CN108665114A - 一种基于虚拟联系的平原河网面源污染水质响应计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于虚拟联系的平原河网面源污染水质响应计算方法，该方法根据平原河网下垫面特征，采用在计算区域与河道间设置“虚拟联系”的方法，分别建立圩区和非圩区的污染物质量平衡方程以及“虚拟联系”过流方程，联立求解得到面源污染随降雨径流的汇集过程。对于圩区面源污染的汇流过程，需要考虑“虚拟联系”在不同水情条件下的调度原则，对于非圩区，“虚拟联系”始终敞开。本发明实现了平原河网区面源污染物向河道汇集过程的计算，提高了该地区面源污染物从源头发生‑河网迁移过程的模拟精度。该方法解决了现有面源污染模型无法模拟平原河网区降雨产污汇流的问题，易于在具有同类水系特征地区的降雨产污水质响应计算中推广应用。
Description
技术领域
本发明属于环境领域，尤其涉及一种基于虚拟联系的平原河网面源污染水质响应计算方法。
背景技术
在发达国家，随着工业和生活污染源等点污染源的有效控制，面源污染己成为水体污染的主要因素。近年来，随着我国对水环境治理力度逐渐加强，点源污染基本得到了有效控制，面源污染对水环境的影响逐渐凸现出来。面源加剧了各类水体的污染，加速了湖泊的富营养化。平原河网地区河道纵横交错、池塘星罗棋布、水体交换频繁，河网水质对随降雨径流迁移的面源污染响应也更为显著和敏感。因此，预测降雨产污过程对河网水质的影响，对于评估不同土地利用方式和管理措施的水环境响应具有重要意义。
为了预测降雨产污对河网水质的影响，需要确定污染负荷向河道的汇流过程，该过程从空间上又可分为坡面汇流和河道汇流两个阶段。在降雨产污模型中，坡面汇流通常采用假设汇流单位线的方法，河道汇流通常采用马斯京根法。但是马斯京根法主要适用于流域上游山丘区，在流域下游，特别是平原河网区，受上游来流和下游潮位顶托的联合作用，马斯京根法的前提条件不成立。加之平原河网区的河道密度高，采用求解动力学方程计算全部河道汇流过程的方法也不现实。此外，平原河网区地势较低，容易遭受洪涝灾害侵袭，为了保护人民生命财产安全，建设了大量的圩堤、闸、泵等工程，将堤坝内的土地与外部河道隔离开，形成圩区，利用闸、泵对圩区水量进行调控，圩区内面源污染入河过程与非圩区存在显著差异。因此，平原河网区降雨产污汇集过程计算需要考虑下垫面特征的差异，然而现有面源污染模型无法模拟平原河网区降雨产污汇集过程。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于虚拟联系的平原河网面源污染水质响应计算方法。通过提出描述平原河网区面源污染物向河道迁移过程的“虚拟联系”法，实现圩区和非圩区面源污染物向周边河道的汇集过程计算，进而解决随降雨径流迁移的面源污染物对平原河网水质影响的计算问题。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于虚拟联系的平原河网面源污染水质响应计算方法，其步骤为：
(1)绘制河网多边形结构图；
(2)在河网多边形内引入“虚拟联系”，建立圩区和非圩区的“虚拟联系”；
(3)根据质量守恒定律，分别建立圩区和非圩区的污染物质量平衡方程；
(4)计算圩区和非圩区面源污染出流过程；
(5)计算圩区和非圩区面源汇流过程；
(6)计算平原河网降雨产污水质响应。
其中，在步骤(1)中，绘制河网多边形结构图方法如下：根据计算区域的水系图，对河网进行概化处理，绘制河网多边形结构图。
其中，在步骤(2)中，在河网多边形内引入“虚拟联系”，建立圩区和非圩区的“虚拟联系”方法如下：对于圩区，“虚拟联系”相当于带有闸门和泵站的宽顶堰；对于非圩区，“虚拟联系”仅相当于宽顶堰，堰的宽度等于与河道相连的所有支浜、沟渠宽度之和；对于每个河网多边形，“虚拟联系”的数量等于构成河网多边形的河道数量。
其中，在步骤(3)中，建立圩区和非圩区的污染物质量平衡方程如下：
根据质量守恒定律，分别建立圩区和非圩区的污染物质量平衡方程，如公式(1)和公式(2)所示。
其中，Ww为圩区的产污过程，kg·d-1；Wo为非圩区的产污过程，kg·d-1；Sw为圩区降雨产污出流过程，kg·d-1；So为非圩区降雨产污出流过程，kg·d-1；Δt为时间步长；Aw为圩区的水面面积，km2；和Zw分别为计算时段初和时段末的圩区水位，m；和Cw分别为时段初和时段末圩区的污染物平均浓度，mg·L-1；Ao为非圩区的水面面积，km2；和Zo分别为时段初和时段末的非圩区水位，m；和Co分别为时段初和时段末非圩区的污染物平均浓度，mg·L-1。
其中，在步骤(4)中，计算圩区和非圩区面源污染出流过程：
当堰流为自由出流时，按公式(3)和公式(4)计算：
当堰流为淹没出流时，按公式(5)和公式(6)计算：
式中：qw为圩区的出流量，m3·s-1；qo为非圩区的出流量，m3·s-1；m为自由出流系数；为淹没出流系数；L为与虚拟联系相连的河道长度，km；α为河道的旁侧过水率，等于支浜、沟渠的宽度之和与河道长度之比；Zl为虚拟联系的底高程，m；Zr为河道的水位，m；Zd为河道的底高程，m。
其中，圩区和非圩区降雨产污出流过程与出流量和污染物浓度的关系如下：
Sw＝86.4×qw×Cw(7)
So＝86.4×qo×Co(8)
其中，在步骤(5)中，计算圩区和非圩区面源汇流过程如下：
①圩区面源汇流过程
当圩区水位高于河道水位，或者河网水位处于枯水季节时，开启虚拟联系的闸门，将公式(1)与公式(3)或公式(1)和公式(5)联立求解，可计算得到圩区的汇污过程；
②非圩区面源汇流过程
将公式(2)和公式(4)或公式(2)和公式(6)联立求解，即可得到非圩区面源污染汇流过程。
其中，在步骤(6)中，计算降雨产污水质响应方法如下：
Cx＝(CpQp+ChQh)/Q+Sp/86.4Q(9)
Q＝Qp+Qh+Qs·x/xs(10)
其中，Cx为河道下游x距离处的污染物浓度，mg·L-1；Cp为点源排放的污染物浓度，mg·L-1；Qp为点源废水排放量，m3·s-1；Ch为河流入流断面污染物浓度，mg·L-1；Qh为河流入流断面流量，m3·s-1；Q为下游x距离处的河流流量，m3·s-1；Sp为随降雨径流汇入河道的面源污染负荷，kg·d-1；Qs为降雨径流出流量，m3·s-1；x为沿程距离，m；xs为河道总长度，m；Sp、Qs分别为平原河网区随降雨径流汇入河道的面源污染负荷和降雨径流出流量，并且将圩区和非圩区降雨产污出流过程Sw和So以及出流量qw和qo相加得到Sp、Qs。
其中，非圩区的“虚拟联系”闸门始终敞开，圩区的“虚拟联系”闸门需根据水利工程调控情况控制启闭：
a.当圩区水位高于河道水位，或者河网水位处于枯水季节时，开启虚拟联系的闸门；
b.当圩区水位高于或等于河道水位，并且圩区的调蓄水深为负时，关闭虚拟联系的闸门，同时通过泵站从河道向圩区引水，使圩区调蓄水深达到20cm，此时没有面源负荷向河道汇集；
c.当圩区水位低于河道水位，并且圩区的调蓄水深为负时，开启虚拟联系的闸门从河道自流引水，使圩区调蓄水深达到20cm，此时没有面源负荷向河道汇集；
d.当圩区水位低于河道水位，并且圩区调蓄水深超过40cm时，关闭虚拟联系的闸门，同时通过泵站排涝，使圩区调蓄水深保持在40cm，此时按泵站排涝模数和污染物浓度计算面源排放量；
e.当圩区水位低于河道水位，并且圩区调蓄水深在40cm以内，关闭虚拟联系的闸门，此时没有面源负荷向河道汇集。
其中，非圩区的“虚拟联系”为宽顶堰，直接与河道相通，没有闸门和泵站，其与河道的水量和污染物交换不受闸泵控制。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明通过引入“虚拟联系”的概念，在面源污染物汇流过程计算中，将污染物质量平衡方程和堰流公式相结合，计算圩区和非圩区与周边河道的面源污染交换过程，充分考虑了河道支流过流能力和泵站排涝模数对面源污染的出流限制。
(2)考虑圩区向周边河道降雨产污汇流要受到闸门和泵站调控的特征，将圩区水利工程调控原则和调度方式作为闸门启闭和泵站排涝的判断条件，实现了圩区面源污染物向周边河道汇流过程计算，提高了平原河网地区降雨条件下河道水质响应模拟精度。
附图说明
图1是本发明的一种基于虚拟联系的平原河网面源污染水质响应计算方法流程图；
图2是某典型平原河网区水系图；
图3是圩区构建的虚拟联系示意图；
图4是非圩区构建的虚拟联系示意图；
图5是降雨产污水质响应计算示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
(1)绘制河网多边形结构图
图2为某典型平原河网区水系图，网状河道形成了若干多边形，称为河网多边形。该地区河道纵横交错，水系构成了典型的网状结构。通过对河网结构进行拓扑分析，生成由相邻河道包围所形成的若干多边形，称为河网多边形。河网多边形内随降雨产生的面源污染汇入周边各条河道。
(2)建立“虚拟联系”
为了计算面源污染汇流过程，以一个河网多边形为例，在其中引入“虚拟联系”。对于圩区，“虚拟联系”相当于带有闸门和泵站的宽顶堰；对于非圩区，“虚拟联系”始终打开，相当于没有闸门和泵站的宽顶堰。堰的宽度等于与河道相连的所有支浜、沟渠的宽度之和。
其中，圩区和非圩区的“虚拟联系”示意图分别如图3和图4所示。对于每个河网多边形，“虚拟联系”的数量等于构成河网多边形的河道数量。图3为图2的局部放大图，图3中的①表示河道，②表示河网多边形中圩区部分的“虚拟联系”，由于圩区通过闸泵与周边河道进行水量交换，因此，圩区的虚拟联系相当于带有闸门和泵站的宽顶堰，闸门和泵站按照调度原则开启和关闭。
图4中的①表示河道，②表示河网多边形中非圩区部分的“虚拟联系”，由于非圩区与周边河道直接进行水量交换，因此，非圩区的“虚拟联系”相当于没有其它水利工程的宽顶堰。
(3)建立污染物质量平衡方程
根据质量守恒定律，分别建立圩区和非圩区的污染物质量平衡方程，如公式(1)和公式(2)所示。
式中：Ww为圩区的产污过程，kg·d-1；Wo为非圩区的产污过程，kg·d-1；Sw为圩区降雨产污出流过程，kg·d-1；So为非圩区降雨产污出流过程，kg·d-1；Δt为时间步长；Aw为圩区的水面面积，km2；和Zw分别为计算时段初和时段末的圩区水位，m；和Cw分别为时段初和时段末圩区的污染物平均浓度，mg·L-1；Ao为非圩区的水面面积，km2；和Zo分别为时段初和时段末的非圩区水位，m；和Co分别为时段初和时段末非圩区的污染物平均浓度，mg·L-1；
(4)建立降雨产污出流方程
根据宽顶堰的堰流公式，分别建立描述圩区和非圩区降雨产污出流方程：
当堰流为自由出流时，按公式(3)和公式(4)计算。
当堰流为淹没出流时，按公式(5)和公式(6)计算。
式中：qw为圩区的出流量，m3·s-1；qo为非圩区的出流量，m3·s-1；m为自由出流系数；为淹没出流系数；L为与虚拟联系相连的河道长度，km；α为河道的旁侧过水率，等于支浜、沟渠的宽度之和与河道长度之比；Zl为虚拟联系的底高程，m；Zr为河道水位，m；Zd为河道底高程，m。
圩区和非圩区降雨产污出流过程与出流量和污染物浓度的关系如下：
Sw＝86.4×qw×Cw(7)
So＝86.4×qo×Co(8)
(5)计算降雨产污出流过程
计算区域内随降雨径流迁移的面源污染是通过支流逐级汇入到概化河道当中的，面源污染的汇流就是解决河网多边形内产生的污染物以何种时间过程流入概化河道。由于圩区面源污染汇流过程要受到闸门和泵站的调控，因此，要与非圩区分开处理。
①圩区面源汇流过程
根据圩区水利工程调控情况，按以下调控原则控制圩区“虚拟联系”的启闭：
a.当圩区水位高于河道水位，或者河网水位处于枯水季节时，开启虚拟联系的闸门。
当堰流为自由出流时，将公式(1)与公式(3)联立求解，可计算得到圩区降雨产污出流过程Sw；
当堰流为淹没出流时，将公式(1)与公式(5)联立求解，可计算得到圩区降雨产污出流过程Sw。
b.当圩区水位高于或等于河道水位，并且圩区的调蓄水深为负时，关闭虚拟联系的闸门，同时通过泵站从河道向圩区引水，使圩区调蓄水深达到20cm，此时没有面源负荷向河道汇集；
c.当圩区水位低于河道水位，并且圩区的调蓄水深为负时，开启虚拟联系的闸门从河道自流引水，使圩区调蓄水深达到20cm，此时没有面源负荷向河道汇集；
d.当圩区水位低于河道水位，并且圩区调蓄水深超过40cm时，关闭虚拟联系的闸门，同时通过泵站排涝，使圩区调蓄水深保持在40cm，此时按泵站排涝模数和污染物浓度计算面源排放速率；
e.当圩区水位低于河道水位，并且圩区调蓄水深在40cm以内，关闭虚拟联系的闸门，此时没有面源负荷向河道汇集。
②非圩区面源汇流过程
非圩区的“虚拟联系”为宽顶堰直接与河道相通，没有闸门和泵站，其与河道的水量和污染物交换不受闸泵控制。
当堰流为自由出流时，将公式(2)和公式(4)联立求解，即可得到非圩区降雨产污出流过程So。
当堰流为淹没出流时，将公式(2)和公式(6)联立求解，即可得到非圩区降雨产污出流过程So。
(6)计算降雨产污水质响应
将圩区和非圩区降雨产污出流过程Sw和So以及出流量qw和qo相加，作为平原河网区随降雨径流汇入河道的面源污染负荷Sp和降雨径流出流量Qs。如图5所示。
由于平原河网区的河宽和水深较小，流速较低，因此可采用河流稀释混合模型预测降雨产污的水质响应，计算公式如下：
Cx＝(CpQp+ChQh)/Q+Sp/86.4Q(9)
Q＝Qp+Qh+Qs·x/xs(10)
其中，Cx为河道下游x距离处的污染物浓度，mg·L-1；Cp为点源排放的污染物浓度，mg·L-1；Qp为点源废水排放量，m3·s-1；Ch为河流入流断面污染物浓度，mg·L-1；Qh为河流入流断面流量，m3·s-1；Q为下游x距离处的河流流量，m3·s-1；Sp为随降雨径流汇入河道的面源污染负荷，kg·d-1；Qs为降雨径流出流量，m3·s-1；x为沿程距离，m；xs为河道总长度，m。图5中两条水平实线表示河网中的某条河道，箭头表示圩区和非圩区的降雨产污面源沿河长均匀汇入河道，黑色三角形表示河道沿岸的点源排污口。
Claims (9)
1.一种基于虚拟联系的平原河网面源污染水质响应计算方法，其包括以下步骤：
(1)绘制河网多边形结构图；
(2)在河网多边形内引入“虚拟联系”；
(3)建立圩区和非圩区的污染物质量平衡方程；
(4)计算圩区和非圩区面源污染出流过程；
(5)计算圩区和非圩区面源汇流过程；
(6)计算平原河网降雨产污水质响应。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟联系的平原河网面源污染水质响应计算方法，其特征在于，在步骤(1)中，绘制河网多边形结构图方法如下：根据计算区域的水系图，对河网进行概化处理，绘制河网多边形结构图。
3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟联系的平原河网面源污染水质响应计算方法，其特征在于，在步骤(2)中，在河网多边形内引入“虚拟联系”，方法如下：建立圩区和非圩区的“虚拟联系”，对于圩区，“虚拟联系”相当于带有闸门和泵站的宽顶堰；对于非圩区，“虚拟联系”仅相当于宽顶堰，堰的宽度等于与河道相连的所有支浜、沟渠宽度之和；对于每个河网多边形，“虚拟联系”的数量等于构成河网多边形的河道数量。
4.根据权利要求1所述的一种基于虚拟联系的平原河网面源污染水质响应计算方法，其特征在于，在步骤(3)中，建立圩区和非圩区的污染物质量平衡方程如下；
根据质量守恒定律，分别建立圩区和非圩区的污染物质量平衡方程，如公式(1)和公式(2)所示。
其中，Ww为圩区的产污过程，kg·d-1；Wo为非圩区的产污过程，kg·d-1；Sw为圩区降雨产污出流过程，kg·d-1；So为非圩区降雨产污出流过程，kg·d-1；Δt为时间步长；Aw为圩区的水面面积，km2；和Zw分别为计算时段初和时段末的圩区水位，m；和Cw分别为时段初和时段末圩区的污染物平均浓度，mg·L-1；Ao为非圩区的水面面积，km2；和Zo分别为时段初和时段末的非圩区水位，m；和Co分别为时段初和时段末非圩区的污染物平均浓度，mg·L-1。
5.根据权利要求4所述的一种基于虚拟联系的平原河网面源污染水质响应计算方法，其特征在于，在步骤(4)中，计算圩区和非圩区面源污染出流过程：
当堰流为自由出流时，按公式(3)和公式(4)计算：
当堰流为淹没出流时，按公式(5)和公式(6)计算：
式中：qw为圩区的出流量，m3·s-1；qo为非圩区的出流量，m3·s-1；m为自由出流系数；为淹没出流系数；L为与虚拟联系相连的河道长度，km；α为河道的旁侧过水率，等于支浜、沟渠的宽度之和与河道长度之比；Zl为虚拟联系的底高程，m；Zr为河道的水位，m；Zd为河道的底高程，m。
其中，圩区和非圩区降雨产污出流过程与出流量和污染物浓度的关系如下：
Sw＝86.4×qw×Cw (7)
So＝86.4×qo×Co (8) 。
6.根据权利要求5所述的一种基于虚拟联系的平原河网面源污染水质响应计算方法，其特征在于，在步骤(5)中，计算圩区和非圩区面源汇流过程如下：
①圩区面源汇流过程
当圩区水位高于河道水位，或者河网水位处于枯水季节时，开启虚拟联系的闸门，将公式(1)与公式(3)或公式(1)和公式(5)联立求解，可计算得到圩区的汇污过程；
②非圩区面源汇流过程
将公式(2)和公式(4)或公式(2)和公式(6)联立求解，即可得到非圩区面源污染汇流过程。
7.根据权利要求1所述的一种基于虚拟联系的平原河网面源污染水质响应计算方法，其特征在于，在步骤(6)中，计算降雨产污水质响应方法如下：
Cx＝(CpQp+ChQh)/Q+Sp/86.4Q (9)
Q＝Qp+Qh+Qs·x/xs (10)
其中，Cx为河道下游x距离处的污染物浓度，mg·L-1；Cp为点源排放的污染物浓度，mg·L-1；Qp为点源废水排放量，m3·s-1；Ch为河流入流断面污染物浓度，mg·L-1；Qh为河流入流断面流量，m3·s-1；Q为下游x距离处的河流流量，m3·s-1；Sp为随降雨径流汇入河道的面源污染负荷，kg·d-1；Qs为降雨径流出流量，m3·s-1；x为沿程距离，m；xs为河道总长度，m；Sp、Qs分别为平原河网区随降雨径流汇入河道的面源污染负荷和降雨径流出流量，并且将圩区和非圩区降雨产污出流过程Sw和So以及出流量qw和qo相加得到Sp、Qs。
8.根据权利要求1所述的一种基于虚拟联系的平原河网面源污染水质响应计算方法，其特征在于，建立圩区和非圩区的“虚拟联系”，非圩区的“虚拟联系”闸门始终敞开，圩区的“虚拟联系”闸门需根据水利工程调控情况控制启闭：
a.当圩区水位高于河道水位，或者河网水位处于枯水季节时，开启虚拟联系的闸门；
b.当圩区水位高于或等于河道水位，并且圩区的调蓄水深为负时，关闭虚拟联系的闸门，同时通过泵站从河道向圩区引水，使圩区调蓄水深达到20cm，此时没有面源负荷向河道汇集；
c.当圩区水位低于河道水位，并且圩区的调蓄水深为负时，开启虚拟联系的闸门从河道自流引水，使圩区调蓄水深达到20cm，此时没有面源负荷向河道汇集；
d.当圩区水位低于河道水位，并且圩区调蓄水深超过40cm时，关闭虚拟联系的闸门，同时通过泵站排涝，使圩区调蓄水深保持在40cm，此时按泵站排涝模数和污染物浓度计算面源排放量；
e.当圩区水位低于河道水位，并且圩区调蓄水深在40cm以内，关闭虚拟联系的闸门，此时没有面源负荷向河道汇集。
9.根据权利要求1所述的一种基于虚拟联系的平原河网面源污染水质响应计算方法，其特征在于，非圩区的“虚拟联系”为宽顶堰，直接与河道相通，没有闸门和泵站，其与河道的水量和污染物交换不受闸泵控制。
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