CN109726891A

CN109726891A - 一种河流灰水足迹评估方法及其应用

Info

Publication number: CN109726891A
Application number: CN201811420062.2A
Authority: CN
Inventors: 杨中文; 马淑芹; 张远; 夏瑞; 薛婕; 王璐; 陈焰; 张鲁骏; 王晓; 杨辰
Original assignee: Chinese Research Academy of Environmental Sciences
Current assignee: Chinese Research Academy of Environmental Sciences
Priority date: 2018-11-26
Filing date: 2018-11-26
Publication date: 2019-05-07

Abstract

本发明属于水环境保护领域，具体涉及一种河流灰水足迹评估方法及其应用。本发明充分考虑了点源污染物在河道的迁移和衰减效应，基于一维水质模型的排污与控制断面水质响应关系，定量化污水排放产生的灰水足迹；本发明提出了一种新的灰水足迹的评估方法：可有效量化较高时空分辨率的灰水足迹。以流量形式表征灰水足迹量，同时聚焦具体污染源对特定河段的水环境影响，能有效反映小尺度空间单元污水排放产生的灰水足迹过程，评估结果可累计到更高时间尺度。

Description

一种河流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，具体涉及一种河流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一定环境水质标准所需的淡水的体积。因而，基于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 WaterFootprint Assessment Manual)，认为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)；ρ_s为污染物的水质标准浓度(kg/m³)；ρ_n为受纳水体的自然本底水质浓度(kg/m³)。然而，该灰水足迹的评估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，与实际情况有较大的出入，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，但是仅考虑对污染物的静态稀释作用，并未考虑污染物实际随水流不断移动和降解的问题。

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没有考虑污染物随水流不断移动和降解的缺陷，从而提供一种河流灰水足迹评估方法及其应用。

为此，本发明的技术方案如下：

一种河流灰水足迹评估方法，包括以下步骤：

(1)构建待评估河流一维水质模型：

C(x)＝C`R

式中，C(x)为控制断面污染物浓度，mg/L；C`为基准断面污染物的起始浓度，mg/L；R为污染物沿程累计衰减系数；

(2)计算基准断面污染物起始浓度C`：

式中，Q₀为基准断面上游来水流量，m³/s；C₀为基准断面上游来水中污染物浓度，mg/L；Q₁为基准断面处点源排污水量，m³/s；C₁为基准断面处排放污水中的污染物浓度，mg/L。

(3)计算待评估河流灰水足迹：

令Q₀＝GWF_ps，C(x)＝Cs；

即

得，

式中，GWF_ps为待评估河段灰水足迹，m³/s；Cs为控制断面污染物的水环境质量标准浓度，g/m³。

进一步地，所述步骤(1)中，所述R的计算方法为：

式中，x为控制断面至基准断面的距离，m；k为污染物综合衰减系数，1/d；μ为河段设计平均流速，m/s。

进一步地，所述k值通过分析借用法或实测法确定。

进一步地，所述实测法是选取一个评估河段中间某段河道顺直、水流稳定、中间无支流汇入、无排污口的子河段，分别在子河段上游(A点)和下游(B点)布设采样点，监测污染物浓度值，同时通过测验水文参数确定子河段平均流速，并按下列公式计算：

式中：k为污染物综合衰减系数，1/d；C_A为上断面污染物浓度，mg/L；C_B为下断面污染物浓度，mg/L；L为子河段长度，km；v为子河段平均流速，km/d。

进一步地，所述Q₁、C₁、Cs和C₀值通过待评估河段的污染数据确定。

进一步地，所述污染数据包括排污流量数据、排污浓度数据、来水背景浓度数据和控制断面水质标准数据。

进一步地，所述Q₁值通过排污流量数据确定；所述C₁通过排污浓度数据确定；所述和Cs值通过控制断面水质标准数据确定；所述C₀值通过来水背景浓度数据确定。

进一步地，所述x值通过空间数据确定。

进一步地，所述空间数据包括水系分布数据、排污口位置数据和河段控制断面位置数据。

进一步地，所述μ值通过水文数据确定。

进一步地，所述水文数据为流速数据。

本发明还提供一种上述评估方法在量化高时空分辨率的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.本发明提供的一种河流灰水足迹评估方法，充分考虑了点源污染物在河道的迁移和衰减效应，基于一维水质模型的排污与控制断面水质响应关系，定量化污水排放产生的灰水足迹。

2.本发明提供的一种河流灰水足迹评估方法，可有效量化较高时空分辨率的灰水足迹。以流量形式表征灰水足迹量(单位为m³/s)，同时聚焦具体污染源对特定河段的水环境影响，能有效反映小尺度空间单元污水排放产生的灰水足迹过程，评估结果可累计到更大时间尺度(如日、月、年)。

附图说明

图1是河段点源排污迁移削减示意图；

图2是河段点源排污灰水足迹示意图；

图3为实施例1中待评估河段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。

本发明针对点源污水排放对河流水质过程的影响，基于一维水质模型改进灰水足迹评估方法，以期使相应灰水足迹评估结果更能反映实际情况，有效表征小尺度空间单元内污水排放的水环境影响，促进灰水足迹评价技术的推广应用。

对于宽深比不大的河流，污染物可在较短时间内均匀混合，并沿河流流向迁移削减。一维水质模型主要用于模拟点源排污后污染物沿河流纵向迁移转化过程，在稳态或准稳态情况下，其数学表达式如下：

C(x)＝C`R (1)

其中，

式中，C(x)为控制断面污染物浓度，mg/L；x为控制断面至基准断面的距离，m；C`为基准断面污染物的起始浓度，mg/L；k为污染物综合衰减系数，1/d；μ为河段设计平均流速，m/s；Q₀为基准断面上游来水流量，m³/s；C₀为基准断面上游来水中污染物浓度，mg/L；Q₁为基准断面处点源排污水量，m³/s；C₁为基准断面处排放污水中的污染物浓度，mg/L。

基于一维水质模型，本发明将河道点源排污的灰水足迹定义为：以某河道某控制断面水环境质量目标为约束，使上游基准断面处一定强度的点源排污负荷充分稀释后，经迁移衰减至满足该控制断面水环境质量标准所需的基准断面上游来水流量(在一定污染物背景浓度下)。如图1所示，为河段点源排污迁移削减示意图。据此，可假设某点源排污的灰水足迹为GWF_ps(m³/s)，相应河段点源排污灰水足迹示意图如图2所示，此时，根据式(1)可得到以下方程式：

式中，Cs为控制断面污染物的水环境质量标准浓度，g/m³。

由式(2)进一步推导得灰水足迹的评估公式为：

式中，R为污染物沿程累计衰减系数，常数。

由式(3)可知，针对河道点源排污过程，本发明灰水足迹评估方法考虑了污染物自基准断面到控制断面的沿程迁移和衰减机理，能够量化瞬时排污产生的瞬时灰水足迹(以流量形式表达，m³/s)，可用于小尺度空间单元高时间分辨率的灰水足迹评价。

采用本发明的评估方法需要收集的数据包括空间数据、污染数据和水文数据；其中，空间数据包括水系分布数据、排污口数据和河段控制断面位置数据；污染数据包括排污流量数据、排污浓度数据、来水背景浓度数据和控制断面水质标准数据。水文数据包括流速数据。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：

Q₁为基准断面处点源排污水量，m³/s：依据收集的污染数据中排污流量数据确定。

C₁为基准断面处排放污水中的污染物浓度，mg/L：依据收集的污染数据中排污浓度数据确定。

Cs为控制断面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控制断面水质标准确定。

C₀为基准断面上游来水中的污染物浓度，mg/L：依据收集的污染数据中来水背景浓度数据确定。

k为污染物综合衰减系数，1/d：采用分析借用法、实测法确定；

分析借用法是将待评估河段以往工作和研究中的有关资料分析检验后采用，无待评估河段资料时，借用水力特征、污染状况及地理、气象条件相似的邻近河流的资料；

实测法是选取一个评估河段中间某段河道顺直、水流稳定、中间无支流汇入、无排污口的子河段，分别在子河段上游(A点)和下游(B点)布设采样点，监测污染物浓度值，同时通过测验水文参数确定子河段平均流速，并按下列公式计算：

x为控制断面至基准断面的距离，m：依据收集的水系shp格式数据，排污口和控制断面位置数据，利用ArcGIS软件工具，识别排污口(基准断面)到控制断面间河道分布，并基于ArcGIS地理分析功能计算河段的实际长度。

μ为河段设计平均流速，m/s：依据收集的邻近水文站近10年平水期历史监测流速均值作为设计平均流速；对于水文站距离较远或没有历史监测情况，可在平水期采用现场监测方式获取。

实施例1

某河段某一点源排污过程的灰水足迹评估。

待评估河段收集处理后的空间数据、污染数据和水文数据如表2所示。

表2待评估河段基础数据

确定灰水足迹评估公式中各参数：

Q₁为基准断面处点源排污水量，m³/s：依据收集的污染数据中排污流量数据确定为0.3m³/s。

C₁为基准断面处排放污水中的污染物浓度，mg/L：依据收集的污染数据中排污浓度数据确定为50mg/L。

Cs为控制断面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控制断面水质标准确定为地表水IV类，其COD浓度为30mg/L。

C₀为基准断面上游来水中的污染物浓度，mg/L：依据收集的污染数据中来水背景浓度数据确定为30mg/L。

k为污染物综合衰减系数，1/d：采用分析借用法，分析借用相关文献资料，确定该河段COD降解系数为0.12/d。

x为控制断面至基准断面的距离，m：依据收集的水系shp格式数据，排污口和控制断面位置数据，基于ArcGIS地理分析功能计算该河段的实际长度为15200m。

μ为河段设计平均流速，m/s：针对平水期现场监测结果，获取评价流速为0.2m/s。

该待评估河流灰水足迹评估方法如下：

(1)构建待评估河流一维水质模型：

C(x)＝C`R

(2)计算基准断面污染物起始浓度C`：

(3)计算待评估河流灰水足迹：

令Q₀＝GWF_ps，C(x)＝Cs；

即

得，

将相关数据代入公式，得待评估河段的灰水足迹GWF_ps为：

经计算GWF_ps为1.4965m3/s，即该河段在具体点源污染下的灰水足迹为1.4965m³/s。

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

1.一种河流灰水足迹评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)构建待评估河流一维水质模型：

C(x)＝C`R

(2)计算基准断面污染物起始浓度C`：

(3)计算待评估河流的灰水足迹：

令Q₀＝GWF_ps，C(x)＝Cs；

即

得，

2.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，步骤(1)中，所述R的计算方法为：

3.根据权利要求2所述的评估方法，其特征在于，所述k值通过分析借用法或实测法确定。

4.根据权利要求3所述的评估方法，其特征在于，所述实测法是选取一个评估河段中间某段河道顺直、水流稳定、中间无支流汇入、无排污口的子河段，分别在子河段上游(A点)和下游(B点)布设采样点，监测污染物浓度值，同时通过测验水文参数以确定子河段平均流速，并按下列公式计算：

5.根据权利要求1-4任一项所述的评估方法，其特征在于，所述Q₁、C₁、Cs和C₀值通过待评估河段的污染数据确定。

6.根据权利要求5所述的评估方法，其特征在于，所述污染数据包括排污流量数据、排污浓度数据、来水背景浓度数据和控制断面水质标准数据。

7.根据权利要求2所述的评估方法，其特征在于，所述x值通过空间数据确定。

8.根据权利要求7所述的评估方法，其特征在于，所述空间数据包括水系分布数据、排污口位置数据和河段控制断面位置数据。

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μ值通过水文数据确定。

10.一种如权利要求1-9任一项所述的评估方法在评估高时空分辨率的小尺度空间单元内污水排放的灰水足迹中的应用。