CN110458359B - 一种基于未完全截污条件下的平原河网水量水质优化调控方法 - Google Patents
一种基于未完全截污条件下的平原河网水量水质优化调控方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于未完全截污条件下的平原河网水量水质优化调控方法，通过野外水量水质同步监测实验与水环境现状调查和评价，获取河道实际水动力水质情况与区域污染源状况，利用水环境数值模拟技术构建研究区域一维河网水动力‑水质数学模型。通过模型分析引水流量、调度模式、引水时间对水动力与水质的影响，得出较优的调水引流方案。再考虑污染源的分布状况，对区域的主要超标污染物制定不同的削减方案后，利用模型再次分析调水引流方案对于水环境质量的改善效果，最终得出水量水质优化调控方案。其综合考虑闸泵的调度模式、污染源，可操作性强、计算快捷、适用范围广，尤其改善区域范围内的水质、水动力、水环境，解决区域河网的污染问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种河网水量水质优化调控方案，具体涉及一种基于未完全截污条件下研究平原河网水量水质优化调控方案的方法。
背景技术
平原河网地区经济发达、人口众多，工业企业聚集，污染源密布。现阶段，由于地形、地貌的特殊性，河网水系存在局部往复流和滞流等现象，水动力条件较差，水体抗污染能力弱，水环境质量较差。
基于水量水质优化调控的调水引流是改善平原河网水环境质量的有效方法，即主要利用泵站、闸站等水利设施将较为清洁的水源调度至水体受到污染的区域，在这个过程中稀释受纳水体中的污染物并改善水体的水动力条件，使得水体的自净能力与环境容量得到提升，同时也使原来河道中的复向流变为单向流，加速了该河段中污染物的排除，以此来实现对于水体水质的改善。
由于河网中具有众多的闸、泵站等水工建筑物，不同闸泵调度组合的调水引流方式对水环境质量的改善效果存在一定差异；同时，岸上复杂的污染源分布也会进一步影响调水引流的实际效果。
因此，如何充分分析不同闸泵调度方式与不同污染源分布状况下调水引流对水环境质量的改善效果从而因地制宜、科学有效地制定相应的水量水质优化调控方案成为了目前研究的热点问题。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于未完全截污条件下的平原河网水量水质优化调控方法。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种基于未完全截污条件下的平原河网水量水质优化调控方法，根据调控方案，沿河网流道通过启闭闸、泵进行调水引流；所述调控方案的确定，包括以下步骤：
S1、资料收集，包括水系资料、地理地形资料、污染源分布资料、常规监测资料、野外水量水质同步监测资料、水工建筑物资料、水文资料；
S2、根据常规监测资料中的水质历史监测数据进行水质评价，确定主要污染物；
S3、根据步骤S1收集的资料，构建河网一维水动力-水质耦合模型；
S4、基于模型，根据调度模式、引水流量的不同针对河网水系制定不同的调水引流方案，并利用上述模型对各个调水引流方案的水动力和水质进行模拟，并根据水动力和水质的改善效果，得出较优调水引流方案。
S5、于模型中，基于污染源的削减，针对主要污染物进行分析，于上述的较优调水引流方案中，确定水量水质优化调控方案。
上述步骤S2中主要污染物的确定，为根据整体超标率较高的水质因子作为主要污染物，包括CODMn、氨氮、总磷。
上述步骤S3中的一维水动力-水质耦合模型中的计算河网水动力的方程为圣维南方程组，离散解法采用Abbott-Ionescu六点隐式中心差分格式，计算采用追赶法；
圣维南方程组，如下式：
上式中，Q为流量，m3/s；x，t分别为沿水流方向空间坐标和时间坐标，m，s；BW为调蓄宽度，m；Z为水位，m；q为旁侧入流流量，m3/s；u为断面平均流速，m/s；g为重力加速度，m2/s；A为主槽过水断面面积，m2；B为主流断面宽度，m；n为河道糙率；R为水力半径，m。
上述步骤S3中的一维水动力-水质耦合模型中的计算河网水质的方程采用质量守恒定律的污染物对流扩散方程，在对方程求解时，时间项采用向前差分的方式，对流项采用上风格式求解，扩散项采用中心差分格式；方程如下式：
(其中Sc＝KdAC)
式中：Q，Z为流量及水位，m3/s，m；A为河道面积，m2；Ex为纵向分散系数，m2/s；C为水流输送的物质浓度，mg/L；Ω为河道叉点-节点的水面面积，m2；j，I为节点编号以及与该节点相联接的河道编号；Sc为与输送物质浓度有关的衰减项；Kd为衰减因子；S为外部的源或汇项。
上述步骤S4中的水动力模拟过程分析包括分析引水流量、调度模式对河网平均流量、平均水位、河段换水率、引水影响长度等水动力因子的影响。
上述步骤S4中水动力的模拟，包括以下步骤：
A1、统一调水引流的模拟时间T1；
A2、分别从模型中获取水动力因子的模拟数据，包括各调水引流方案调水前后的河网平均水位、平均流量、河段换水率、引水影响长度；
A3、对比分析不同调度模式、不同引水流量下的各调水引流方案调水后对以上水动力因子的影响效果；
A4、确定出对于水动力因子改善效果较好的调水引流方案。
上述步骤S4中水质的模拟，包括以下步骤：
B1、统一调水引流的模拟时间T2；
B2、选取分布在河网中的若干水质监测断面作为分析目标；
B3、利用所建立模型对各调水引流方案下的水质变化过程进行模拟，并分别提取所选的各水质监测断面处的主要污染物调水前后的水质浓度，计算各主要污染物调水后的水质平均改善率，并统计各方案下各个监测断面处水质达标所需时间以及能否在选定的调水引流时间内水质达标；
B4、优先选取在模拟时间内能够使各监测断面水质达标的调水引流方案作为较优方案，若不能达标则选取相同模拟时间内各断面水质平均改善率较高的调水引流方案作为较优方案。
上述步骤S5中的基于污染源的削减，确定水量水质优化调控方案，包括如下步骤：
C1、基于主要污染物，针对各污染源，制定不同的削减方案；
C2、基于步骤S4确定的较优调水引流方案，于模型中引入污染源的削减方案，并进一步模拟；
C3、对比分析污染物削减前与削减后，调水引流对水环境质量的改善与提升效果；
C4、结合各方案的对比分析结果，综合考虑调水引流的经济效益与环境效益，最终确定最优的水量水质优化调控方案。
进一步的，上述削减方案包括全局削减方案和局部削减优化。
再进一步的，上述局部削减优化基于全局削减方案再实施。
本发明的有益之处在于：
本发明的一种基于未完全截污条件下的平原河网水量水质优化调控方法，通过野外水量水质同步监测实验与水环境现状调查和评价，获取河道实际水动力水质情况与区域污染源状况，利用水环境数值模拟技术构建研究区域一维河网水动力-水质数学模型并进行率定验证。通过模型，分别分析引水流量、调度模式、引水时间对水动力因子与水质因子的影响，得出相对较优的调水引流方案。进一步考虑污染源的不同分布状况，针对适用区域的主要超标污染物制定不同的削减方案后，利用模型再次分析相对较优的调水引流方案对于水环境质量的改善效果，并最终得出水量水质优化调控方案。
本发明的方法综合考虑河网中不同闸泵调度模式、不同污染源的分布状况，步骤简单、可操作性强、计算快捷、适用范围较广，可为广大平原河网地区水环境长效管理与科学决策提供一定的理论依据，尤其是改善区域范围内的水质、水动力、水环境，并解决区域河网的污染问题。
附图说明
图1为A市的水动力率定验证结果图。
图2为A市的水质率定验证结果图。
图3为各调水引流方案引水7天后的河网平均水位图。
图4为各调水引流方案引水7天后的河网平均流量图。
图5为A市主要引水河道上的3个河段的分布图。
图6为各调水引流方案的引水影响长度图。
图7为A市内的6个水质监测断面的分布图。
图8为A市的率定站点分布图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
如图1所示，一种基于未完全截污条件下的平原河网水量水质优化调控方法，包括如下步骤：
S1、基础资料收集
基础资料：包括水系资料、地理地形资料、污染源分布资料、常规监测资料、野外水量水质同步监测资料、水工建筑物资料、水文资料等。
其中，水系资料为适用区域A市(无锡)及周边相邻区域的河网水系图及河网数据；
污染源分布资料为2016年A市的工业污染源、生活污染源与农业污染源位置坐标分布以及入河量统计数据；
其中，入河量数据分别为CODMn入河量、氨氮入河量、总磷入河量。
常规监测资料为适用区域的水质监测资料、水位监测资料，以及各个水质监测断面、各条河道的水质目标资料；
野外水量水质同步监测资料为在A市河网中进行野外水量水质同步监测后所获得的河道实测水动力、水质数据；
其中，实测水动力指标包括流量、水位，实测水质指标包括CODMn、氨氮、总磷；
水工建筑物资料为A市河网中的泵站、闸站等水工建筑物的基础参数与数据；分别包括水泵设计流量、闸门宽度、闸门开启高度等。
水文资料包括A市河网中的河道实测断面形状、河道断面面积、河道水深、河道水位等。
其中，水质资料来源于“无锡市新吴区农经水利局”，污染源资料来源于“无锡市污染源年鉴”，水工建筑物资料来源于“无锡市新吴区水系规划”，河道资料来源于“野外水量水质同步监测资料”以及“无锡市新吴区水系规划”。(资料来源于相关部门以及现场实测)。
S2.确定主要污染物
根据所收集的常规监测资料中的水质历史监测数据，选取2016年的水质监测结果，对A市的22个主要水质监测断面进行水质评价并对水质评价结果进行分析。计算各水质监测断面各个水质指标的单因子指数以及区域整体超标率；选择区域内整体超标率较高的因子作为主要污染物；
其中，水质指标为CODMn指标、氨氮指标、总磷指标；
水质评价方法采用单因子指数法，本实施例中所评价的3个水质指标均采用如下方法进行评价：
污染危害程度随浓度增加而增加的评价参数，分指数按下式计算：
式中：Ci为实测浓度值；Csi为该污染物在水环境中的允许浓度(标准)值；
当监测断面某一水质指标的单因子指数＞1时，即说明该水质因子浓度超标。
区域整体超标率按下式计算：
式中，m为超标率，si为水质超标的监测断面个数，s0为水质评价的监测断面总数。
根据评价计算结果，CODMn、氨氮、总磷的超标监测断面占比分别为4.5％、59.1％、27.3％，因此确定出氨氮、总磷为A市的主要污染物。
S3、构建河网一维水动力-水质耦合模型
利用水环境数值模拟技术(由丹麦DHI开发的MIKE11，或由美国弗吉尼亚大学开发的EFDC(环境流体动力学软件))，结合常规监测资料、水工建筑物资料、水文资料与野外水量水质同步监测数据，构建A市河网一维水动力-水质耦合模型，并对模型进行率定验证，水动力和水质的率定验证结果见附图1(站点1和站点2)和附图2(站点1-5)，率定站点分布见图8：
S4、基于模型，根据调度模式、引水流量的不同针对河网水系制定不同的调水引流方案，并利用上述模型对各个调水引流方案的水动力和水质进行模拟，并根据水动力和水质的改善效果，得出较优调水引流方案。
根据调度模式、引水流量的不同，分别针对A市河网水系制定了以下7个调水引流方案，各方案详细闸(Z)、泵(B)开闭情况及引水、排水时间(天)见表1：
表1(单位：m3/s)
水动力模拟分析过程，包括以下步骤：
A1、选定统一的调水引流模拟时间，本实施例中选定为7天；
A2、从模型模拟结果中读取、计算、分析各调水引流方案调水前、后的河网平均水位、平均流量、河段换水率、引水影响长度等水动力因子的数据；
其中，河网平均水位通过对河网中各条河道水动力计算里程点处的水位求和后取平均值得出，各调水引流方案引水7天后，河网平均水位见附图3。
河网平均流量，通过对河网中各条河道水动力计算里程点处的流量求和后取平均值得出，各调水引流方案引水7天后的河网平均流量，见附图4。
河段换水率，计算公式如下：
式中：α为换水率，V1为河道的引水量(或排水量)，V0为河道引水前的水容量；
分别选取位于主要引水河道上的3个河段计算各调水引流方案下的河段换水率，河段分布见图5，河段换水率计算结果见下表2：
表2
引水影响长度，从引水口门处开始计算，选择流量大于0.5m3/s的河段为引水能够影响的河段，对此类型河段长度进行求和即为引水所能够影响的长度，各调水引流方案引水影响长度，见附图6。
A3、对比分析各不同调度模式、不同引水流量下的各调水引流方案调水后对以上水动力因子的影响效果；
A4、确定出对于水动力因子改善效果较好的调水引流方案为方案四，方案六，方案七。
水质模拟分析过程包括以下步骤：
B1、选定统一的调水引流模拟时间，本实施例中选定为7天；
B2、选取平均分布在A市内的6个水质监测断面作为分析目标，其中1个为省考水质监测断面(省考水质监测断面为A)，5个为河长制监测断面，监测断面分布见图7；
B3、利用模型对各调水引流方案下的水质变化过程进行模拟，并分别提取所选的各水质监测断面处的主要污染物调水前后的水质浓度，计算各主要污染物调水后的水质改善率，并统计各方案下各个监测断面处水质达标所需时间以及能否在选定的调水引流时间内水质达标，单位引水时间内的水质改善率越高、使监测断面水质达标的时间越短均表明调水对于水质的改善效果越好；
其中，水质改善率计算方法如下：
式中：R为水质改善率；C0i为引水前第i种污染物的浓度；Cai为引水后第i种污染物的浓度；i为参加评估的因子数目。R值能够反映引水前后水质浓度的改善程度，为正值表示水质浓度下降，为负值表示水质浓度上升，各调水引流方案调水7天后各监测断面氨氮、总磷的改善率分别见表3、表4；各调水引流方案使各监测断面氨氮、总磷达标的时间分别见表5、表6：
表3
表4
表5
表6
B4、优先选取在模拟时间内能够使各监测断面水质达标的调水引流方案作为较优方案，若不能达标则选取相同模拟时间内各断面水质平均改善率较高的调水引流方案作为较优方案；
B5、确定出对于水质因子改善效果较好的调水引流方案为方案四、方案六、方案七。
对比分析水动力模拟分析与水质模拟分析的结果，最终确定出方案四、方案六、方案七为相对较优的调水引流方案。
S5、于模型中，基于污染源的削减，针对A市的主要污染物进行削减分析，于上述较优的调水引流方案中，确定水量水质优化调控方案；主要步骤如下：
C1、针对确定出的主要超标污染物制定不同的削减方案，首先制定对污染物进行全局削减的方案1与方案2，即对整个A市河网区域内的所有氨氮与总磷污染源分别进行削减；
C2、基于相对较优的调水引流方案，将制定的2个污染物全局削减方案添加进入模型，进行进一步模拟计算；
C3、基于相对较优的调水引流方案，对比分析污染物削减前与削减后调水引流对水环境质量的改善与提升效果。其中，在对总磷全局削减10％后，各分析水质监测断面总磷浓度能够在合理时间内达标，对氨氮削减20％后，水质改善效果最好的调水引流方案七也需要在引水8天后使污染最为严重的E断面氨氮浓度达标，进而使得所有断面水质达标；
C4、进一步针对E断面需要较长时间浓度达标的氨氮制定针对性的局部削减方案，在对总磷全局削减10％的基础上分别制定氨氮局部削减的方案3与方案4，即重点对E断面周边及上下游河段处的污染物深度削减40％与50％；
C5、基于相对较优的调水引流方案，对比分析污染物削减前与削减后调水引流对水环境质量的改善与提升效果。
其中，在对氨氮局部削减40％后：调水引流方案四、方案七均需引水7天后才能使全部水质监测断面氨氮浓度达标；方案六在模拟时间7天内不能使全部水质监测断面氨氮浓度达标；
在对氨氮局部削减50％后：调水引流方案四与方案七在引水6天后能够使全部水质监测断面氨氮浓度达标，调水引流方案六在引水7天后能够使全部水质监测断面氨氮浓度达标；
C6、综合考虑调水引流的经济效益与环境效益，最终确定出引水所需时间较短、引水流量相对较小、水质改善效果相对较好的方案四为水量水质优化调控方案。
制定的各污染物削减方案见下表7：
表7
以上已以较佳实施例公布了本发明，但其并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方案所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种基于未完全截污条件下的平原河网水量水质优化调控方法，其特征在于，根据调控方案，沿河网流道通过启闭闸、泵进行调水引流；所述调控方案的确定，包括以下步骤：
S1、资料收集，包括水系资料、地理地形资料、污染源分布资料、常规监测资料、野外水量水质同步监测资料、水工建筑物资料、水文资料；
S2、根据常规监测资料中的水质历史监测数据进行水质评价，确定主要污染物；
S3、根据步骤S1收集的资料，构建河网一维水动力-水质耦合模型；
S4、基于模型，根据调度模式、引水流量的不同针对河网水系制定不同的调水引流方案，并利用上述模型对各个调水引流方案的水动力和水质进行模拟，并根据水动力和水质的改善效果，得出调水引流方案；
S5、于模型中，基于污染源的削减，针对主要污染物进行分析，于上述的调水引流方案中，确定水量水质优化调控方案；
所述S3中的一维水动力-水质耦合模型中的计算河网水动力的方程为圣维南方程组，离散解法采用Abbott-Ionescu六点隐式中心差分格式，计算采用追赶法；
圣维南方程组，如下式：
上式中，Q为流量，m3/s；x，t分别为沿水流方向空间坐标和时间坐标，m，s；BW为调蓄宽度，m；Z为水位，m；q为旁侧入流流量，m3/s；u为断面平均流速，m/s；g为重力加速度，m2/s；A为主槽过水断面面积，m2；B为主流断面宽度，m；n为河道糙率；R为水力半径，m；
其特征在于，所述S3中的一维水动力-水质耦合模型中的计算河网水质的方程采用质量守恒定律的污染物对流扩散方程，在对方程求解时，时间项采用向前差分的方式，对流项采用上风格式求解，扩散项采用中心差分格式；方程如下式：
(其中Sc＝KdAC)
式中：Q，Z为流量及水位，m3/s，m；A为河道面积，m2；Ex为纵向分散系数，m2/s；C为水流输送的物质浓度，mg/L；Ω为河道叉点-节点的水面面积，m2；j，I为节点编号以及与该节点相联接的河道编号；Sc为与输送物质浓度有关的衰减项；Kd为衰减因子；S为外部的源或汇项；
所述S4中水动力的模拟，包括以下步骤：
A1、统一调水引流的模拟时间T1；
A2、分别从模型中获取水动力因子的模拟数据，包括各调水引流方案调水前后的河网平均水位、平均流量、河段换水率、引水影响长度；
A3、对比分析不同调度模式、不同引水流量下的各调水引流方案调水后对以上水动力因子的影响效果；
A4、确定出改善水动力因子的调水引流方案；
所述S4中水质的模拟，包括以下步骤：
B1、统一调水引流的模拟时间T2；
B2、选取分布在河网中的若干水质监测断面作为分析目标；
B3、利用所建立模型对各调水引流方案下的水质变化过程进行模拟，并分别提取所选的各水质监测断面处的主要污染物调水前后的水质浓度，计算各主要污染物调水后的水质平均改善率，并统计各方案下各个监测断面处水质达标所需时间以及能否在选定的调水引流时间内水质达标；
B4、优先选取在模拟时间内能够使各监测断面水质达标的调水引流方案作为方案，若不能达标则选取相同模拟时间内各断面水质平均改善率高于设定阈值的调水引流方案作为方案；
所述S5中的基于污染源的削减，确定水量水质优化调控方案，包括如下步骤：
C1、基于主要污染物，针对各污染源，制定不同的削减方案；
C2、基于步骤S4确定的调水引流方案，引入污染源的削减方案，并进一步模拟；
C3、对比分析污染物削减前与削减后，调水引流对水环境质量的改善与提升效果；
C4、结合各方案的对比分析结果，综合考虑调水引流的经济效益与环境效益，最终确定最优的水量水质优化调控方案。
2.根据权利要求1所述的一种基于未完全截污条件下的平原河网水量水质优化调控方法，其特征在于，所述S2中主要污染物的确定，为根据整体超标率高于设定污染物阈值的水质因子作为主要污染物，包括CODMn、氨氮、总磷。
3.根据权利要求1所述的一种基于未完全截污条件下的平原河网水量水质优化调控方法，其特征在于，所述S4中的水动力模拟过程分析包括分析引水流量、调度模式对河网平均流量、平均水位、河段换水率和引水影响长度水动力因子的影响。
4.根据权利要求1所述的一种基于未完全截污条件下的平原河网水量水质优化调控方法，其特征在于，所述削减方案包括全局削减方案和局部削减优化。
5.根据权利要求4所述的一种基于未完全截污条件下的平原河网水量水质优化调控方法，其特征在于，所述局部削减优化基于全局削减方案再实施。
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