CN108549744A - 一种河流水环境容量分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种河流水环境容量分配方法，具体包括以下步骤：步骤1、根据目标河流的水环境功能区划资料进行河流控制断面的划分，得到多个控制断面；建立目标河流一维的水动力模型控制方程及水质数值模型；步骤2、利用步骤1得到的水动力模型控制方程及水质数值模型计算点源或支流与控制断面之间的污染物响应系数，建立响应矩阵；步骤3、建立目标河流得优化目标函数，并结合步骤2所得到的响应矩阵得出各支流或点源的污染物最大排放浓度。通过建立点源或支流与控制断面之间的污染物响应矩阵，并结合线性规划模型，实现河流水环境容量的优化分配，得到点源及支流的污染物允许排放量，为管理部门提供科学依据。

Description

一种河流水环境容量分配方法
技术领域
本发明属于环境保护技术领域，涉及一种河流水环境容量分配方法。
背景技术
水环境容量是指水体在规定的环境目标下所能容纳的最大污染物总量，反映了污染物在环境中的迁移、转化规律，它是衡量水体的水环境承载能力的一个重要指标。一般情况下，某一水体的水环境容量的大小主要取决于水体特性、水质目标和污染物的特性等因素。通过研究水体的水环境容量来实现对水体的水环境质量的控制，已经成为了现代水环境保护和规划的依据。现有的河流水环境容量研究主要关注于河流水环境容量的评估计算，未涉及到水环境容量的定量优化分配。
发明内容
本发明的目的是提供一种河流水环境容量分配方法，能得到支流或点源的最优分配排放污染物的量。
本发明所采用的技术方案是，一种河流水环境容量分配方法，具体包括以下步骤：
步骤1、根据目标河流的水环境功能区划资料进行河流控制断面的划分，得到河流控制断面；建立目标河流一维的水动力模型控制方程及水质数值模型；
步骤2、利用步骤1得到的水动力模型控制方程及水质数值模型计算点源或支流与控制断面之间的污染物响应系数，建立响应矩阵；
步骤3、建立目标河流的优化目标函数，并结合步骤2所得到的响应矩阵得出各支流或点源的污染物最大排放浓度。
本发明的特点还在于，
步骤1中，水动力模型控制方程为：
水质模型控制方程为：
上式中，K为流量模数，n为曼宁系数，R为水力半径，t为时间坐标，x为空间坐标，Q为断面的流量，u为断面平均流速，g为重力加速度，z为控制断面的平均水位，q为单位河长侧向入流量，流入为正，流出为负，A为过流断面面积，B为水面宽度，K1为污染物降解系数，Cs为控制断面浓度，S为源汇项，Ex为纵向扩散系数；
步骤2的具体步骤如下：
先依次分别在每个点源或支流j处进行单位浓度的污染物排放，再对步骤2中的河流一维的水动力模型控制方程和水质模型控制方程求解计算出各控制断面i的浓度值Csi，根据公式
Csi＝Cpαij (4)；
可知Csi即为污染物响应矩阵中αij的值，最终，可得到目标河流控制断面j 对点源或支流i的污染物响应矩阵αij：
式(5)中，i＝1，…，M，M为控制断面数量，j＝1，…，N，N为点源或支流数量。
步骤2中：河流一维的水动力模型控制方程和水质模型控制方程求解方法为有限差分法或有限体积法。
步骤3的具体步骤如下：
依据总排放量最大的原则，建立目标河流排入干流的污染物总量TC的目标函数，并确定其约束条件，目标函数为：
约束条件为：
Cpj≥0 j＝1,…,N (8)；
上式中，Qj为点源或支流的流量值，Cs为污染物水质标准；
先将满足式(7)和(8)的排放污染物浓度Cpj代入式(6)中，得到污染物总量TC，再选出污染物总量TC的最大值，则其对应的排放污染物浓度Cpj，即为各支流或点源的污染物最大排放浓度Cpj。
本发明的有益效果在于：
本发明的河流水环境容量分配方法，通过建立点源或支流与控制断面之间的污染物响应矩阵，并结合线性规划模型，实现河流水环境容量的优化分配，得到点源及支流的污染物允许排放量，为管理部门提供科学依据。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种河流水环境容量分配方法，具体包括以下步骤：
步骤1、根据水文资料确定目标河流河道上游边界的年均径流流量、各支流或点源的年均入流量，根据目标河流的水环境功能区划资料进行河流控制断面的划分，得到河道的多个控制断面；根据目标河流的地形资料，建立目标河流的一维水动力及水质数值模型；
水动力模型控制方程为：
水质模型控制方程为：
上式中，K为流量模数，n为曼宁系数，R为水力半径，t为时间坐标，x为空间坐标，Q为断面的流量，u为断面平均流速，g为重力加速度，z为控制断面的平均水位，q为单位河长侧向入流量，流入为正，流出为负，A为过流断面面积，B为水面宽度，K1为污染物降解系数，Cs为控制断面浓度，S为源汇项，Ex为污染物纵向扩散系数。
方程(1)和(2)描述了河道中水体的质量守恒和动量守恒，而方程(3) 代表了水体中的污染物量的守恒，其中右边第一项为扩散项，它反映了污染物在水中随着水分子的扩散而发生的变化，右边第二项为对流项，反映了水中污染物随着水体运动而发生的浓度变化，第三项为污染物的降解项，它主要反映污染物本身随时间变化的降解等作用，右边最后一项为源汇项。
步骤2、利用步骤1水动力及水质数值模型计算点源或支流与控制断面之间的污染物响应系数，建立响应矩阵，具体步骤如下：
将步骤1中得到的年均径流流量、各支流或点源的年均入流量作为水动力模型的边界条件，并依次分别在每个点源或支流j处进行单位浓度的污染物排放，此时，其他点源或支流排放污染物浓度为0，再对步骤1中的河流一维的水动力模型控制方程和水质模型控制方程求解计算出各控制断面i的浓度值Csi，根据公式
Csi＝Cpαij (4)；
可知Csi即为污染物响应矩阵中αij的值，最终可得到目标河流控制断面j对点源或支流i的污染物响应矩阵αij：
式(5)中，i＝1，…，M，M为控制断面数量，j＝1，…，N，N为点源或支流数量；
河流一维的水动力模型控制方程和水质模型控制方程求解方法为有限差分法或有限体积法。
步骤3、建立目标河流优化目标函数，得到各支流或点源的污染物优化排放浓度；
具体步骤如下：
依据总排放量最大的原则，建立目标河流排入干流的污染物总量TC的目标函数，并确定其约束条件，目标函数为：
约束条件为：
Cpj≥0 j＝1,…,N (8)；
上式中，Qj为点源或支流的流量值，Cs为污染物水质标准；
先将满足式(7)和(8)的排放污染物浓度Cpj代入式(6)中，得到污染物总量TC，再选出污染物总量TC的最大值，其对应的排放污染物浓度 Cpj，即为各支流或点源的污染物最大排放浓度Cpj。式(7)表示每个控制断面都必须达到水环境功能区划要求浓度值，式(8)表示每个点源或支流的污染物浓度不能为负值。
优化模型中的目标函数还可根据经济效益最大化原则等不同情况建立，约束条件根据目标河流实际水环境要求提出。
实施例
步骤1、根据水文资料确定北运河沙河闸至老米店闸之间区域的上游边界的年均径流流量、各支流或点源的年均入流量，其中包括清河、坝河、小中河、通惠河、凉水河和龙凤河6条一级支流、5个点源以及上游边界(沙河闸)，根据目标河流的水环境功能区划资料以及水环境质量标准设置三个控制断面，北运河干流水功能区段划分如表1所示，地表水质标准如表2所示，划分的控制断面如表3所示：
表1北运河干流水功能区段划分
表2地表水质标准(mg/L)
表3控制断面位置及浓度标准
根据目标河流的地形资料，建立目标河流的河流一维的水动力模型控制方程及水质数值模型；
水动力模型控制方程为：
水质模型控制方程为：
上式中，K为流量模数，n为曼宁系数，R为水力半径，t为时间坐标，x为空间坐标，Q为断面的流量，u为断面平均流速，g为重力加速度，z为控制断面的平均水位，q为单位河长侧向入流量，流入为正，流出为负，A为过流断面面积，B为水面宽度，K1为污染物降解系数，Cs为控制断面浓度，S为源汇项，Ex为纵向扩散系数。
步骤2、将步骤1中得到的年均径流流量、各支流或点源的年均入流量作为水动力模型的边界条件，并依次分别在每个点源或支流j处进行单位浓度的污染物排放，此时，其他点源或支流排放污染物浓度为0，再对步骤1 中的河流一维的水动力模型控制方程和水质模型控制方程采用有限差分法求解计算出各控制断面i的COD和NH3-N的浓度值Csi，根据公式
Csi＝Cpαij (4)；可知Csi即为污染物响应矩阵中αij的值，最终，可得到目标河流控制断面j 对点源或支流i的污染物响应系数αij，如表4及表5所示：S1、S2、S3表示三个控制断面，P1、P2…P12表示12个支流或点源，其中P1为上游边界，即沙河闸；响应矩阵中控制断面S1对点源P4…P12以及控制断面S2对P11、 P12的响应系数为零，这表明这些点源的排放污染物总量对对应的控制断面没有影响，其原因是点源位于控制断面的下游，而北运河属于非感潮河流，其水流不会从下游流向上游。
表4 COD响应矩阵系数
表5 NH3-N响应矩阵系数
步骤3、依据总排放量最大的原则，建立北运河排入干流的污染物总量 TC的目标函数，并确定其约束条件，目标函数为：
约束条件为：
Cpj≥0 j＝1,…,N (8)；
上式中，Qj为点源或支流的流量值，Cs为污染物水质标准，见表2；
优化方案的约束条件包括：各控制断面需满足水环境功能区划，各支流及点源最大排放量不超过现状，各支流及点源最小排放量为现状的50％。
先将满足式(7)和(8)的排放污染物浓度Cpj代入式(6)中，得到污染物总量TC，再选出污染物总量TC的最大值，则其对应的排放污染物浓度Cpj；当排放污染物浓度Cpj为目前排放污染物浓度Cpj的50％时，污染物总量TC最大，故而得出各支流或点源的污染物优化排放浓度Cpj，所以北运河的12个支流及点源的污染物COD和NH3-N的最大排放浓度如表6：
表6各个支流及点源的COD和NH3-N的优化排放浓度

Claims (5)

1.一种河流水环境容量分配方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1、根据目标河流的水环境功能区划资料进行河流控制断面的划分，得到河道的控制断面；建立目标河流一维的水动力模型控制方程及水质数值模型；
步骤2、利用步骤1得到的水动力模型控制方程及水质数值模型计算点源或支流与控制断面之间的污染物响应系数，建立响应矩阵；
步骤3、建立目标河流得优化目标函数，并结合步骤2所得到的响应矩阵得出各支流或点源的污染物最大排放浓度。
2.如权利要求1所述的一种河流水环境容量分配方法，其特征在于，所述步骤1中，水动力模型控制方程为：
水质模型控制方程为：
上式中，K为流量模数，n为曼宁系数，R为水力半径，t为时间坐标，x为空间坐标，Q为断面的流量，u为断面平均流速，g为重力加速度，z为控制断面的平均水位，q为单位河长侧向入流量，流入为正，流出为负，A为过流断面面积，B为水面宽度，K1为污染物降解系数，Cs为控制断面浓度，S为源汇项，Ex为纵向扩散系数。
3.如权利要求1所述的一种河流水环境容量分配方法，其特征在于，所述步骤2的具体步骤如下：
先并依次分别在每个点源或支流j处进行单位浓度的污染物排放，再对步骤2中的河流一维的水动力模型控制方程和水质模型控制方程求解计算出各控制断面i的浓度值Csi，根据公式
Csi＝Cpαij (4)；
可知Csi即为污染物响应矩阵中αij的值，最终，可得到目标河流控制断面j对点源或支流i的污染物响应矩阵αij：
式(5)中，i＝1，…，M，M为控制断面数量，j＝1，…，N，N为点源或支流数量。
4.如权利要求1或3所述的一种河流水环境容量分配方法，其特征在于，所述步骤2中：河流一维的水动力模型控制方程和水质模型控制方程求解方法为有限差分法或有限体积法。
5.如权利要求1所述的一种河流水环境容量分配方法，其特征在于，所述步骤3的具体步骤如下：
依据总排放量最大的原则，建立目标河流排入干流的污染物总量TC的目标函数，并确定其约束条件，所述目标函数为：
所述约束条件为：
Cpj≥0 j＝1,…,N (8)；
上式中，Qj为点源或支流的流量值，Cs为污染物水质标准；
先将满足式(7)和(8)的排放污染物浓度Cpj代入式(6)中，得到污染物总量TC，再选出污染物总量TC的最大值，则其对应的排放污染物浓度Cpj，即为各支流或点源的污染物最大排放浓度Cpj。
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