CN108763850A - 一种平原水系水环境容量及分担率的评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种平原水系水环境容量及分担率的评估方法，其特征在于包括以下操作步骤：步骤1：划分流域控制单元；步骤2：构建控制断面水环境数学模型；步骤3：分析控制单元合理性；步骤4：概化控制单元排口；步骤5：构建控制断面水质与概化排口之间响应关系；步骤6：分析水质是否达标；步骤7：计算控制单元水环境容量；步骤8：计算各控制单元的分担率。本发明为研究流域各行政区对入河的污染物通量的分担率，基于一维平原河网水环境数学模型，模拟计算受沿河支流及排污泵站影响的主要入河的污染物通量。结合实测计算，量化分析了控制单元及全流域内各行政区对主要入河支流及排污泵站污染物通量的分担率，对于环境规划具有重要意义。

Description

一种平原水系水环境容量及分担率的评估方法
技术领域
本发明涉及一种平原水系水环境容量及分担率的评估方法，属于水环境工程 技术领域。
背景技术
水环境容量包含了两层涵义：一是指自然水体对污染物的承纳能力；二是指 这种“承纳能力”必须基于一定的前提假设。这里“前提假设”主要是指人们出 于生产、生活需要，人为给水体赋予的使用功能规定的水体必须满足的环境标准。 在理论上，水环境容量是环境的自然规律参数与社会效益参数等两类参数的多变 量函数。既反映污染物在环境中的迁移、转化和积存规律，也反映满足特定功能 条件下环境对污染物的承受能力；在实践上，环境容量是环境目标管理的基本依 据，是环境规划的主要环境约束条件，也是污染物总量控制的关键参数。
发明内容
为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种平原水系水环境容量及分担率的评估方法，其具体技术方案如下：
一种平原水系水环境容量及分担率的评估方法，包括以下操作步骤：
步骤1：划分流域控制单元：控制单元是确保控制断面水体达标的污染物主要控制区域，在划分控制单元，需要考虑流域的水文情势和污染源的分布情况，并同 时兼顾到行政单元；
步骤2：构建控制断面水环境数学模型：控制断面水质计算模型计算公式如下：
W＝(C-C′)·Q0+kyCs(式1-1)
式中：C’-混合后水质浓度，按零维模型求解
W-为入秦淮河排污量，单位为kg/d；
C-为混合后下游水质浓度，mg/L；
V-水体容积，m3；
C1、q-排污口废水氨氮浓度，mg/L；废水量，m3/s；
C0、Q0-长江水氨氮浓度，mg/L；流量m3/s；
Cs-水质目标浓度，mg/L；
k-水质降解系数，1/d；
X-节制闸到七桥瓮的距离，m；
u-流速，m/s，
水质降解参数参考控制断面水环境数学模型参数率定结果，COD、氨氮、总磷等 水质指标均有各自降解系数；
步骤3：分析控制单元合理性：控制单元内、外源污染物对控制断面水质影响权 重计算公式：
式中n内是在控制单元之内的污染物所占的权重(％)；n外是在控制单元之外的污染物所占的权重(％)；C内是边界水质选用功能区水质目标的时候，考虑控制单 元之内的污染物排放情况通过一维水质模型计算的控制断面水质浓度(mg/L)；C 外是边界水质取实测水质时，不考虑控制单元之内的污染物排放情况下通过一维 水质模型计算的控制断面的水质浓度(mg/L)；
步骤4：概化控制单元排口：概化排口的入河污染物来源包括工业、城镇生活、 农村生活、农田、畜禽养殖、径流，其中工业按双80％原则进行筛选，即结合各 单元污染物总量的80％与占各镇污染物总量的80％，将入河支流及沿河排污泵站 概化为排口，在人口密集区域附近水体、污水厂、工业企业的密集区域进行概化 排口；
步骤5：构建控制断面水质与概化排口之间响应关系：通过概化排口的构建，运 用流域水环境数学模型，构建出断面水质与概化排口之间的响应关系，响应关系 为：C控制断面＝C(C边护C支流，W1，W2…)，先构建入河支流与水质之间的响应关系， 再构建干流排口与控制断面水质之间的响应关系，在支流汇入时功能区的水质要 求达标，边界的水质值取实测资料；
步骤6：分析水质是否达标：通过步骤5的响应关系，计算控制单元内的排污量， 调水量，以及调水期间控制单元断面及沿线水质；
步骤7：计算控制单元水环境容量：运用已构建的控制断面与概化排口之间的响应关系模型，计算当控制单元断面在近期和远期水质达标时其概化排口的削减量， 从而计算得到控制单元内的允许排放量，即控制单元断面的水质达标控制与功能 区整体的水质达标控制条件下本控制单元的水环境容量，
通过模型计算得到各概化排口近期允许排放量和远期的允许排放量，得到控 制单元内近期的水环境容量和远期水环境容量，而根据近期和远期的水环境容量 可以得到近期和远期的削减量，从而计算得到近期和远期的削减率；
步骤8：计算各控制单元的分担率：各控制单元的污染物通量占总污染物通量的比例即得到分担率。
所述污染物包括COD、NH3-N和TP等水质指标。
所述步骤4中若排污口之间的距离近，将多个排污口概化为1个排污口；若 排口之间距离远并且排污量都小时，将排口概化为非点源入河。
所述近期是指测试时间往后3～5年，远期时指距离测试时间3～5年以后。
所述步骤3中，控制单元内的控制断面水质的影响因素主要有两方面，一是 控制单元的边界水质，二是控制单元内源污染物的排放量。
本发明的有益效果是：
本发明，综合考虑水文、水质、污染源等因素，对影响流域断面水质的污染源区域划 分了控制单元。建立研究的影响区域水环境数学模型，并根据最不利水文条件(典型枯水年) 和边界水质，建立了考核断面水质与概化排口污染源响应关系，通过响应关系从而计算出控 制断面水质达标时各个概化排口所允许的排污量，从而得到本控制单元的水环境容量。为研 究流域各行政区对入河的污染物通量的分担率，基于一维平原河网水环境数学模型，模拟计 算受沿河支流及排污泵站影响的主要入河的污染物通量。结合实测计算，量化分析了控制单 元及全流域内各行政区对主要入河支流及排污泵站污染物通量的分担率。
附图说明
图1是本发明实施例的七桥瓮断面水质的控制单元示意图，
图2是本发明实施例的控制单元概化排口及控制断面示意图，
图3是本发明实施例的调水与非调水期排水流向图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。应理解下述具体实施方 式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
现结合南京市以秦淮河为例，说明本发明：
步骤1：；流域控制单元划分
控制单元是确保控制断面水体达标的污染物主要控制区域。在划分控制单元，需要考虑流域的水文情势和污染源的分布情况，并同时兼顾到行政单元。以秦淮河 为例，秦淮河水系有南北两源，两河在南京市江宁区方山合成秦淮河干流，到达 东山桥后分成两条分汊河道(秦淮新河和外秦淮河)，分别注入长江。秦淮河流 域总面积2659km2，南京境内1708km2(占64％)，镇江句容境内951km2(占36％)。 在正常情况下，秦淮河自南向北自流；生态调水期间，从秦淮新河分汊河道节制 闸引水(水闸自引或泵站抽引)，经过外秦淮河分汊河道回到长江。根据划分原 则，结合研究区域的实际情况，确定七桥瓮断面水质的控制单元如图1所示。
步骤2：控制断面水环境数学模型构建
控制断面水质计算模型计算公式如下：
W＝(C-C′)·Q0+kVCs(式1-1)
式中：C’-混合后水质浓度，按零维模型求解
W-为入秦淮河排污量，单位为kg/d；
C-为混合后下游水质浓度，mg/L；
V-水体容积，m3；
C1、q-排污口废水氨氮浓度，mg/L；废水量，m3/s；
C0、Q0-长江水氨氮浓度，mg/L；流量m3/s；
Cs-水质目标浓度，mg/L；
k-水质降解系数，1/d；
X-节制闸到七桥瓮的距离，m；
u-流速，m/s。
水质降解参数参考秦淮河流域模型参数率定结果，COD、氨氮、总磷降解系 数相同。均为在秦淮河段为0.06d-1，在秦淮新河段为0.1d，在外秦淮河段为 0.08d-1C
步骤3：控制单元合理性分析
控制单元内的控制断面水质的影响因素主要有两方面，一是控制单元的边界 水质，二是控制单元内源污染物的排放量。控制单元内、外源污染物对控制断面 水质影响权重计算公式：
式中n内是在控制单元之内的污染物所占的权重(％)；n外是在控制单元之外的污染物所占的权重(％)；C内是边界水质选用功能区水质目标的时候，考虑控制单 元之内的污染物排放情况通过一维水质模型计算的控制断面水质浓度(mg/L)；C 外是边界水质取实测水质时，不考虑控制单元之内的污染物排放情况下通过一维 水质模型计算的控制断面的水质浓度(mg/L)。上述方法计算得到七桥瓮控制单 元内、外污染物对水质的影响权重见表1。
表1 七桥瓮断面控制单元内、外污染物影响权重
步骤4：控制单元排口概化
概化排口的入河污染物来源包括工业、城镇生活、农村生活、农田、畜禽养殖、 径流，其中工业按双80％原则(结合各单元污染物总量的80％与占各镇污染物总 量的80％)进行筛选。将入河支流及沿河排污泵站概化为排口，在人口密集区域 附近水体、污水厂、工业企业的密集区域进行概化排口，若排污口之间的距离较 近，可以将多个排污口概化为1个排污口；若排口之间距离较远并且排污量都较 小时，可将排口概化为非点源入河。概化排口及控制断面见图2。
步骤5：控制断面水质与概化排口之间响应关系构建
通过概化排口的构建，运用秦淮河流域水环境数学模型[9]，构建出断面水质与概化排口之间的响应关系。响应关系：C控制断面＝C(C边界，C支流，W1，W2...)。先构建 入河支流与水质之间的响应关系，再而构建干流排口与控制断面水质之间的响应 关系。在支流汇入时功能区的水质要求达标，边界的水质值取实测资料。七桥瓮 控制断面与概化排口响应关系构建如下：
参照图3，调水期间：
秦淮河：C东山桥＝C(C洋桥，W1，W2，W3，...，W9，W面)；
秦淮新河：C河定桥＝C(C节制闸，W10，W11，W12，...，W24，W面)；
外秦淮河：C七桥瓮＝C(C25，C东山桥，C河定桥，W25，W26，W27，...，W32，W面)。
非调水期间：
秦淮河：C东山桥＝C(C洋桥，W1，W2，W3，...，W9，W面)；
秦淮新河：C节制闸＝C(C河定桥，W10，W11，W12，...，W24，W面)；
外秦淮河：C七桥瓮＝C(C25，C东山桥，W25，W26，W27，...，W32，W面)。
步骤6：水质达标分析
在近期(2017年～2019年)控制单元内仅能削减35％的排污量，通过秦淮新 河调水30m3/s，在洋桥断面为功能区水质IV类水情况下，计算得到调水期间七桥 瓮断面及沿线水质见表2。
表2 调水期间七桥瓮及沿线断面水质
经过计算，近期的工程项目实施后仅能削减约35％的污水直排，此时仍然不 能达标。而为了在不引水仅通过削减直排污水达标，需要余额削减80％的污水排 放，而何时能削减了80％的直排污水，难以计算，本文以远期(2020年以后)来 描述。
在远期(2020年以后)控制单元内仅能削减80％的排污量，在洋桥断面为功 能区水质IV类水情况下，计算得到非调水期间七桥瓮断面及沿线水质见表3。
表3 非调水期间七桥瓮及沿线断面水质
步骤7：控制单元水环境容量计算
《江苏省地表水(环境)功能区划》文件要求国考七桥瓮断面在2017年应达到 IV类水。根据2016年的南京市污染源普查资料及南京市秦淮河流域各主干及支 流的水文水质及野外调查实测河道断面资料，运用已构建的控制断面与概化排口 之间的响应关系模型，计算当七桥瓮断面在近期和远期水质达标时其概化排口的 削减量，从而计算得到控制单元内的允许排放量，即控制断面的水质达标控制与 功能区整体的水质达标控制(“双控”)条件下本控制单元的水环境容量。国考七 桥瓮断面控制单元内各概化排口的现状排污量与在近期、远期断面水质达标下的 概化排口削减量见表4。由近期及远期污染物削减量表计算出近期和远期污染源 的削减率，对控制单元内各种污染源按照计算得到的削减率进行削减，进而得到 本控制单元内近期和远期的水环境容量见表5
表4 在近期和远期概化排口污染物现状排放量及允许排放量(t/a)
通过模型计算得到各概化排口近期允许排放量和远期的允许排放量，得到控制单元内近期的水环境容量和远期水环境容量，而根据近期和远期的水环境容量可以 得到近期和远期的削减量，从而计算得到近期和远期的削减率，见表5.
表5 在近期和远期控制单元内水环境容量计算结果(％，t/a)
步骤8：分担率计算
2016年入秦淮河32条支流污染物通量计算结果及通量贡献率见表6。
表6 2016年各行政区入秦淮河污染物模型计算通量及分担率
可知各行政区对入秦淮河污染物的通量及其分担率，对七桥瓮断面直接影响 的行政区江宁区分担率最高约为控制单元内污染物排放的2/3，其次为雨花台区 约占1/5，由于秦淮区计算范围是在七桥瓮上游部分，所以建邺区对污染物排放 的分担率最小。
步骤9：结论
基于七桥瓮水质达标，划分秦淮河流域控制单元，对秦淮河流域直接影响的 支流泵站主要污染物通量，2016年COD入河总量为24536.17t，NH3-N入河总量 为3045.16t，TP入河总量为248.13t。
基于秦淮河全流域范围各行政区对国考七桥瓮断面主要超标因子的分担率： 秦淮区的NH3-N平均分担率为12％、TP平均分担率为13％；雨花台区的NH3-N平 均分担率为20％、TP平均分担率为15％；建邺区的NH3-N平均分担率为2％；江宁 区的NH3-N平均分担率为55％、TP平均分担率为53％，溧水区的NH3-N平均分 担率为1％、TP平均分担率为2％；句容市的NH3-N平均分担率为10％、TP平均分 担率为17％。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还 包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人 员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本 项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确 定其技术性范围。

Claims (5)

1.一种平原水系水环境容量及分担率的评估方法，其特征在于包括以下操作步骤：
步骤1：划分流域控制单元：控制单元是确保控制断面水体达标的污染物主要控制区域，在划分控制单元，需要考虑流域的水文情势和污染源的分布情况，并同时兼顾到行政单元；
步骤2：构建控制断面水环境数学模型：控制断面水质计算模型计算公式如下：
W＝(C-C′)·Q0+kVCs (式1-1)
式中：C’-混合后水质浓度，按零维模型求解
W-为入秦淮河排污量，单位为kg/d；
C-为混合后下游水质浓度，mg/L；
V-水体容积，m3；
C1、q-排污口废水氨氮浓度，mg/L；废水量，m3/s；
C0、Q0-长江水氨氮浓度，mg/L；流量m3/s；
Cs-水质目标浓度，mg/L；
k-水质降解系数，1/d；
X-节制闸到七桥瓮的距离，m；
u-流速，m/s，
水质降解参数参考控制断面水环境数学模型参数率定结果，COD、氨氮、总磷水质指标均有各自降解系数；
步骤3：分析控制单元合理性：控制单元内、外源污染物对控制断面水质影响权重计算公式：
式中n内是在控制单元之内的污染物所占的权重(％)；n外是在控制单元之外的污染物所占的权重(％)；C内是边界水质选用功能区水质目标的时候，考虑控制单元之内的污染物排放情况通过一维水质模型计算的控制断面水质浓度(mg/L)；C外是边界水质取实测水质时，不考虑控制单元之内的污染物排放情况下通过一维水质模型计算的控制断面的水质浓度(mg/L)；
步骤4：概化控制单元排口：概化排口的入河污染物来源包括工业、城镇生活、农村生活、农田、畜禽养殖、径流，其中工业按双80％原则进行筛选，即结合各单元污染物总量的80％与占各镇污染物总量的80％，将入河支流及沿河排污泵站概化为排口，在人口密集区域附近水体、污水厂、工业企业的密集区域进行概化排口；
步骤5：构建控制断面水质与概化排口之间响应关系：通过概化排口的构建，运用流域水环境数学模型，构建出断面水质与概化排口之间的响应关系，响应关系为：C控制断面＝C(C边界，C支流，W1，W2…)，先构建入河支流与水质之间的响应关系，再构建干流排口与控制断面水质之间的响应关系，在支流汇入时功能区的水质要求达标，边界的水质值取实测资料；
步骤6：分析水质是否达标：通过步骤5的响应关系，计算控制单元内的排污量，调水量，以及调水期间控制单元断面及沿线水质；
步骤7：计算控制单元水环境容量：运用已构建的控制断面与概化排口之间的响应关系模型，计算当控制单元断面在近期和远期水质达标时其概化排口的削减量，从而计算得到控制单元内的允许排放量，即控制单元断面的水质达标控制与功能区整体的水质达标控制条件下本控制单元的水环境容量，
通过模型计算得到各概化排口近期允许排放量和远期的允许排放量，得到控制单元内近期的水环境容量和远期水环境容量，而根据近期和远期的水环境容量可以得到近期和远期的削减量，从而计算得到近期和远期的削减率；
步骤8：计算各控制单元的分担率：各控制单元的污染物通量占总污染物通量的比例即得到分担率。
2.根据权利要求1所述的一种平原水系水环境容量及分担率的评估方法，其特征在于所述污染物包括COD、NH3-N和TP水质指标。
3.根据权利要求1所述的一种平原水系水环境容量及分担率的评估方法，其特征在于所述步骤4中若排污口之间的距离近，将多个排污口概化为1个排污口；若排口之间距离远并且排污量都较小时，将排口概化为非点源入河。
4.根据权利要求1所述的一种平原水系水环境容量及分担率的评估方法，其特征在于所述近期是指测试时间往后3～5年，远期时指距离测试时间3～5年以后。
5.根据权利要求1所述的一种平原水系水环境容量及分担率的评估方法，其特征在于所述步骤3中，控制单元内的控制断面水质的影响因素主要有两方面，一是控制单元的边界水质，二是控制单元内源污染物的排放量。
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