CN109101781A - 一种复杂河网中污染源贡献比例的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复杂河网中污染源贡献比例的计算方法,属于环境工程技术领域,步骤1),复杂河网概化;步骤2),河网干流确定;步骤3),干流基础数据获取;步骤4),干流污染源数据获取;步骤5),污染物迁移转化模拟;步骤6),污染源贡献比例分析。本发明根据复杂河网条件下某一目标断面的污染物参数实际监测结果,提供了一种反算特定污染源对该断面贡献比例的方法,在不受时间、地域限制的情况下系统模拟目标断面污染物浓度随污染源变化的动态响应过程。专利涉及的技术应用于太湖、里下河等复杂河网地区,实现了污染负荷的反向追溯和精准削减,为水利部专家开展流域水环境治理和风险评价提供技术支撑,具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于环境工程技术领域,具体涉及一种复杂河网中污染源贡献比例的计算方法。
背景技术
随着社会经济快速发展,工业化和城市化进程不断加快,环境与社会经济发展之间的不平衡日益凸显,人类活动强度上升导致水环境污染负荷与河湖承载力之间的矛盾日益突出,已成为流域可持续发展的重要制约性因素。
河湖交错的复杂河网地区点源、面源种类繁杂,水质污染影响因素众多,污染负荷追溯和优化削减已成为水利、环保部门制定污染物排放限值的重要依据。
国内外已有研究大多基于最大水环境容量提出污染源总量的控制,但目前尚未提出河网中某特定污染源贡献率的定量解析和通量追溯方法,对管理部门实施污染源定向整治的指导作用有限。
因此,量化分析复杂河网中外源输入对某特定考核断面污染负荷通量的贡献,将有助于准确掌握河网中污染源来源,为精准追溯污染负荷来源和科学制定负荷削减对策提供技术支持。
发明内容
发明目的:本发明的目的是提供一种复杂河网中污染源贡献比例的计算方法,在概化复杂河网的基础上确定河网干流,收集干流基础数据及沿线污染源数据,构建一维动态水质模型,根据目标断面的污染物实测浓度,反算源头至目标断面的干流中各个污染源对该目标断面的贡献比例,通过百分比和颜色的形式可视化展现结果。
技术方案:为了实现上述发明目的,本发明采用如下技术方案:
一种复杂河网中污染源贡献比例的计算方法,包括如下步骤:
步骤1),复杂河网概化
综合考虑水文水力条件、污染源位置、支流汇入位置,将复杂河网的河道中心线概化成若干长度相同、首尾相连的一维恒定非均匀流河段,形成网格状的概化河网;
步骤2),河网干流确定
根据河流流向,将步骤1)概化河网中所有连接目标断面和源头的路径设定为潜在干流,将各潜在干流中污染负荷通量总和最高的路径确定为河网干流;
步骤3),干流基础数据获取
根据步骤2)得到的河网干流,收集干流各河段边界断面的流量和污染物本底浓度数据;
步骤4),干流污染源数据获取
收集干流各河段点源和面源的污染源位置、种类、排放时间、排放流量、污染物浓度数据;
步骤5),污染物迁移转化模拟
构建污染物质量守恒一维数值模型,通过一维水质平衡方程采用有限差分法求解其数值解,计算河网干流各河段边界断面上待测污染物随时间的动态变化;
步骤6),污染源贡献比例分析
计算进入河段i的污染负荷量及河段i中污染源j对特定断面的污染通量贡献比例,得到污染源贡献比例计算结果。
优选的,步骤5)中,所述的一维水质平衡方程如公式(1)所示:
其中,Ci为河段i的污染物浓度,单位为mg L-1,Ci-1为河段i-1的污染物浓度,单位为mg L-1,Ci+1为河段i+1的污染物浓度,单位为mg L-1,Qi-1为河段i的入流量,单位为m3s-1,Qi为河段i的出流量,单位为m3s-1,Qpump,i为河段i的取水量,单位为m3s-1,Vi为河段i的体积,单位为L,Ei为河段i的弥散系数,单位为L d-1,Ei-1为河段i-1的弥散系数,单位为Ld-1,Wi为河段i的外源负荷量,单位为mg d-1,Si为因化学反应或物质交换的负荷量,单位为mg L-1d-1,Ehyp,i为河段i的底质交换系数,单位为Ld-1,Cs,i为河段i底质中的污染物浓度,t为时间s。
优选的,步骤6)中,进入河段i的污染负荷量Wi参照公式(2):
其中,Wi为河段i的污染源负荷;Nps,i为流入河段i的点源个数;Nnps,i为流入河段i的非点源个数;Cps,i,j为点源j污染物浓度,单位为mg m-3;Cnps,i,j为非点源j的污染物浓度,单位为mg m-3;Qps,i,j为点源j的流量,单位为m3d-1;Qnps,i,j为非点源j的流量,单位为m3d-1;Li,j为非点源j流入河段i的长度,单位为m;ΔXi,j为河段i和非点源j重叠部分的长度,单位为m;
河段i(i=1,2,…n)的污染物通量变化率Ki参照公式(3):
河段i(i=1,2,…n)的第j个污染源对特定断面的污染通量贡献比例参照公式(4)~(5):
其中,为河段i中第j个点源对目标河段n的污染贡献率;为第i个河段中所涉及的第j个面源的直接污染负荷量对目标河段n的污染贡献率;Qout,0代表源头水流量,Qout,i-1为第i-1个河段的出流量,单位为m3s-1,Qout,i为河段i的出流量,单位为m3s-1,Qout,n为目标河段的出流量,单位为m3s-1;Cout,0代表源头水的污染物浓度,Cout,i-1为第i-1个河段污染物输出浓度,单位为mg m-3,Cout,i为河段i的污染物输出浓度,单位为mg m-3,Cout,n为目标河段的污染物浓度,单位为mg m-3。
优选的,步骤6)中,根据所述的污染源贡献比例计算结果,以柱状图的形式可视化展示各个污染源对目标断面的贡献比例。
有益效果:与现有技术相比,本发明的一种复杂河网中污染源贡献比例的计算方法,根据复杂河网条件下某一目标断面的污染物参数实际监测结果,提供了一种反算特定污染源对该断面贡献比例的方法,在不受时间、地域限制的情况下系统模拟目标断面污染物浓度随污染源变化的动态响应过程。专利涉及的技术应用于太湖、里下河等复杂河网地区,实现了污染负荷的反向追溯和精准削减,为水利部专家开展流域水环境治理和风险评价提供技术支撑,具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为复杂河网概化示意图;
图2为河网干流确定方法示意图;
图3为河段污染负荷来源追溯示意图;
图4为污染负荷贡献比例反算结果可视化示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
一种复杂河网中污染源贡献比例的计算方法,包括如下步骤:
步骤1),复杂河网概化
综合考虑水文水力条件、污染源位置、支流汇入位置等因素,将复杂河网的河道中心线概化成若干长度相同、首尾相连的一维恒定非均匀流河段,形成网格状的概化河网;
步骤2),河网干流确定
根据河流流向,将步骤1)概化河网中所有连接目标断面和源头的路径设定为潜在干流,将各潜在干流中污染负荷通量总和最高的路径确定为河网干流;
步骤3),干流基础数据获取
根据步骤2)排序得到的河网干流,根据表2收集干流各河段边界断面的流量和污染物本底浓度监测数据;
步骤4),干流污染源数据获取
收集干流各河段点源和面源的污染源位置、种类、排放时间、排放流量、污染物浓度数据;
步骤5),污染物迁移转化模拟
构建污染物质量守恒一维数值模型,采用有限差分法求解其数值解,计算河网干流各河段边界断面上待测污染物随时间的动态变化;
所述的一维水质平衡方程如公式(1)所示:
其中,Ci为河段i的污染物浓度(mg L-1),Ci-1为河段i-1的污染物浓度(mg L-1),Ci+1为河段i+1的污染物浓度(mg L-1),Qi-1为河段i的入流量(m3s-1),Qi为河段i的出流量(m3s-1),Qpump,i为河段i的取水量(m3s-1),Vi为河段i的体积(L),Ei为河段i的弥散系数(L d-1),Ei-1为河段i-1的弥散系数(L d-1),Wi为河段i的外源负荷量(mg d-1),Si为因化学反应或物质交换的负荷量(mg L-1d-1),Ehyp,i为河段i的底质交换系数(L d-1),Cs,i为河段i底质中的污染物浓度,t为时间(s)。
步骤6),污染源贡献比例分析
计算进入河段i的污染负荷量及河段i中污染源j对特定断面的污染通量贡献比例;进入河段i的污染负荷(Wi)参照公式(2):
其中,Wi为河段i的污染源负荷;Nps,i为流入河段i的点源个数;Nnps,i为流入河段i的非点源个数;Cps,i,j为点源j污染物浓度(mg m-3);Cnps,i,j为非点源j的污染物浓度(mg m-3);Qps,i,j为点源j的流量(m3d-1);Qnps,i,j为非点源j的流量(m3d-1);Li,j为非点源j流入河段i的长度(m);ΔXi,j为河段i和非点源j重叠部分的长度(m);
河段i(i=1,2,…n)的污染物通量变化率(Ki)参照公式(3):
河段i(i=1,2,…n)的第j个污染源对特定断面的污染通量贡献比例参照公式(4)~(5):
其中,为河段i中第j个点源对目标河段n的污染贡献率;为第i个河段中所涉及的第j个面源的直接污染负荷量对目标河段n的污染贡献率;Qout,0代表源头水流量,Qout,i-1为第i-1个河段的出流量(m3s-1),Qout,i为河段i的出流量(m3s-1),Qout,n为目标河段的出流量(m3s-1);Cout,0代表源头水的污染物浓度,Cout,i-1为第i-1个河段污染物输出浓度(mg m-3),Cout,i为河段i的污染物输出浓度(mg m-3),Cout,n为目标河段的污染物浓度(mg m-3)。
步骤7)反算结果可视化展示
根据污染源贡献比例计算结果,以柱状图的形式可视化展示各个污染源对目标断面的贡献比例。
实施例1
一种复杂河网中污染源贡献比例的计算方法,包括如下步骤:
步骤1),复杂河网概化
确定河网研究区域的起始点、入流点、出流点和各河段流向,将河网中自然河道的两岸概化为一系列连续的弯曲连接线。
在两岸中间构建由一系列直线段组成的恒定非均匀流中心线,从而将河流概化为若干等长直线段计算单元组成的带有编号的网格。点源概化为点,面源概化为线段。将上述点位按照西安80坐标系(代号2386)由地图投射到平面坐标进行几何计算,计算概化图上的映射点坐标参数,将映射点拼成线段并依次连接,形成网格状的河流模型。
概化后的河网中,河段为最小计算单元,同一河段具有相同的水动力和水质特性参数。概化后的河网应基本反映天然河网的水力特性,在输水和能力和调蓄能力两个方面应与实际河网一致。
以图1为例,左图为研究区域河道概化图,浅灰色区域为河岸,深灰色不规则区域为水域,水域中带有英文字母标记的直线段为概化后的河道中心线。将左图中的河道中心线段进一步标准化,形成右图中由12条等长直线段计算单元组成的河网概化网格图,包括2个入流点和3个出流点。点源1和点源2分别概化为2个点,面源1概化为1个线段。各条河段的流向由箭头表示。
步骤2),河网干流确定
以图2中的河网概化网格图为例,解析所有由起始点通往目标断面的不同路径,依次获取各条路径中所有非重合河段单元的平均流量和污染物平均浓度,计算各河段单元的污染负荷通量基数(即平均流量和污染物平均浓度的乘积),比较各路径污染负荷总和,将各路径的污染负荷通量之和从高到低依次排序(如表1和表2所示),选取污染负荷通量总和最高的路径为连接目标断面和源头的河网干流(干流路径)。
表1单元河段污染负荷通量计算表
路径编号:
表2潜在干流路径排序表
路径编号 | 河段单元数 | 河段长度(m) | 污染负荷总通量(t/s) | 排序 |
1 | 15 | 10664 | 6.30 | 1 |
2 | 13 | 9806 | 6.05 | 2 |
3 | 13 | 9659 | 5.97 | 3 |
… | ||||
n |
步骤(3)干流基础数据获取
如表3所示,在确定河网干流的基础上,获取干流各河段边界断面的流量和污染物本底浓度数据。
表3河网干流基础数据记录表
步骤4),干流污染源数据获取
如图3所示,假定沿程污染负荷均以点源或面源的方式输入或输出干流河段、面源从其起始位置到终止位置均匀输入或输出到目标河段干流中,将入河支流作为点源、将面源作为线性源进行模拟。
根据表4和表5分别收集干流各河段点源和面源的污染源位置、种类、排放时间、排放流量、污染物浓度数据。
根据表6收集各河段出流的位置、流量、污染物浓度数据。
表4河段点源数据记录表
表5河段面源数据记录表
表6河段出流数据记录表
步骤5),污染物迁移转化模拟
构建污染物质量守恒一维数值模型,读取数据表1~数据表5并进行自动计算。
采用有限差分法求解其数值解,并利用遗传算法对参数进行全局优化,计算得到干流各河段边界断面上待测污染物浓度随时间的动态变化。
针对某个浓度为Ci的污染物,将其在河段i中的水质平衡基本方程表示为公式(1):
其中,Ci为河段i的污染物浓度(mg L-1),Ci-1为河段i-1的污染物浓度(mg L-1),Ci+1为河段i+1的污染物浓度(mg L-1),Qi-1为河段i的入流量(m3s-1),Qi为河段i的出流量(m3s-1),Qpump,i为河段i的取水量(m3s-1),Vi为河段i的体积(L),Ei为河段i的弥散系数(L d-1),Ei-1为河段i-1的弥散系数(L d-1),Wi为河段i的外源负荷量(mg d-1),Si为因化学反应或物质交换的负荷量(mg L-1d-1),Ehyp,i为河段i的底质交换系数(L d-1),Cs,i为河段i底质中的污染物浓度,t为时间(s)。
步骤(6)污染源贡献比例分析
进入某个河段i的污染物负荷包括点源负荷和面源负荷,其中点源负荷包括汇入该河段的支流点源负荷和排入河段i的污染负荷。
进入河段i的污染负荷(Wi)参照公式(2):
其中,Wi为河段i的污染源负荷;Nps,i为流入河段i的点源个数;Nnps,i为流入河段i的非点源个数;Cps,i,j为点源j污染物浓度(mg m-3);Cnps,i,j为非点源j的污染物浓度(mg m-3);Qps,i,j为点源j的流量(m3d-1);Qnps,i,j为非点源j的流量(m3d-1);Li,j为非点源j流入河段i的长度(m);ΔXi,j为河段i和非点源j重叠部分的长度(m)。
河段i(i=1,2,…n)的污染物通量变化率(Ki)参照公式(3):
河段i(i=1,2,…n)第j个污染源对特定断面的污染通量贡献比例参照公式(4)~(5):
其中,为河段i中第j个点源对目标河段n的污染贡献率;为第i个河段中所涉及的第j个面源的直接污染负荷量对目标河段n的污染贡献率;Qout,0代表源头水流量,Qout,i-1为第i-1个河段的出流量(m3s-1),Qout,i为河段i的出流量(m3s-1),Qout,n为目标河段的出流量(m3s-1);Cout,0代表源头水的污染物浓度,Cout,i-1为第i-1个河段污染物输出浓度(mg m-3),Cout,i为河段i的污染物输出浓度(mg m-3),Cout,n为目标河段的污染物浓度(mg m-3)。
步骤7),反算结果可视化展示
如图4所示,根据污染源贡献比例计算结果,以柱状图的形式显示各个污染源对目标断面的贡献比例。
Claims (4)
1.一种复杂河网中污染源贡献比例的计算方法,其特征在于:包括如下步骤:
步骤1),复杂河网概化
综合考虑水文水力条件、污染源位置、支流汇入位置,将复杂河网的河道中心线概化成若干长度相同、首尾相连的一维恒定非均匀流河段,形成网格状的概化河网;
步骤2),河网干流确定
根据河流流向,将步骤1)概化河网中所有连接目标断面和源头的路径设定为潜在干流,将各潜在干流中污染负荷通量总和最高的路径确定为河网干流;
步骤3),干流基础数据获取
根据步骤2)得到的河网干流,收集干流各河段边界断面的流量和污染物本底浓度数据;
步骤4),干流污染源数据获取
收集干流各河段点源和面源的污染源位置、种类、排放时间、排放流量、污染物浓度数据;
步骤5),污染物迁移转化模拟
构建污染物质量守恒一维数值模型,通过一维水质平衡方程采用有限差分法求解其数值解,计算河网干流各河段边界断面上待测污染物随时间的动态变化;
步骤6),污染源贡献比例分析
计算进入河段i的污染负荷量及河段i中污染源j对特定断面的污染通量贡献比例,得到污染源贡献比例计算结果。
2.根据权利要求1所述的一种复杂河网中污染源贡献比例的计算方法,其特征在于:步骤5)中,所述的一维水质平衡方程如公式(1)所示:
其中,Ci为河段i的污染物浓度,单位为mg L-1,Ci-1为河段i-1的污染物浓度,单位为mgL-1,Ci+1为河段i+1的污染物浓度,单位为mg L-1,Qi-1为河段i的入流量,单位为m3s-1,Qi为河段i的出流量,单位为m3s-1,Qpump,i为河段i的取水量,单位为m3s-1,Vi为河段i的体积,单位为L,Ei为河段i的弥散系数,单位为Ld-1,Ei-1为河段i-1的弥散系数,单位为Ld-1,Wi为河段i的外源负荷量,单位为mg d-1,Si为因化学反应或物质交换的负荷量,单位为mg L-1d-1,Ehyp,i为河段i的底质交换系数,单位为Ld-1,Cs,i为河段i底质中的污染物浓度,t为时间s。
3.根据权利要求2所述的一种复杂河网中污染源贡献比例的计算方法,其特征在于:步骤6)中,进入河段i的污染负荷量Wi参照公式(2):
其中,Wi为河段i的污染源负荷;Nps,i为流入河段i的点源个数;Nnps,i为流入河段i的非点源个数;Cps,i,j为点源j污染物浓度,单位为mg m-3;Cnps,i,j为非点源j的污染物浓度,单位为mg m-3;Qps,i,j为点源j的流量,单位为m3d-1;Qnps,i,j为非点源j的流量,单位为m3d-1;Li,j为非点源j流入河段i的长度,单位为m;ΔXi,j为河段i和非点源j重叠部分的长度,单位为m;
河段i(i=1,2,…n)的污染物通量变化率Ki参照公式(3):
河段i(i=1,2,…n)的第j个污染源对特定断面的污染通量贡献比例参照公式(4)~(5):
其中,为河段i中第j个点源对目标河段n的污染贡献率;为第i个河段中所涉及的第j个面源的直接污染负荷量对目标河段n的污染贡献率;Qout,0代表源头水流量,Qout,i-1为第i-1个河段的出流量,单位为m3s-1,Qout,i为河段i的出流量,单位为m3s-1,Qout,n为目标河段的出流量,单位为m3s-1;Cout,0代表源头水的污染物浓度,Cout,i-1为第i-1个河段污染物输出浓度,单位为mg m-3,Cout,i为河段i的污染物输出浓度,单位为mg m-3,Cout,n为目标河段的污染物浓度,单位为mg m-3。
4.根据权利要求1所述的一种复杂河网中污染源贡献比例的计算方法,其特征在于:步骤6)中,根据所述的污染源贡献比例计算结果,以柱状图的形式可视化展示各个污染源对目标断面的贡献比例。
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