CN109633111A - 一种湖库灰水足迹评估方法及其应用 - Google Patents

一种湖库灰水足迹评估方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于水环境保护领域，具体涉及一种湖库灰水足迹评估方法及其应用。本发明充分考虑了污染物在湖库中的混合与衰减效应，基于零维水质模型的湖库稳态反应，定量化了污水排放产生的湖库灰水足迹；本发明提出了一种新的灰水足迹的评估方法：能够反映具体污染源对特定湖库的水环境影响程度，使得小尺度湖库单元排污产生的灰水足迹的评估结果更加可靠。

Description

一种湖库灰水足迹评估方法及其应用
技术领域
本发明属于水环境保护领域，具体涉及一种湖库灰水足迹评估方法及其应用。
背景技术
灰水足迹(GWF,Gray Water Footprint)是与水污染有关的指标，表征经济社会排污过程对河湖等水体的环境影响。灰水足迹一般被定义为以自然本底浓度和现有的环境水质标准为基准，将一定污染负荷稀释至满足特定环境水质标准所需淡水的体积。因而，灰水足迹评估可定量化评价污水排放引起的自然水体纳污能力的消耗，即对水环境的压力效应。水足迹评估将污水排放对水体的影响量化为水量，能较直观的反映水污染对水资源水环境的胁迫程度。依据国家水足迹网络出版的《水足迹评估手册》(The Water FootprintAssessment Manual)，水污染的程度和规模可以通过稀释污染物至无害所需的新鲜水量来反映，具体评估公式如下：式中，GWF为灰水足迹(m3年)；Load为排污量(kg/年)；ρs为污染物的水质标准浓度(kg/m3)；ρn为受纳水体的自然本底水质浓度(kg/m3)。然而，该灰水足迹评估方法主要针对大尺度流域/区域，如全球、国家、省市、大尺度流域层面，使得灰水足迹的评价结果仅停留在宏观层面，无法有效量化如特定湖库等小尺度空间单元内污水排放的灰水足迹；而且该评估方法将灰水足迹表征为将污染物稀释至水质标准允许下的最大浓度时所需的淡水水量，与实际情况有较大出入，无法有效指导具体区域水环境保护工作落实。因此，许多学者针对实际情况对灰水足迹的评估方法进行了改进，如王丹阳等(王丹阳,李景保,叶亚亚,谭芬芳.一种改进的灰水足迹计算方法[J].自然资源学报,2015,30(12):2120-2130.)将污染物分解到不同水体，计算各水体的灰水足迹，再求和得到总灰水足迹，能够使计算结果更加准确，并反映不同水体的污染情况。现有技术中虽然针对不同实际情况对传统的灰水足迹计算公式进行了改进，但是目前并没有将污染物与水体不断混合并反应降解的过程纳入考虑。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的灰水足迹评估中没有考虑污染物在水体中充分混合与反应降解过程的缺陷，从而提供一种湖库灰水足迹评估方法及其应用。
为此，本发明的技术方案如下：
一种湖库灰水足迹评估方法，包括以下步骤：
(1)构建待评估湖库零维水质模型：
式中，V为湖库中水的体积，m3；Q为平衡时流入与流出湖库的流量，m3/a；Ce为流入湖库的水量中水质组分浓度，g/m3；C为湖库中水质组分浓度，g/m3；γ(c)为水质组分在湖库中的降解速率。
(2)计算水质组分在湖库中的反应速率γ(c)：
反应符合一级反应动力学衰减反应时：γ(c)＝-365kC，式中，k是一级反应速率常数，即污染物一级反应衰减系数，1/d。
(3)当待评估湖库处于稳态时，零维水质模型为：
令C＝CL；
则QCe-QCL-365kCLV＝0
式中，CL为当湖库水质浓度处于稳定状态时的污染物浓度，g/m3。
(4)计算待评估湖库灰水足迹：
令，CL＝CS，V＝GWFL；
即QCe-QCS-365kCSGWFL＝0
得
式中，GWFL为待评估湖库灰水足迹，m3；CS为湖库污染物的水环境质量标准浓度，g/m3。
进一步地，所述Q值通过待评估湖库的水体数据确定。
进一步地，所述水体数据包括湖库径流量数据和降解数据。
进一步地，所述Ce值和CS值通过待评估湖库的污染数据确定。
进一步地，所述污染数据包括排污负荷数据和湖库水质标准数据。
进一步地，所述Ce值通过待评估湖库的排污负荷数据确定。
进一步地，所述Ce值按下式计算：Ce＝M/Q，其中，M为入湖库年排污负荷，g/a；Q为平衡时流入与流出湖库的流量，m3/a。
进一步地，所述CS值通过待评估湖库水质标准数据确定。
进一步地，所述k值采用分析借用法确定。
进一步地，将待评估湖库以往工作和研究中的有关资料分析检验后采用；无待评估湖库资料时，借用水力特征、污染状况及地理、气象条件相似的邻近湖库资料确定。
进一步地，评估过程还需要收集空间数据。
进一步地，所述空间数据包括湖库范围数据和排污口位置数据。
本发明还提供一种上述评估方法在量化小尺度空间单元内污水排放的灰水足迹中的应用。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的一种湖库灰水足迹评估方法，充分考虑了污染物在湖库中的混合与衰减效应，基于零维水质模型的湖库稳态反应，定量化评估了污水排放产生的湖库灰水足迹。
2.本发明提供的一种湖库灰水足迹评估方法，可有效量化具体湖库范围的灰水足迹，能够反映具体污染源对特定湖库水环境的影响程度，使得小尺度湖库单元排污产生的灰水足迹的计算结果更加准确和合理。
附图说明
图1是湖库点源排污稳态示意图；
图2是湖库点源排污灰水足迹示意图；
图3为实施例1中待评估湖泊点源排污灰水足迹图。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
本发明针对排污对湖库水质过程的影响这一问题，基于零维水质模型改进灰水足迹评估方法，使相应灰水足迹评估结果更能反映实际情况，有效表征特定湖库空间单元内污水排放的水环境影响，促进灰水足迹评估技术的推广应用。
在分析湖泊、水库的长期富营养化过程时，往往可以把湖库看作一个完全混合反应器，其基本方程为：
式中，V为湖库中水的体积，m3；Q为平衡时流入与流出湖库的流量，m3/a；Ce为流入湖库的水量中水质组分浓度，g/m3；C为湖库中水质组分浓度，g/m3；S为如非点源一类的外部源和汇，g；γ(c)为水质组分在湖库中的降解速率。
式(1)为零维水质组分的基本方程。若反应器中只有反应过程，不考虑非点源一类的外部源和汇，则S＝0，此时，公式(1)变为：
此外，当考虑水质组分在反应器内的反应符合一级反应动力学衰减反应时：
γ(c)＝-365kC (3)
式中，k是一级反应速率常数，即污染物一级反应衰减系数，1/d。将式(3)代入式(2)，得：
当反应器处于稳定状态时，C＝CL可得到下式：
QCe-QCL-365kCLV＝0 (5)
式中，CL为当湖库水质浓度处于稳定状态时的污染物浓度，g/m3。解方程(5)可得：
基于湖库零维水质模型，本发明将湖库排污的灰水足迹定义为：以湖库水环境质量标准为约束，使一定强度的污染物负荷排入并经充分混合衰减至稳定状态时，水质满足该湖库水环境质量标准所需维持的湖库水量。如图1所示，为湖库点源排污稳态示意图。在此基础上，设某排污过程的湖库灰水足迹为GWFL(m3)，相应的湖库点源排污灰水足迹示意图如图2所示，此时，根据式(6)得到以下方程式：
式中，CS为湖库污染物的水环境质量标准浓度，g/m3。
由式(7)进一步推导得到灰水足迹评估公式为：
由式(8)可知，针对湖库的污染排放水环境影响，本发明的灰水足迹评估方法考虑了污染物入湖库后经充分混合和降解达到稳定状态，所产生的灰水足迹(以水量形式表达，m3)，可用于小尺度湖库单元的灰水足迹评估。
采用本发明的评估方法需要收集的数据包括空间数据、污染数据、水体数据和降解数据；其中，空间数据包括湖库范围数据和排污口数据；污染数据包括排污负荷数据和湖库水质标准数据；水体数据包括湖库径流量数据，降解数据涉及污染物反应衰减系数相关资料；具体如表1所示。
表1灰水足迹评估基础数据需求表
灰水足迹评估公式中具体参数的确定方法为：
Q平衡时流入与流出湖库的流量，m3/a：依据收集的湖库径流量数据，整理多年监测数据，分析得湖库平均年出入流流量确定。
Ce流入湖库的水量中水质组分浓度，g/m3：依据收集的入湖库的排污负荷数据，按下式计算确定：Ce＝M/Q，其中，M为入湖库年排污负荷，g/a；Q为平衡时流入与流出湖库的流量，m3/a。
k污染物一级反应衰减系数，1/d：依据降解数据，采用分析借用法，将待评估水域以往工作和研究中的有关资料分析检验后采用；无待评估水域资料时，可借用水力特征、污染状况及地理、气象条件相似的邻近湖库资料确定。一般生化需氧量(COD)降解系数一般取0.10～0.14/d。
CS湖库污染物的水环境质量标准浓度，g/m3：依据收集的污染数据中湖库水质标准确定。
实施例1
某湖泊某一点源排污过程的灰水足迹评估。
待评估湖泊收集的空间数据、污染数据和水体数据如表2所示。
表2待评估湖泊基础数据
确定灰水足迹评估公式中各参数：
Q平衡时流入与流出湖库的流量，m3/a：依据收集的湖库径流量数据，确定平均年出入流流量为9160100m3/a。
Ce流入湖库的水量中水质组分浓度，g/m3：依据收集的入湖库的排污负荷数据，按下式计算确定：Ce＝M/Q＝473040000/9160100＝51.64g/m3，其中，M为入湖库年排污负荷，g/a；Q为平衡时流入与流出湖库的流量，m3/a。
k污染物一级反应衰减系数，1/d：依据收集的降解数据，采用分析借用法，取生化需氧量(COD)降解系数为0.10/d。
CS湖库污染物的水环境质量标准浓度，g/m3：依据收集的污染数据中湖库水质标准确定为地表水III类标准，相应COD的浓度为20g/m3。
(1)构建待评估湖库零维水质模型：
式中，V为湖库中水的体积，m3；Q为平衡时流入与流出湖库的流量，m3/a；Ce为流入湖库的水量中水质组分浓度，g/m3；C为湖库中水质组分浓度，g/m3；γ(c)为水质组分在湖库中的反应速率。
(2)计算水质组分在湖库中的反应速率γ(c)：
反应符合一级反应动力学衰减反应时：γ(c)＝-365kC，式中，k是一级反应速率常数，即污染物一级反应衰减系数，1/d。
(3)当待评估湖库处于稳态时，零维水质模型为：
令C＝CL；则QCe-QCL-365kCLV＝0
式中，CL为当湖库水质浓度处于稳定状态时的污染物浓度，g/m3。
(4)计算待评估湖库灰水足迹：
令，CL＝Cs，V＝GWFL；
即QCe-QCS-365kCSGWFL＝0
得
式中，GWFL为待评估湖库灰水足迹，m3；CS为湖库污染物的水环境质量标准浓度，g/m3。
将相关数据代入得，待评估湖泊灰水足迹GWFL为：
因此，该湖泊在具体点源污染下的灰水足迹为397038.4m3/a。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种湖库灰水足迹评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)构建待评估湖库零维水质模型：
式中，V为湖库中水的体积，m3；Q为平衡时流入与流出湖库的流量，m3/a；Ce为流入湖库的水量中水质组分浓度，g/m3；C为湖库中水质组分浓度，g/m3；γ(c)为水质组分在湖库中的降解速率。
(2)计算水质组分在湖库中的反应速率γ(c)：
反应符合一级反应动力学衰减反应时：γ(c)＝-365kC，式中，k是一级反应速率常数，即污染物一级反应衰减系数，1/d。
(3)当待评估湖库处于稳态时，零维水质模型为：
令C＝CL；
则QCe-QCL-365kCLV＝0
式中，CL为当湖库水质浓度处于稳定状态时的污染物浓度，g/m3。
(4)计算待评估湖库灰水足迹：
令，CL＝Cs，V＝GWFL；
即QCe-QCS-365kCSGWFL＝0
得
式中，GWFL为待评估湖库的灰水足迹，m3；CS为湖库污染物的水环境质量标准浓度，g/m3。
2.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，所述Q值通过待评估湖库的水体数据确定。
3.根据权利要求2所述的评估方法，其特征在于，所述水体数据包括湖库径流量数据和降解数据。
4.根据权利要求1-3任一项所述的评估方法，其特征在于，所述Ce值和CS值通过待评估湖库的污染数据确定。
5.根据权利要求4所述的评估方法，其特征在于，所述污染数据包括排污负荷数据和湖库水质标准数据。
6.根据权利要求5所述的评估方法，其特征在于，所述Ce值通过待评估湖库的排污负荷数据确定。
7.根据权利要求1-6任一项所述的评估方法，其特征在于，所述Ce值按下式计算：Ce＝M/Q，其中，M为入湖库年排污负荷，g/a；Q为平衡时流入与流出湖库的流量，m3/a。
8.根据权利要求5所述的评估方法，其特征在于，所述CS值通过待评估湖库水质标准数据确定。
9.根据权利要求1-8任一项所述的评估方法，其特征在于，所述k值采用分析借用法确定。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的评估方法在量化小尺度空间单元内污水排放的灰水足迹中的应用。
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