CN109085857A - 一种闸控明渠水污染事故应急处置水流调控决策方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种闸控明渠水污染事故应急处置水流调控决策方法，包括：划定流量区间；划定流程区间；绘制各流程区间的C~K曲线簇；选定事故对应的C~K曲线簇；判定仅采用流量调控手段能否使污染水体净化达标；选定调控目标流量Q _t；实施流量调控；实施流量+水体体积综合调控。本发明使用C~K曲线簇确定治理污染的方式，提出了一种科学的快速应急治理输水渠道污染的方法，通过这种方法能够在短时间内判断污染的严重情况，提出准确的治理方案，并快速的确定治理污染的方法。为输水渠道在发生污染情况时，依据科学的手段进行决策，避免人为应急不当而造成的更为严重的污染事件。

Description

一种闸控明渠水污染事故应急处置水流调控决策方法

技术领域

本发明涉及一种闸控明渠水污染事故应急处置水流调控决策方法，是一种水利工程的调控决策方法，是一种通过水流调节发挥水体的物理稀释和自净作用，在渠道内原位处置水污染的应急处置决策方法。

背景技术

本发明涉及一种用于长距离闸控明渠水污染事故段的应急处置决策方法，是一种通过水流调节发挥水体的物理稀释和自净作用，在渠道内原位处置水污染的应急处置决策方法。

长距离输水明渠沿线周边环境复杂，易发生沿线化工厂污染源渗漏、装载有毒有害化学品车辆坠渠、人为恶意投毒等导致的水质污染事故，威胁下游分水口的用水安全。污染事故发生后，如何科学决策，采取有效的应急处置措施，在污染云团达到分水口前，将其峰值浓度降低到规定的安全范围内，是渠道应急管理部门亟需解决的问题。

水污染事故通常按其危害程度分级，采取相应的处置措施。对于危害相对较轻的水污染事故（通常以水质标准来衡量，如南水北调中线干渠以Ⅳ类水质标准衡量），常采用原位处置技术，如通过调控上下游闸门，改变渠道的流量，加快水体净化，使污染云团到达分水口时峰值浓度达标。

水流调控能够改善污染物的净化效果，其机理可归纳为两个方面：一是物理稀释。通过增加水体的体积，可直接稀释污染物。通过增大流速，可加强过流断面剪切流的分散作用，加强污染物的稀释（该作用可用纵向离散系数E衡量）。二是自净作用。自净作用主要来自水体内的生物作用，包含一定的物理和化学作用（该作用可由污染物的降解系数K衡量）。

虽然增加水体体积和增大流速均能提高物理稀释作用，但从经济角度分析，前者的成本要远高于后者。一方面，增加水体体积意味着物质在渠道内的输移，必然增加能量与时间的消耗。另一方面，应急处置结束后，需恢复水体体积至原水平，还需消耗一定的能量和时间。此外，增加水体体积后，渠道安全运行具有更高的要求，需付出相应的成本。

闸控渠道可实现灵活的水流调控方式，相较于传统河道，能更为精细地控制水污染应急处置成本。河道通常从上游水库放水冲污，流量和水体体积同步改变，不可单独调节，成本较高。闸控渠道则与之不同，可从上下游双方向发起调控，既可以同步增加流量和水体体积（称为“流量+水体体积”调控，通过依次增大上下游闸门开度的方式实现），也可以单独增大或减小流量而不改变水体体积（称为“流量”调控，通过同步增大或减小上下游闸门开度的方式实现）。

尽管闸控渠道具备灵活的水流调控能力，但受两方面因素影响，管理者难以作出科学的水流调控决策。第一、稀释作用与自净作用相互影响，综合效果难以判定。增加流量能够提高稀释作用的同时，会增大流速，减少污染物在渠道内的滞留时间，从而降低自净作用，反之亦然。因此，管理者往往难以判定是加大流量的综合效果更大，还是减小流量的综合效果更大，造成决策困难。第二、污染物种类繁多，事故发生点不确定，进一步增加了决策的难度。长距离输水渠道工程沿线情况复杂，潜在污染源种类繁多，降解系数差异很大，事故点距离分水口有时近而有时远。上述因素使得管理者难以针对不同污染事故作出科学的水流调控方案，实践中主要依靠管理者的个人经验作出判定，存在决策不规范、应急处置效果不佳、受人为因素影响大、应急处置成本高等问题。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种闸控明渠水污染事故应急处置水流调控决策方法。所述的方法基于绘制的不同流程分区的C~K曲线簇，管理者能够根据污染物降解系数、事故点位置，快速判定不同水流调控方案下稀释和自净作用的综合效果，从而科学选定“流量”或“流量+水体体积”调控方案，应急处置成本得到合理控制。本发明对于提高应急决策的科学性、规范性和高效性具有重要支撑作用。

本发明的目的是这样实现的：一种闸控明渠水污染事故应急处置水流调控决策方法，所述方法所应对的渠道和污染参数设定为：上下游两个节制闸之间的渠道长度为L，下游节制闸的闸前设有分水口，如图1所示，渠道输水流量为Q ₀（m³/s），污染物质量为M（kg），降解系数为K，渠道流量调整范围[Q _a ，Q _b ]；

步骤1，划定流量区间的步骤：划定流量分区DQ，基于渠道流量调整范围以DQ为间隔划定分区流量Q _i ，其中：i=1：N，N为（Q _b －Q _a ）/DQ的取整值，Q _a 为渠道输水最小流量，Q _b 为渠道输水最大流量；

步骤2，划定流程区间的步骤：将渠道等间距划分为R个区间，标示为第j区间，其中j=1：R；

步骤3，绘制各流程区间的C~K曲线簇：以污染物降解系数K为横坐标，以污染物输移至分水口处时浓度峰值C为纵坐标，绘制各区间不同流量下的曲线簇；

步骤4，选定事故对应的C~K曲线簇的步骤：根据污染事故发生点，确定其所在的流程区间的编号j，选定与j对应的C~K曲线簇；

步骤5，判定仅采用流量调控手段能否使污染水体净化达标的步骤：根据当前污染物的降解系数K值，在第j分区的C~K曲线簇上选定对应C值最小的C~K曲线，记录该C值为C _min，如果C _min<C _cr/M，进入步骤6，否则进入步骤8，其中：C _cr/M为污染被净化的达标浓度标准与污染物质量的比值；

步骤6，选定调控目标流量Q _t：以降解系数K为横坐标，从曲线簇中选择对应纵坐标小于等于且最接近于C _cr/M的C~K曲线，其对应流量记为Q _cr，如果K<K _c，在[Q _cr，Q _b]范围选定目标调控流量Q _t；如果K>K _c，在[Q _a，Q _cr]范围选定目标流量Q _t；

步骤7，实施流量调控步骤：同步调节上下游节制闸，使得过闸流量由当前值Q ₀变化至Q _t；

步骤8，实施流量+水体体积综合调控的步骤：基于渠道容纳水体最大值，确定当前的体积余量DV，并确定上下游闸门的操作时间差DT，按该时间差，顺序调节上下游节制闸，使得过闸流量由Q ₀变化至Q _t。

本发明产生的有益效果是：本发明使用C~K曲线簇确定治理污染的方式，提出了一种科学的快速应急治理输水渠道污染的方法，通过这种方法能够在短时间内判断污染的严重情况，提出准确的治理方案，并快速的确定治理污染的方法。为输水渠道在发生污染情况时，依据科学的手段进行决策，避免人为应急不当而造成的更为严重的污染事件。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例所应用的渠道污染示意图；

图2是本发明的实施例所述方法的流程图；

图3是本发明的实施例举例的第j区间的C~K曲线簇。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种闸控明渠水污染事故应急处置水流调控决策方法。所述方法所应对的渠道和污染参数设定为：上下游两个节制闸之间的渠道长度为L，下游节制闸的闸前设有分水口，如图1所示，渠道输水流量为Q ₀（m³/s），污染物质量为M（kg），降解系数为K（1/d，d为天数）。渠道流量调整范围[Q _a，Q _b ]（m³/s）通常由渠道的管理部门根据渠道的状态和输水量限定。

在本实施例中，设定污染物是点污染源，即污染物是在某个时刻投入水中，而不是连续不断的在某一段时间内投入水中，其投入的位置在渠段中的位置不确定。

本实施例所述方法的具体步骤如下（见图2的流程图）：

步骤1，划定流量区间的步骤：划定流量分区DQ，基于渠道流量调整范围以DQ为间隔划定分区流量Q _i ，其中：i=1：N，N为（Q _b －Q _a ）/DQ的取整值，Q _a 为渠道输水最小流量，Q _b 为渠道输水最大流量。

本步骤是将渠道的流量范围划分为若干个区域，并计算出各个区域的分区流量。DQ为流量分区，Q _i 为分区流量。DQ视渠道规模确定，通常可取5~10m³/s。

例如：某一输水渠道最小输水流量为：10 m³/s，最大输水流量为50 m³/s，则：DQ为10 m³/s，Q _i 为10 m³/s、20 m³/s、30 m³/s、40 m³/s、50 m³/s，分别对应5条曲线。

步骤2，划定流程区间的步骤：将渠道等间距划分为R个区间，标示为第j区间，其中j=1：R。

流程区间就是将两个闸门之间的区段等距离划分为多段，称为区间R，区间R的数量视渠道规模确定，通常可取3~5，也就是说将两个闸门之间的渠段分成3到5段。

步骤3，绘制各流程区间的C~K曲线簇：以污染物降解系数K为横坐标，以污染物输移至分水口处时浓度峰值C为纵坐标，绘制各区间不同流量下的曲线簇。

基于单位质量污染物一维输移方程，以污染物降解系数K为横坐标，K的取值范围为[0，1]，以污染物输移至分水口处时浓度峰值C为纵坐标，绘制各区间不同流量下的曲线簇。

例如，瞬时点污染源：

，

或者瞬时分布污染源：

，

式中E为纵向离散系数，单位为1/d，可由常用Fischer等公式确定；x为距离；t为时间；u为x方向的均匀流速；对于瞬时分布源，f（ξ）为C的初始分布范围方程，C（x，0）=f（ξ），a≤x≤b，式中ξ为函数变量，a、b为瞬时分布源边界的坐标。

步骤4，选定事故对应的C~K曲线簇的步骤：根据污染事故发生点，确定其所在的流程区间的编号j，选定与j对应的C~K曲线簇。

图3是某一渠道区间的C~K曲线簇。如图3所示，第j区曲线簇的交合点横坐标为降解系数K _c ，其左侧曲线簇特征为随着Q增大，C减小，右侧曲线簇特征与之相反。

步骤5，判定仅采用流量调控手段能否使污染水体净化达标的步骤：根据当前污染物的降解系数K值，在第j分区的C~K曲线簇上选定对应C值最小的C~K曲线，记录该C值为C _min，如果C _min<C _cr/M，进入步骤6，否则进入步骤8，其中：C _cr/M为污染被净化的达标浓度标准与污染物质量的比值。该比值为已知，其中C _cr 为水污染净化后的达标标准，由渠道的管理部门设定，M为污染物质质量，由现场调查或污染溯源技术推算得到。污染物降解系数K的确定方法有分析借用法、实测法、经验公式法等。对于长距离输水明渠，如南水北调中线工程，通常开展有大量的污染物输移特性研究工作，具有直接的或借鉴的降解系数K成果供使用。

本步骤是判断是否可以利用简单的流量调控手段解决当前的污染突发事件，如果不行，就要采取流量加水体体积综合调控的方式解决当前的污染。判断的方式是：首先确定渠道仅采用流量调控方式所能达到的最大净化效果，其对应的污染物浓度值为C _min ，这个污染值是根据当前污染物的降解系数K值，在污染发生的第j个分区的C~K曲线簇上选定，见图3，对应C值最小的C~K曲线。如果C _min<C _cr/M，即可净化至管理部门设定的污染浓度标准以下，表明可以利用简单的流量调控手段解决当前的污染突发事件。

步骤6，选定调控目标流量Q _t：以K为横坐标，从曲线簇中选择对应纵坐标小于等于且最接近于C _cr/M的C~K曲线，其对应流量记为Q _cr，如果K<K _c，在[Q _cr，Q _b]范围选定目标调控流量Q _t；如果K>K _c，在[Q _a，Q _cr]范围选定目标流量Q _t。

本步骤先要判定“流量调控”的方向，即应该增大流量还是减小流量。方法是：以降解系数K为横坐标，从曲线簇中选择对应纵坐标小于等于且最接近于C _cr/M的C~K曲线，其对应流量记为Q _cr。如果K<K _c,表明稀释作用强于自净作用，增大流量有利提高综合净化效果。因此，在[Q _cr，Q _b]范围选定目标调控流量Q _t。反之，如果K>K _c, 表明自净作用强于稀释作用，减小流量有利于提高综合净化效果，相应地在[Q _a，Q _cr]范围选定目标流量Q _t。

步骤7，实施流量调控步骤：同步调节上下游节制闸，使得过闸流量由当前值Q ₀变化至Q _t。

根据管理部门对闸门单次操作幅度的限制规定，Q ₀变化至Q _t的过程可一次性或分解为若干步实施。为保证上下游节制闸同步调节，二者采用相同的操作计划，即相同的启、闭时间，相同的过闸流量调节幅度。

步骤8，实施流量+水体体积综合调控的步骤：基于渠道容纳水体最大值，确定当前的体积余量DV，并确定上下游闸门的操作时间差DT，按该时间差，顺序调节上下游节制闸，使得过闸流量由Q ₀变化至Q _t。

对于仅通过“流量”调控尚无法使污染水体净化达标的情况，基于管理部门设定的渠道容纳水体最大值，该值是个体积量，为流量达到Q _b 且水位达到警戒水位时的渠道水体体积。确定当前的体积余量DV，并确定上下游闸门的操作时间差DT（DT=DV/|Q ₀-Q _t |）。按该时间差，顺序调节上下游节制闸，使得过闸流量由Q ₀变化至Q _t ，实现“流量+水体体积”的综合调控。

根据管理部门对闸门单次操作幅度的限制规定，Q ₀变化至Q _t的过程可一次性或分解为若干步实施。为实现上下游节制闸顺序调节，上游节制闸的操作计划比下游节制闸早DT执行，二者具有相同的过闸流量调节幅度。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如被应用渠道的形式、各种公式的运用、步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种闸控明渠水污染事故应急处置水流调控决策方法，所述方法所应对的渠道和污染参数设定为：上下游两个节制闸之间的渠道长度为L，下游节制闸的闸前设有分水口，如图1所示，渠道输水流量为Q ₀（m³/s），污染物质量为M（kg），降解系数为K，渠道流量调整范围[Q _a ，Q _b ]；

步骤1，划定流量区间的步骤：划定流量分区DQ，基于渠道流量调整范围以DQ为间隔划定分区流量Q _i ，其中：i=1：N，N为（Q _b －Q _a ）/DQ的取整值，Q _a 为渠道输水最小流量，Q _b 为渠道输水最大流量；

步骤2，划定流程区间的步骤：将渠道等间距划分为R个区间，标示为第j区间，其中j=1：R；

步骤3，绘制各流程区间的C~K曲线簇：以污染物降解系数K为横坐标，以污染物输移至分水口处时浓度峰值C为纵坐标，绘制各区间不同流量下的曲线簇；

步骤4，选定事故对应的C~K曲线簇的步骤：根据污染事故发生点，确定其所在的流程区间的编号j，选定与j对应的C~K曲线簇；

步骤5，判定仅采用流量调控手段能否使污染水体净化达标的步骤：根据当前污染物的降解系数K值，在第j分区的C~K曲线簇上选定对应C值最小的C~K曲线，记录该C值为C _min，如果C _min<C _cr/M，进入步骤6，否则进入步骤8，其中：C _cr/M为污染被净化的达标浓度标准与污染物质量的比值；

步骤6，选定调控目标流量Q _t：以降解系数K为横坐标，从曲线簇中选择对应纵坐标小于等于且最接近于C _cr/M的C~K曲线，其对应流量记为Q _cr，如果K<K _c，在[Q _cr，Q _b]范围选定目标调控流量Q _t；如果K>K _c，在[Q _a，Q _cr]范围选定目标流量Q _t；

步骤7，实施流量调控步骤：同步调节上下游节制闸，使得过闸流量由当前值Q ₀变化至Q _t；

步骤8，实施流量+水体体积综合调控的步骤：基于渠道容纳水体最大值，确定当前的体积余量DV，并确定上下游闸门的操作时间差DT，按该时间差，顺序调节上下游节制闸，使得过闸流量由Q ₀变化至Q _t。