CN109326332A - 潮汐水网区水环境容量计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种潮汐水网区水环境容量计算方法，提出考虑点面源协同影响的基于数理统计分析方法的潮汐水网区水环境容量计算方法。针对潮汐水网区水流流向、流量大小、浓度变化等水文水质参数的不确定性，将非确定性中频率统计分析方法与确定性的降雨产流、面源产污及河网水文水质数学模型相结合，提出考虑点面源协同影响的基于控制断面水质达标的水环境容量计算方法，克服了现有河网水环境容量计算方法在确保控制断面水质达标保证率方面的不足。

Description

潮汐水网区水环境容量计算方法

技术领域

本发明涉及一种潮汐水网区水环境容量计算方法，具体涉及一种基于控制断面水质达标的水环境容量计算方法。

背景技术

水环境容量是容量总量控制技术体系的核心内容之一，其指水体在满足水环境功能相对应的水质标准值的前提下，所能容纳的最大污染物数量，也有文献将其称为纳污能力。当前学者对环境容量、纳污能力进行过大量的研究，得到了一系列丰富的研究成果。其中，针对单一河流的研究成果相对较多，应用也较为广泛。但对于潮汐水网地区，由于水流运动的复杂性、污染物迁移时间过程、空间分布的不确定性，关于水环境容量计算方法的研究则相对欠缺，且被接受度较低。针对潮汐河网流向不定的特性，当前学者大多在计算单一河道往、复流出现的时间频率及设计流量的基础上，再分别计算往、复流相应的环境容量，最后以往复流出现的时间频率作为权重，采用加权系数法计算得到河道对应的环境容量，此类方法虽然考虑了两个不同流量对应的环境容量的差异，但加权平均无法考虑水质达标的保证率，以此控制区域排污，可能导致控制断面水质高频次超标，背离了环境容量对水质稳定(相应保证率)达标的最基本要求。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种潮汐水网区水环境容量计算方法，针对潮汐河网区水流流向、流量大小、浓度变化等水文水质参数的不确定性，采用统计分析方法得到与水质达标保证率相应的控制断面污染物允许最大浓度，并据此导得点源、面源水环境容量计算公式，提出考虑点面源协同影响的基于控制断面水质达标的水环境容量计算方法；为区域污染物总量控制提供更为精准的环境容量数据。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明提出基于控制断面水质达标的水环境容量的概念；依据水功能区水质边界条件，在设计水文条件下，满足控制断面水质达标率要求的研究区域内入河污染源的最大允许排放量，即为基于控制断面水质达标率的水环境容量。

一种潮汐水网区水环境容量计算方法，基于控制断面水质达标的水环境容量计算方法，包括：

以研究区域控制断面水质达标为约束条件，基于河网水动力、水质模型，在设计水文条件下，通过计算点、面源现状污染物负荷对控制断面污染物浓度贡献值的年内变化时间序列，即得到反映控制断面污染物浓度与各污染源污染物负荷的数学响应关系的时间序列矩阵；

根据控制断面污染物浓度时间变化序列，得到现状污染源状态下控制断面浓度～频率关系曲线，根据控制断面水质达标时间保证率，得到对应的浓度值；

最后，在区域污染源控制准则(如按现行应用比较广泛的现状排污同比例控制)设定的前提下，依据数学响应函数关系，由控制断面水质标准值、现状排污对应浓度值可推算得到控制区域各类污染物最大允许排放量，即区域水污染物环境容量。

所述的潮汐水网区水环境容量计算方法，其特征在于，具体包括：

1)控制断面污染物浓度与影响因子的数学响应关系识别

控制断面污染物浓度时间变化过程用数学函数表示为：

C＝F(C_B,W_P,W_N,W_S) (1)

式中，C为控制断面污染物浓度，C_B为控制区域所有入流边界断面污染物浓度，W_P、W_N、W_S分别为控制区点源、面源、底泥相应的污染物释放强度；

2)各类污染源对控制断面污染物浓度响应的时间序列

采用非稳态河网水质数学模型，计算得到设计水文条件，各个入流边界断面污染物入流过程在控制断面污染物浓度响应的时间变化序列{C_B}，用列向量表示为：

{C_B}＝(c_B(1),c_B(2),…c_B(i),…c_B(N))^T,i＝1,2,…N (2)

式中，T表示向量转置，N为时间序列长度，对于典型水文年可取为365天，C_B(i)为所有入流边界污染物入流通量在控制断面的第i个时段的浓度响应值，单位为mg/L；其中，入流污染物浓度根据控制区域入流边界水质管理目标要求确定；

流域内面源污染负荷入河过程在控制断面污染物浓度响应的时间变化序列{C_N}，用向量表示为：

{C_N}＝(c_N(1),c_N(2),…c_N(i),…c_N(N))^T,i＝1,2,…N (3)

沉积物中污染物排放过程在考核断面污染物浓度响应的时间变化序列{C_SS}，用向量表示为：

{C_SS}＝(c_SS(1),c_SS(2),…c_SS(i),…c_SS(N))^T,i＝1,2,…N (4)

点源污染物参照现状排污口设置情况，计算现状排放口、现状污染源强排放在控制断面污染物浓度响应的时间变化序列{C_P}，用向量表示为：

{C_P}＝(c_P(1),c_P(2),…c_P(i),…c_P(N))^T,i＝1,2,…N (5)

控制断面污染物浓度时间变化过程{C_C}可用向量表示为：

{C_C}＝{C_B}+{C_N}+{C_SS}+{C_P} (6)

C_N流域内面源污染负荷对控制断面污染物浓度贡献值；C_SS为沉积物中污染物对控制断面污染物浓度贡献值；C_P为流域内点源污染负荷对控制断面污染物浓度贡献值；CC为控制断面污染物浓度值；

3)控制断面污染物浓度与污染负荷响应关系时间序列

由式(5)，分别计算得到设计水文条件下(一般采用典型水文年)与各污染因子现状条件相对应的控制断面污染物浓度随时间变化过程；

设现状各污染源污染物排放量为Q，设与保证率p对应的各污染源污染物排放量(即环境容量)为W，则与W相对应的控制断面污染物浓度时间变化序列{C_C，w}相应表示为

{C_C，w}＝{C_c，w(1)，C_c，w(2)，…，C_c，w(i)，…，C_c，w(N)}^T，

与各污染因子的浓度响应关系为:

C_C，w为与保证率p相对应的控制断面污染物浓度；

4)环境容量计算方法

设与保证率p相对应的污染物浓度为C_C，W；在设计水文条件污染因子作为给定的背景值的情况下，C_C，W＝f(W)，因此环境容量W的求解可归结为求解各污染源污染物排放量使得与保证率p对应的控制断面C污染物浓度满足水质目标C_S，可表述为数学最优化问题：

采用最优化解法的曲线拟合法，绘制现状污染源状态下控制断面浓度～频率关系曲线，根据控制断面水质达标时间保证率，得到对应的浓度值；最后，在区域污染源控制准则(如按现行应用比较广泛的现状排污同比例控制)设定的前提下，依据数学响应函数关系，由控制断面水质标准值、现状排污对应浓度值可推算得到控制区域各类污染物最大允许排放量，即区域水污染物环境容量。

有益效果：本发明提供的一种潮汐水网区水环境容量计算方法，针对潮汐水网区水流流向、流量大小、浓度变化等水文水质参数的不确定性，将非确定性中频率统计分析方法与确定性的降雨产流、面源产污及河网水文水质数学模型相结合，提出考虑点面源协同影响的基于控制断面水质达标的水环境容量计算方法，克服了现有河网水环境容量计算方法在确保控制断面水质达标保证率方面的不足。本发明方法将非确定性中频率统计分析方法与确定性的降雨产流、面源产污及河网水文水质数学模型相结合，得到设计保证率对应的点、面源污染物环境容量，克服了现有河网水环境容量计算方法在确保控制断面水质达标保证率方面的不足。

附图说明

图1为现状污染源状态下控制断面COD浓度-频率关系曲线；

图2为现状污染源状态下控制断面氨氮浓度-频率关系曲线；

图3为现状污染源状态下控制断面总磷浓度-频率关系曲线；

图4为控制断面COD浓度曲线；

图5为控制断面氨氮浓度曲线；

图6为控制断面总磷浓度曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。

实施例：

1研究区域概况

位于江苏省宜兴市西氿湖水系，地处太湖之西，滆湖之南，属太湖流域南溪水系，为典型潮汐河网。汇水区域包括南溪河、北溪河、邮芳河等多条河流。其中西氿大桥断面为该水系水环境质量考核代表断面，水质目标为地表水Ⅲ类。

2考虑降雨产流的河网水动力模型建立

(1)边界条件根据流域长系列年降雨量资料进行频率分析，选取与90％保证率相匹配的2000年为设计枯水典型年，通过太湖流域水动力边界提取水位或流量时间变化过程作为边界条件，共13个流量边界，4个水位边界。对于降雨产流入河过程，按空间位置关系识别陆域单元与入流河段的对应关系，再根据产流系数计算各单元产流量，最后按时间分配比例确定陆域产流入河的时间分配过程，实现陆域产流与河网汇流的时间空间耦合。

(2)参数取值及水模型验证参照该地区历史研究成果确定河道糙率,采用西氿宜兴(西)站逐日水位观测资料进行验证，对比显示水位计算值与实测值吻合很好，平均误差0.03m。

3基于面源入河时间变化的河网水质模型建立

(1)边界条件根据入流边界相邻上游水体水功能区划对应的水质目标，给定入流断面浓度时间变化过程，对于出流边界采用第二类边界条件。

(2)点源、面源概化研究区域共有10个点源排污口，按排口位置设定与计算子河段的对应关系。同上述陆域产汇流单元与河道对应关系，识别陆域单元产污与入流河段的对应关系，再根据时间降雨产流面源污染物浓度变化过程研究试验经验值，确定陆域产污入河的时间分配过程，实现陆域面源产污负荷与河网污染物输运的时、空动态耦合。

(3)参数取值及模型验证根据该区域相关研究成果确定污染物降解系数、污染物分散系数等水质参数。采用西氿大桥断面水质监测数据进行验证，水质计算值与实测值对比结果，西氿大桥断面水质计算值与实测值吻合良好，COD平均相对误差13.5％，氨氮平均相对误差16.8％。

4水环境容量计算结果与水质达标保证率验证

基于最优化解法的曲线拟合法，以控制断面污染物浓度为横坐标，控制断面水质达标保证率为纵坐标，绘制现状污染源状态下控制断面浓度～频率关系曲线，如图1至图3所示。拟合曲线能反映控制断面污染物浓度与水质达标保证率的对应关系，根据控制断面水质达标时间保证率(90％)，得到其对应的浓度值(COD为21.93mg/L，氨氮为1.25mg/L，总磷为0.28mg/L)，根据公式(7)由控制断面水质标准值、现状污染负荷，计算得到控制断面水质达标保证率为90％时对应的污染物排放量，即基于90％保证率的COD、氨氮、总磷水环境容量，COD为2773.64t/a，氨氮为255.28t/a，总磷为32.12t/a，计算结果见表1。

表1研究区域水污染物环境容量

研究区域水环境容量结果合理性分析：

将各概化排污口最大允许排放量输入模型，通过分析在该排放数量排放下的控制断面水质达标率来验证容量计算结果的合理性。

模型预测的结果表明，COD全年达标天数为330天，氨氮和总磷全年达标天数为329天，控制断面水质达标率约为90％，控制断面COD、氨氮和总磷浓度值全年90％情况下均可以实现Ⅲ类水质目标，结果如图4至图6所示。

综上，基于控制断面水质达标的水环境容量计算结果基本合理。

无论是单一河流，还是复杂河网，当单一河段或河网区域存在若干个排放口时，环境容量的计算必须考虑排污口的空间布局及各个排口污染负荷的分配原则，本发明采用按现状等比例分配污染负荷，是目前环境容量常用处理方法之一，如需改变排放口分配原则，只需增加最优化问题中的约束条件即可，本计算方法仍然适用。

本发明方法将非确定性中频率统计分析方法与确定性的降雨产流、面源产污及河网水文水质数学模型相结合，得到设计保证率对应的点、面源污染物环境容量，克服了现有河网水环境容量计算方法在确保控制断面水质达标保证率方面的不足。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种潮汐水网区水环境容量计算方法，其特征在于，包括：

以研究区域控制断面水质达标为约束条件，基于河网水动力、水质模型，在设计水文条件下，通过计算点、面源现状污染物负荷对控制断面污染物浓度贡献值的年内变化时间序列，即得到反映控制断面污染物浓度与各污染源污染物负荷的数学响应关系的时间序列矩阵；

根据控制断面污染物浓度时间变化序列，得到现状污染源状态下控制断面浓度～频率关系曲线，根据控制断面水质达标时间保证率，得到对应的浓度值；

在区域污染源控制准则设定的前提下，依据数学响应函数关系，由控制断面水质标准值、现状排污对应浓度值推算得到控制区域各类污染物最大允许排放量，即区域水污染物环境容量。

2.根据权利要求1所述的潮汐水网区水环境容量计算方法，其特征在于，基于河网水动力、水质模型，在设计水文条件下，通过计算点、面源现状污染物负荷对控制断面污染物浓度贡献值的年内变化时间序列，即得到反映控制断面污染物浓度与各污染源污染物负荷的数学响应关系的时间序列矩阵，具体是指：

控制断面污染物浓度时间变化过程用数学函数表示为：

C＝F(C_B,W_P,W_N,W_S) (1)

式中，C为控制断面污染物浓度，C_B为控制区域所有入流边界断面污染物浓度，W_P、W_N、W_S分别为控制区点源、面源、底泥相应的污染物释放强度；

采用非稳态河网水质数学模型，计算得到设计水文条件，各个入流边界断面污染物入流过程在控制断面污染物浓度响应的时间变化序列{C_B}，用列向量表示为：

{C_B}＝(c_B(1),c_B(2),…c_B(i),…c_B(N))^T,i＝1,2,…N (2)

式中，T表示向量转置，N为时间序列长度，C_B(i)为所有入流边界污染物入流通量在控制断面的第i个时段的浓度响应值，单位为mg/L；

流域内面源污染负荷入河过程在控制断面污染物浓度响应的时间变化序列{C_N}，用向量表示为：

{C_N}＝(c_N(1),c_N(2),…c_N(i),…c_N(N))^T,i＝1,2,…N (3)

沉积物中污染物排放过程在考核断面污染物浓度响应的时间变化序列{C_SS}，用向量表示为：

{C_SS}＝(c_SS(1),c_SS(2),…c_SS(i),…c_SS(N))^T,i＝1,2,…N (4)

点源污染物参照现状排污口设置情况，计算现状排放口、现状污染源强排放在控制断面污染物浓度响应的时间变化序列{C_P}，用向量表示为：

{C_P}＝(c_P(1),c_P(2),…c_P(i),…c_P(N))^T,i＝1,2,…N (5)

控制断面污染物浓度时间变化过程{C_C}可用向量表示为：

{C_C}＝{C_B}+{C_N}+{C_SS}+{C_P} (6)

C_N为流域内面源污染负荷对控制断面污染物浓度贡献值；C_SS为沉积物中污染物对控制断面污染物浓度贡献值；C_P为流域内点源污染负荷对控制断面污染物浓度贡献值；C_C为控制断面污染物浓度值；

由式(5)，分别计算得到设计水文条件下与各污染因子现状条件相对应的控制断面污染物浓度随时间变化过程；

设现状各污染源污染物排放量为Q，与保证率p对应的各污染源污染物排放量即环境容量为W，则与各污染源污染物排放量W相对应的控制断面污染物浓度时间变化序列{C_C，w}相应表示为

{C_C，w}＝{C_c，w(1)，C_c，w(2)，…，C_c，w(i)，…，C_c，w(N)}^T，

与各污染因子的浓度响应关系为:

C_C，w为与保证率p相对应的控制断面污染物浓度。

3.根据权利要求2所述的潮汐水网区水环境容量计算方法，其特征在于，环境容量W的求解可归结为求解各污染源污染物排放量使得与保证率p对应的控制断面污染物浓度C满足水质目标C_S，可表述为数学最优化问题：

采用最优化解法的曲线拟合法，绘制现状污染源状态下控制断面浓度～频率关系曲线，根据控制断面水质达标时间保证率，得到对应的浓度值；

最后，在区域污染源控制准则设定的前提下，依据数学响应函数关系，由控制断面水质标准值、现状排污对应浓度值推算得到控制区域各类污染物最大允许排放量W，即区域水污染物环境容量W。

4.根据权利要求2所述的潮汐水网区水环境容量计算方法，其特征在于：N为时间序列长度，对于典型水文年取为365天。

5.根据权利要求2所述的潮汐水网区水环境容量计算方法，其特征在于：入流污染物浓度根据控制区域入流边界水质管理目标要求确定。

6.根据权利要求2所述的潮汐水网区水环境容量计算方法，其特征在于，控制断面水质达标时间保证率p为90％。