模块AD，建立水量、水质模型，模拟计算河道中污染物的时空分布，分别得到河道各功能区控制断面的化学需氧量COD浓度、总磷TP浓度和氨氮的浓度，均用C_控制表示；

步骤三、采用一维水环境容量模型分别计算各功能区不同保证率下设计流量的化学需氧量COD、总磷TP和氨氮的自然水环境容量，均用M表示，

M＝86.4×(Cs/α－C_控制)×Q

式中，自然水环境容量M的单位是kg·d^-1；Cs为功能区水质目标，其单位是mg·L^-1；α为稀释流比，α＝Q/(Q+q)；Q为上游断面设计流量，其单位是m³·s^-1；q为区间旁侧入流量，其单位是m³·s^-1；C_控制的单位是mg·L^-1。

2.根据权利要求1所述基于Mike11的河流水环境容量确定方法，其中，步骤三中，保证率为70％～90％。