CN110188959A - 一种城市内河水量水质优化调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市内河水量水质优化调控方法，包括以下步骤：1、对区域的降雨量与蒸发量、区域的污染源、区域的水利工程、河道基本信息、河道水环境与河道生态系统等进行现状调查；2、对区域污染源、河道水质水量、区域水环境容量及河道生态需水量、区域的淡水可利用性、调水量及影响范围、区域内污水处理厂中水回用的可行性与区域水生态等现状情况进行分析；3、提出水量水质优化调控方法。本发明在深度剖析城市内水文水环境的基础上，能够针对性地提出城市内河水量水质优化调控方案，以此来缓解城市内河面临的水体河网水质普遍较差，氮、磷含量较高，透明度较差，补水来源比较单一，水生态系统不健全，水体自净化能力较低等问题。

Description

一种城市内河水量水质优化调控方法

技术领域

本发明涉及水环境领域，具体地涉及一种城市内河水量水质优化调控研究方法。

背景技术

全国水环境的形势严峻，主要体现在三个方面：第一，就整个地表水而言，受到严重污染的劣V类水体所占比例较高，全国约10％，有些流域甚至大大超过这个数；第二，流经城镇的一些河段，城乡接合部的一些沟渠塘坝污染普遍比较重，并且由于受到有机物污染，黑臭水体较多，受影响群众多，公众关注度高，不满意度高；第三，涉及饮水安全的水环境突发事件的数量依然不少。

随着我国城市人口和国民经济快速增长，大量的工业和生活污水排入河网。尤其从八十年代后期开始，随着工业迅猛发展，大量工业废水和未经处理的生活污水直接排入市区河网，严重污染了河网水环境，水质恶化，并出现黑臭现象。当前我国城区内河面临的主要问题如下：1)水体河网水质普遍较差，氮、磷含量较高，透明度较差；2)补水来源比较单一，水质较差；3)水生态系统不健全，水体自净化能力较低；4)水系区域水流方向及补水效果无法评估，需要科学调度，推进河网水体净化美化。

我国是一个水资源贫乏的国家，随着近几十年内人口的急剧增长，大量人口涌向城市，更是造成了人口密集地区的人均淡水资源极度短缺，很多地方造成用水困难的问题，开发可利用水资源是解决水资源缺乏的主要方法，现状下有跨流域引调水、海水淡化及再生水回用等一些措施。与海水淡化、跨流域调水相比，再生水具有明显的优势。从经济的角度看，再生水的成本最低，从环保的角度看，污水再生利用有助于改善生态环境，实现水生态的良性循环。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术存在的缺点，本发明的目的在于为城市内河水量水质优化调控提供一种有效的研究方法，以保证城区内河的整治效果和城市水环境的巩固和提高。

技术方案：一种城市内河水量水质优化调控研究方法，包括如下步骤：

(1)对区域进行现状调查；

(2)对区域的现状情况进行分析；

(3)提出水量水质优化调控方法。

所述步骤(1)中对区域现状进行调查主要包括：1)区域的降雨量与蒸发量情况、区域的污染源现状以及区域的水利工程现状；2)河道基本信息：河宽、水深、河道断面形状、水位、流速及流向、水系河道相互之间的连通性、河道驳岸形式、淤积程度及清淤工程情况；3)河道水环境状况：河道水质水量变化情况、周边排污状况、河道周边产业结构分布特征及是否有居民点；4)河道生态系统状况：滨水植物、挺水植物、浮水植物、沉水植物、河道岸坡生态带、河道物种生物等分布特征。

所述步骤(2)中对区域的现状分析主要包括：1)区域污染源的现状分析；2)河道水质水量现状分析；3)区域水环境容量及河道生态需水量计算分析；4)区域的淡水可利用性分析与调水量及影响范围的分析；5)区域内污水处理厂中水回用的可行性分析；6)区域水生态现状评价分析等。

所述的污染源现状分析主要包括现有的排水体系(雨污)、雨水、大气沉降、地表径流、区域的产业结构等；根据权利要求3所述的河道水质现状分析，其特征在于，所述的水质现状分析主要考察水质的物理指标与化学指标，物理指标主要包括：浊度、透明度、色度、电导率、悬浮性固体、温度等，化学指标主要包括：pH、氨氮、总磷、COD、高锰酸盐指数、溶解氧等。

所述的水环境容量计算方法采用完全混合模型进行水体纳污能力计算(水文保证率为90％)，河网(河道)环境容量具体计算公式如下：

其中：α_ij为不均匀系数；α_ij∈(0，1]；河道越宽、水面越大，则α_ij越小。

W_{ij环境容量}＝Q_0ij(C_sij-C_0ij)+KV_ijC_sij (式2)

其中：Q_0ij为入流流量，m³/s；C_sij为水质目标浓度值，mg/L，计算采用现状浓度值均值；C_0ij为水质初始浓度值，mg/L，计算采用标准限值；K为污染物降解系数，1/d；V_ij河道容积，m³。

W_ij为计算中的最小空间计算单元和最小时间计算单元。计算中最小空间计算单元为河段(河段为两节点之间的河道)；最小时间计算单元为天。

水质降解系数K范围为0.08—0.12/d，具体取值情况需根据河道的实际情况取值。

根据确定的边界水文条件，利用研究区域河网水量数学模型，计算出研究区域最小空间单元和最小时间单元的环境容量值；再根据公式1汇总出各控制单元的环境容量值。

对于往复流地区，采用双向流计算公式，具体如下：

其中：A为正向流计算时间段天数；B为反向流计算时间段天数。

W_正为正向河流的环境容量值，具体计算公式为：

正向河流：W_正＝Q₀₁(C_s-C₀₁)+K₁V₁C_s (式4)

W_反为反向河流的环境容量值，具体计算公式为：

反向河流：W_反＝Q₀₂(C_s-C₀₂)+K₁V₁C_s (式5)

所述的河道生态需水量计算分析主要包括维持河道生态系统的最小需水量Q₁、维持河道水质的最小稀释净化水量Q₂。

维持河道生态系统的最小需水量Q₁：采用流量法中的Tennant法(也称作为Montana法，蒙大拿法)计算：在考虑水资源时空条件、水生植物、水生生物生境需水规律的基础上，将全年分为两个生态需水计算时段，并以预先确定的年平均流量百分数为基础，计算河流生态流量的年均或时段均值。应用该法计算生态环境水量，首先选取的水文资料系列应具有“天然”一致性；其次应针对不同河段生态功能，根据实际情况选取合理的河流生态环境目标来确定适宜的流量百分比。国内一般选取多年年均流量的10％～20％作为枯水时段的生态环境需水量，部分河流选取多年平均流量的30％～40％作为非枯水时段的生态环境需水量。

维持河道水质的最小稀释净化水量Q₂：综合分析各内河河道设计年径流量的C_V、C_S值，再采用P-Ⅲ频率计算方法，计算各河流P＝90％的年径流量，并选枯水年年径流量为典型分配过程，对各河流P＝90％年径流量进行年内分配；根据各河流P＝90％年径流量月过程，统计其最小月径流量即为Q₂。计算方法如下：

式中，a₀，α，β分别为Γ分布的位置、形状、尺度参数。参数a₀，α，β可以用统计参数数学期望离势系数C_V，偏态系数C_S表示：

实测系列的经验频率P_m、特大值的经验频率P_M计算公式分别为和

样本的偏态系数:

在满足生态系统健康、河道水质要求中，最大的水量即为城市河道生态需水量。

所述的淡水可利用性分析是在获取了区域水质、水位、水深等数据基础上，通过对不同时期内区域河道上游来水及干流的水质水量及盐度进行调查，研究不同情境下(是否感潮、涨潮落潮、丰平枯季等)的水质及盐度变化规律，综合分析评价淡水资源的可利用性。

所述的区域内污水处理厂中水回用的可行性分析主要目的是确定污水处理厂再生水回用最佳运行模式，包括最佳回用流量和回用工艺选择以及污水处理厂再生水回用后水环境质量改善效果评估和效益分析。

所述步骤(3)中的提出水量水质优化调控方法是基于步骤(1)与步骤(2)的基础上，在分析区域的污染源现状、河道水量水质现状，河道生态系统状况，计算得出了河道生态需水量后再提出水质水量优化调控方案；具体的，除了常规的利用淡水资源进行调控优化水量水质外，本发明还提出利用污水处理厂的中水进行回用调控水质水量及建设生态修复工程。

所述的中水回用是将城区的污水处理厂的中水回用于城市的内河河道，来补充城市内河的水量、改善河道的水质，提高城市内河的水系的联通性，拉动整个河网水系流动。中水回用的具体实施路线及回用量需依据城市当地污水处理厂的现状及城市内河河道情况、地势等制定。并且，在中水排入河道前可加预处理工艺来降低中水的氮含量，提升中水水质，同时，中水的病原性细菌含量较一般河道水体较高，应该在进入河道前采取相应的措施，改善中水的病原性细菌含量。

所述的建设河道型湿地，构建生态驳岸主要采取陆生植物、滨水植物、挺水植物、浮水植物、沉水植物空间搭配的方法，并在河道采取复氧曝气装置来提高水体的溶解氧水平、净化水体中的污染物质、减缓底泥污染物释放的速度，改善水质，在河道部分区域设置生物接触氧化工艺装置，强化河道水质。

有益效果

和现有技术相比，本发明具有如下显著进步：本发明充分考虑了区域内的淡水资源的可利用性、污水处理厂中水回用的可行性以及河道生态修复，在深度剖析城市内河水流方向、水量、水质、污染源、水生态系统及水利工程等的基础上，能够针对性地提出城市内河水量水质优化调控方案，以此来缓解城市内河面临的水体河网水质普遍较差，氮、磷含量较高，透明度较差，补水来源比较单一，水生态系统不健全，水体自净化能力较低等问题。

附图说明：

图1为一种城市内河水量水质优化调控研究方法示意图；

图2为区域污水处理厂A中水回用城市内河部分河道的回用路线图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明的技术方案。

以某城市一区域为例，说明本发明实施例方法的处理过程。

(1)对区域进行现状调查：

该区域年平均降水量为1300至1400毫米，五至九月，占全年降水量的60％。区域内河纵横交错，水系发达，河网水系形成了天然的排放雨水的“毛细血管”。城区内河河网位于水系末端，入江闸门经常性关闭，河道内水流基本凝滞，极易造成水质恶化。在枯水季节，河道内蓄水量减少，水位下降，缺少有效的补充水源，致使河道两岸河床裸露，水质恶化加快。尤其从八十年代后期开始，随着工业迅猛发展，大量工业废水和未经处理的生活污水直接排入市区河网，严重污染了河网水环境，水质恶化，并出现黑臭现象。并且该区域河引水水体流向及流量不明，水生态系统破碎化及水体自净能力降低。现阶段，该城市区域内河面临的主要问题是：1)水体河网水质普遍较差，氮、磷含量较高，透明度较差；2)补水来源比较单一，水质较差；3)水生态系统不健全，水体自净化能力较低；4)水系区域水流方向及补水效果无法评估，需要科学调度。

该区域河道相互之间连通性较好，断头河道较少，但河道水流基本静止，没有流速。半数内河周边存在居民小区。区域水系内河现场调查的河道结果，河道平均宽度<10m的河道有23条，10～20m的河道有14条，20～30m的河道有6条，>30m的河道有12条。区域60条河道，水深<1.0m的河道有12条，1.0m～1.5m的河道有31条，1.5m～2.0m的河道有14条，>2.0m的河道有3条。

区域所有调查河道驳岸均为90°，岸坡防护形式均是硬质护坡。内河普遍设置曝气装置。城区内河河道普遍没有进行生态清淤，部分河道的淤泥深度已经达到1m。通过观察发现，部分河道由于长期没有进行生态清淤，曝气装置在曝气的时候引起淤泥的再悬浮，影响了周边水体的浊度。河道岸边、水体没有天然的挺水、沉水等植物，河道鱼类较少，河道的生物多样性以及生态环境较差，河道的生态系统不健全。河道水体浊度较高，部分河流的藻类(绿藻)爆发较为严重，水体呈现深绿色，水体透明度低。在调查的断面中，绿藻爆发河道10个断面，少量藻类5个断面，无绿藻爆发38个断面。

(2)对区域的现状情况进行分析：

1)该城市区域主要的污染源有污水、雨水、大气沉降、地表径流及区域工业农业产业。在此仅对部分污染源进行详述，不一一分析。该区域的排水体系从合流制到以分流制为主、从分散排入水体到污水处理厂集中处理，基本上建立了以雨污分流为主、雨污合流(截流)为辅的排水体制，污水收集管网覆盖率较高，基本上达到了完全覆盖的程度。雨水排放系统主要有重力流排放和泵站排放这两种方式。虽然该区域污水收集管网覆盖率高，但在污水收集过程中仍然存在着一些污水偷排、漏排的现象。在现场调研的过程中发现，该区域远离城区的乡镇居民的环保意识淡薄，仍然有少数地区的生活污水被直排入河道。同时，少数农村区域还存在着在河道中养殖家禽的现象。同时，在对河道调研过程中发现，在水生环境特别好的河段，河水颜色出现发黑的现象，水体的浊度出现不合乎规律的变高。疑似小区内仍然存在少数生活污水直接排入河道的现象。此外，由于初期雨水污染治理缺失，初期雨水的污染也是内河的主要污染源。

2)水质现状分析

河道水体电导率313～600μS，总溶解固体(TDS)209～390mg/L，水温基本在30℃左右。河道水体总氮含量较高，总氮2.601～10.596mg/L，均超过了《地表水环境质量标准GB3838-2002》中规定的Ⅴ类水总氮要求(<2mg/L)。水体氨氮含量1.771～6.613mg/L，大部分河道的水体氨氮浓度超过了Ⅴ类水氨氮要求(<2mg/L)。水体总磷含量0.09～0.697mg/L，只有少部分河流总磷含量较低，其余大部分河流总磷的含量均超过了Ⅴ类水要求(<0.4mg/L)。水体COD含量的测定以重铬酸钾法和高锰酸盐法为主，日常监测河流的水质采用重铬酸钾法测定，COD_Cr的含量在16.5～28mg/L之间，达到IV类水要求(<30mg/L)。调查水质以高锰酸钾法测定，高锰酸盐指数为2.88～13.92mg/L，均<15mg/L(Ⅴ类水要求)。综合来看，8月份该区域内河水质较差。采用单因子系数法对区域内42个监测断面水质进行评价并判断该断面是否达标，如下表所示，主要超标因子有NH₃-N、TP和COD，以NH₃-N为主，依次是TP，COD。几乎所有检测断面NH₃-N均未达到目标水质地表V类水要求。可能是生物污水、生活用水和农药残留等原因。所有监测断面的COD指标符合地表V类水要求。

	TP	NH<sub>3</sub>-N	COD
				IV类水质超标率	64.29％	100％	7.14％
V类水质超标率	52.38％	97.62％	0％

3)水环境容量

采用完全混合模型进行水体纳污能力计算(水文保证率为90％)，河网(河道)环境容量具体计算公式如下：

其中：α_ij为不均匀系数；α_ij∈(0，1]；河道越宽、水面越大，则α_ij越小。

W_{ij环境容量}＝Q_0ij(C_sij-C_0ij)+KV_ijC_sij (式2)

其中：Q_0ij为入流流量，m³/s；C_sij为水质目标浓度值，mg/L，计算采用现状浓度值均值；C_0ij为水质初始浓度值，mg/L，计算采用标准限值；K为污染物降解系数，1/d；V_ij河道容积，m³。

W_ij为计算中的最小空间计算单元和最小时间计算单元。计算中最小空间计算单元为河段(河段为两节点之间的河道)；最小时间计算单元为天。

水质降解系数K范围为0.08—0.12/d，具体取值情况需根据河道的实际情况取值。

根据确定的边界水文条件，利用研究区域河网水量数学模型，计算出研究区域最小空间单元和最小时间单元的环境容量值；再根据公式1汇总出各控制单元的环境容量值。

对于往复流地区，采用双向流计算公式，具体如下：

其中：A为正向流计算时间段天数；B为反向流计算时间段天数。

W_正为正向河流的环境容量值，具体计算公式为：

正向河流：W_正＝Q₀₁(C_s-C₀₁)+K₁V₁C_s (式4)

W_反为反向河流的环境容量值，具体计算公式为：

反向河流：W_反＝Q₀₂(C_s-C₀₂)+K₁V₁C_s (式5)

区域内部分河道的环境容量计算结果如下：

4)河道生态需水量

区域内部分河道生态系统最小需水量计算结果如下所示：

河道名称	流量m<sup>3</sup>/s	河道名称	流量m<sup>3</sup>/s
				1	0.00329	5	0.00376
2	0.00543	6	0.00582
				3	0.00702	7	0.00522
4	0.00713	8	0.00590

根据总的计算结果，该区域河道生态需水量Q₁为3084万m³/年。

区域内部分河道水质最小稀释净化水量计算结果如下所示：

河道名称	流量m<sup>3</sup>/s	河道名称	流量m<sup>3</sup>/s
				1	0.00070	5	0.00084
2	0.00131	6	0.00151
				3	0.00198	7	0.00123
4	0.00211	8	0.00157

根据总的计算结果，该区域河道水质最小稀释净化水量Q₂为1565万m³/年

根据计算结果，河道生态需水量Q₁>河道水质最小稀释净化水量Q₂，故该区域河道生态需水量为3084万m³/年，

5)淡水可利用性分析

在获取了区域水质、水位、水深等数据基础上，通过对不同时期内区域河道上游来水及干流的水质水量及盐度进行调查，研究不同情境下(是否感潮、涨潮落潮、丰平枯季等)的水质及盐度变化规律，综合分析评价淡水资源的可利用性。

在不同的水期、潮期内对区域的基本地形特征和周围环境的调查，区域上游支流来水以及区域主干流沿线不同江段水量水质的调查，结果显示区域上游来水水量充足，水质较好，均基本上达到了地表水IV类水标准。

在水量水质上，区域上游来水以及干流均可以作为城市内河补水水源。

6)污水处理厂中水回用的可行性分析

根据对区域污水处理厂中水回用内河河道的研究，中水回用城市内河河道对周边主要受水河道的水量有影响，但对河道水质的改善效果并不明显。中水的水体透明度特别高，中水回用城市内河河道可以明显改善河道水体浊度，在中水前端受水河道可以增加河道水量。可以提高河道水流的流动性。

中水回用城市内河河道，补充城市内河水量，改善河道景观、水质是一项创举。中水回用河道需要更深入的研究。但中水回用河道可以改善河道缺水的情况，改善河道前端山水河道的水体流动性。

(3)调控方案

区域内河水量较少，河网水体流通性较差。同时，内河水质较差，水环境生态系统破坏严重。需要工程措施来提升内河水量水质，提高河网水体流动性，完善河道的生态系统。通过河道水量优化调控，既可以提升水体的流动性，同时还可以提升水质。并在重点治理区域进行生态涵养区的建设以及采取相应的生态工程措施，强化内河水质。

1)区域污水处理厂A中水回用城市内河部分河道，回用路线图如图2所示，

中水回用量为8000m³/d，回用于各河道的水量由河道的生态需水量决定，在中水排入河道前可加预处理工艺来降低中水的氮含量，提升中水水质，同时，中水的病原性细菌含量较一般河道水体较高，应该在进入河道前采取相应的措施，改善中水的病原性细菌含量。同时将河1、河2以及河3整个系统作为作为再生水活化涵养区。河1：控氧强化脱氮区、高效复氧生态净化区；河2：生态修复及涵养区；河3：涵养活化延伸段，以此来提高中水水质。

2)根据河道生态需水量利用常规水资源补充区域内河，既可以补充城市内河水量，又可以提高城市内河的水系的水量和流通性。

3)结合现有调水工程进行引水；

4)建设河道型湿地进行生态修复，主要采取陆生植物、滨水植物、挺水植物、浮水植物、沉水植物空间搭配的方法，并在河道采取复氧曝气装置，在河道部分区域设置生物接触氧化工艺装置，强化河道水质。

Claims (10)

1.一种城市内河水量水质优化调控方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)、对区域进行现状调查；

步骤(2)、对区域的现状情况进行分析；

步骤(3)、提出水量水质优化调控方法。

2.根据权利要求1所述的城市内河水量水质优化调控方法，其特征在于，所述步骤(1)中，针对如下内容进行现状调查：

1.1、区域的降雨量与蒸发量情况、区域的污染源现状以及区域的水利工程现状；

1.2、河道基本信息；包括河宽、水深、河道断面形状、水位、流速及流向、水系河道相互之间的连通性、河道驳岸形式、淤积程度及清淤工程情况；

1.3、河道水环境状况；包括河道水质水量变化情况、周边排污状况、河道周边产业结构分布特征及是否有居民点；

1.4、河道生态系统状况；包括滨水植物、挺水植物、浮水植物、沉水植物、河道岸坡生态带及河道物种生物分布特征。

3.根据权利要求1所述的城市内河水量水质优化调控方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括如下内容：

2.1、区域污染源的现状分析；

2.2、河道水质水量现状分析；

2.3、区域水环境容量计算及河道生态需水量分析；

2.4、区域的淡水可利用性分析与调水量及影响范围的分析；

2.5、区域内污水处理厂中水回用的可行性分析；

2.6、区域水生态现状评价分析。

4.根据权利要求3所述的城市内河水量水质优化调控方法，其特征在于：所述区域污染源现状分析的对象包括排水体系、雨水、大气沉降、地表径流和区域的产业结构。

5.根据权利要求3所述的城市内河水量水质优化调控方法，其特征在于，所述河道水质水量现状分析包括：

考察水质的物理指标，包括浊度、透明度、色度、电导率、悬浮性固体和温度；

考察水质的化学指标，包括pH、氨氮、总磷、COD、高锰酸盐指数和溶解氧。

6.根据权利要求3所述的城市内河水量水质优化调控方法，其特征在于，采用完全混合模型进行水体纳污能力计算所述区域水环境容量，具体包括如下内容：

河网环境容量为：

其中：α_ij为不均匀系数；α_ij∈(0，1]；河道越宽、水面越大，则α_ij越小。

W_{ij环境容量}＝Q_0ij(C_sij-C_0ij)+KV_ijC_sij (式2)

其中：W_{ij环境容量}为计算中的最小空间计算单元和最小时间计算单元；计算中最小空间计算单元为河段；最小时间计算单元为天；

Q_0ij为入流流量，m³/s；C_sij为水质目标浓度值，mg/L，计算采用现状浓度值均值；C_0ij为水质初始浓度值，mg/L，计算采用标准限值；K为污染物降解系数，1/d，由河道的实际情况确定取值，取值范围为0.08—0.12/d；V_ij为河道容积，m³；

根据确定的边界水文条件，利用研究区域河网水量数学模型，计算出研究区域最小空间单元和最小时间单元的环境容量值；再根据(式1)汇总出各控制单元的环境容量值；

对于往复流地区，采用双向流计算公式，具体如下：

其中：A为正向流计算时间段天数；B为反向流计算时间段天数；

W_正为正向河流的环境容量值：

W_正＝Q₀₁(C_s-C₀₁)+K₁V₁C_s (式4)

W_反为反向河流的环境容量值：

W_反＝Q₀₂(C_s-C₀₂)+K₁V₁C_s。 (式5)

7.根据权利要求3所述所述的城市内河水量水质优化调控方法，其特征在于，所述河道生态需水量分析对象包括维持河道生态系统的最小需水量Q₁和维持河道水质的最小稀释净化水量Q₂。

8.根据权利要求3所述的城市内河水量水质优化调控方法，其特征在于，所述区域的淡水可利用性分析包括如下内容：

在获取了区域水质、水位、水深等数据基础上，通过对不同时期内区域河道上游来水及干流的水质水量及盐度进行调查，研究不同情境下的水质及盐度变化规律，综合分析评价淡水资源的可利用性。

9.根据权利要求3所述的城市内河水量水质优化调控方法，其特征在于，所述区域内污水处理厂中水回用的可行性分析包括如下内容：

确定污水处理厂再生水回用最佳运行模式，包括最佳回用流量和回用工艺选择以及污水处理厂再生水回用后水环境质量改善效果评估和效益分析。

10.根据权利要求1所述的城市内河水量水质优化调控方法，其特征在于，所述步骤(3)包括：利用淡水资源进行调控优化水量水质、利用污水处理厂的中水进行回用调控水质水量及建设生态修复工程。