CN111259530A - 多入河口的中小流域水质达标动态补水量预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水环境保护技术领域，具体涉及一种多入河口的中小流域水质达标动态补水量预测方法。本发明的方法包括：对中小河流的污染特征进行分析，选择关键控制指标；基于EXCEL软件建立一维水质模型和完全混合模型相耦合的多河段流域高精度动态水质预测模型，根据在线监测数据和手工监测数据对模型参数进行率定；预测补水时机及补水量。本发明的方法利用在线数据以及两种污染物的水质预测模型相互验证，提高了模型的准确性。该方法建立的河流水质与补水量之间的定量响应关系，能够实现水质现状与最佳补水量之间的动态匹配，克服了补水量不实时更新造成的水资源浪费或无法满足水质达标、无法满足环境管理者需求等问题。

Description

多入河口的中小流域水质达标动态补水量预测方法

技术领域

本发明属于水环境保护技术领域，具体涉及一种多入河口的中小流域水质达标动态补水量预测方法。

背景技术

在城市河流生态修复过程中，生态补水作为一项重要举措，对于缓解河流污染、恢复景观功能具有重要意义。生态补水在河流污染治理中应用广泛。目前关于生态补水量的研究有两个方向，一是为改善水质而进行的补水量研究；二是为改善、修复河流生态系统的结构、功能及自我调节能力而进行的生态需水量研究。

为改善水质进行的补水量预测一般基于水质模型进行预测。水质模型是一个用于描述物质在水中混合、迁移等变化过程的数学方程，即描述水体中污染物与时间、空间的定量关系。水质模型的基本原理是质量守恒原理。目前用于补水量预测的模型有WASP模型、MIKE11模型、一维模型、二维模型、均匀混合模型、稳态模型等。

唐玉兰等在《基于MIKE11的浑河沈抚段非汛期闸坝分区生态补水量研究》中，首先采用MIKE11软件模拟各断面流量，计算得到各区段的初始水量，然后由月保证率法及Tennant法计算各区段的最小生态环境需水量，最后计算各区生态补水量。

柯晶等在《基于WASP水质模型的汉江中下游调水前后水质模拟研究》中，基于WASP水质模型模拟了汉江中下游调水前后水质，发现调水及梯级电站开发后汉江中下游有些区域水质将会出现恶化，尤其是平水期和枯水期水质变化较为明显。

陈栋等人发表了《基于水质模拟分析的生态补水方案研究》，该文章中，针对不达水质目标要求的4条河道进行生态补水方案调度研究，基于一维水质模型对最不利的非汛期最枯月工况进行了生态补水计算。

张洪斌等人在《荆门市竹皮河的生态补水方案研究》一文中披露：对从漳河水库调水改善竹皮河水环境的作用进行研究，采用一维稳态模型和均匀混合水质模型，发现从漳河水库引入3m³/s的水量补给竹皮河，可使各断面的水质情况得到较大改善。以上研究均均未考虑排污动态变化，多数以最不利情况下进行补水量预测，补水量最大，造成水资源浪费，且使用商业化模型软件进行预测计算，成本较高。另外，上述研究均未对预测准确度进行评判。

谭永明分别采用一维和二维模型对小清河环境需水量进行了预测，考虑了排污状况的变化，但是这些排放状况仅是设计的数值，不是实际排放状况，所以预测的需水量不能满足环境管理者的需要。另外，该研究中水质模型是基于计算机程序语言进行计算，较为复杂。

综上，需要针对上述方法的缺陷进行改进，发明一种多入河口的中小流域水质达标动态补水量预测方法，以克服补水量不实时更新造成的水资源浪费或无法满足水质达标、无法满足管理者需求以及预测模型成本较高等缺陷。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种多入河口中小流域水质达标动态补水量预测方法，该方法解决了现有方法所表现出的补水量未及时的实时更新所造成的水资源浪费或无法满足水质达标、无法满足管理者需求以及预测模型成本较高这些缺陷。

本发明是为改善水质而进行的补水量研究，主要是通过对多入河口中小河流的污染特征进行分析，选择关键控制指标；然后基于EXCEL软件建立一维稳态水质模型和完全混合模型相耦合的多河段高精度动态水质预测模型，根据在线监测数据和手工监测数据对模型参数进行率定，污染物浓度预测误差控制在20％以内；最后，基于排放状况预测补水时机及补水量，同时还可对采取不同的排污控制措施后所需补水量进行预测。本发明尤其适用于多入河口的中小流域。

具体的，本发明所提供的一种多入河口中小流域水质达标动态补水量预测方法，具体如下：

(1)河流污染特性分析

搜集河流重点断面及考核标准相关资料，分析近年(近4～5年)水质监测数据，筛选河流重点污染物。在河流线监测中，化学需氧量和氨氮是常用指标，监测频次高、数据量大，建立这两种污染物的水质模型具有数据基础，优先搭建这两种污染物的水质预测模型。

(2)动态补水模型的建立

模型搭建原理

对于中小河流，其横向和竖向的污染和污染物浓度梯度可以忽略，因此干流衰减选用只考虑纵向即水流方向浓度变化的一维水质模型，在支流及其它排污口汇入干流与上游来水混合时采用完全混合模型。

对于含有较多的支流和排污口，采取精细分段模拟的办法以减小预测偏差，距离在500米之内的污染源设在同一河段。污染物浓度从上一级河段向下一级河段依次传递，直至河流最后断面。根据该原理，开发动态补水模型，然后根据现有监测数据对水质模型进行验证或修正。

另外，利用至少两种污染物的水质预测模型相互验证，提高模型的准确性。模型构建中综合考虑物理、化学、生态等过程的影响。以最优的补水方案，设定初始调水量，通过补水模型计算考核断面污染物浓度，如果污染物浓度大于标准限值，增加调水流量，直至出境断面污染物浓度达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)相应级别要求，从而得到河流生态补水量。

一维水质模型：

一维水质模型是应用最广的一种水质模型，其中，一维稳态水质模型和忽略弥散的一维稳态水质模型应用最方便。一维模型适用的假设条件是横向和垂直方向混合相当快，认为断面中的污染物的浓度是均匀的。或者是根据水质管理的精确度要求允许不考虑混合过程而假设在排污口断面瞬时完成充分混合。

可根据河流水流特点分两种情况，即不考虑弥散作用和考虑弥散作用。在稳态条件下，忽略弥散系数与考虑弥散系数的差异很小，常可以忽略。所以，一维稳态水质模型可以表示为：

C＝C₀×e^-kx/u (1)

式(1)中：

C₀——计算初始点污染物浓度；

k——污染物综合降解系数；

u——河流断面平均流速；

x——至初始断面沿程距离；

C——沿程污染物浓度。

完全混合模型：

式(2)中：

C——污水与河水混合后的污染物浓度，mg/L；

C_p——排放口上游污染物的浓度，mg/L；

Q_p——河流的流量，m³/s；

C_h——排放口污染物的浓度，mg/L；

Q_h——排放污水量，m³/s。

河流分段

首先开展入河排污口核查，搜集污染源及排污口资料，现场查勘，确定入河排污口分布状况和具体位置。

然后进行河流分段。河流分段原则如下：

①以支流、工业污染源、污水处理厂、排污沟、排污口、干流溢流口等的入河处作为河段分段节点，距离在500米之内的排放源适当合并；

②河流断面形状发生剧烈变化处设置新河段，这种变化影响河流的流态；

③河流取水处设置河段节点，如灌溉集中处；

④源头、终点断面、闸坝、水文站等其它需要注意的地方也设置河段节点。

最后，列出分段明细。根据排污口分布情况以及分段原则，对河流进行精细分段，确定河流分段数量、节点断面名称、河段起始点、节点断面特征、河段长度、河段排放源名称等信息。

模型参数的确定

①综合降解系数

污染物的生物降解、沉降和其他生物过程，可概括为污染物综合降解系数，它反映了污染物在水体中降解的速率，尤其是在径流较小的河流，它是决定水体水环境容量的重要因素之一。许多科学实验和研究资料表明，降解系数不但与河流的水文条件，如流量、水温、水深、泥沙含量等因素有关，而且与水体的污染程度关系密切。污染物综合降解系数常通过实测资料率定、类比、分析借用等方法确定。本发明采用分析借用法确定河流污染物综合降解系数。郭儒在《河流中污染物衰减系数影响因素分析》中列出了部分河流的衰减系数，如表1所示。发现部分河流COD的衰减系数为0.009～0.470d^-1，氨氮的衰减系数为0.071～0.350d^-1。

表1部分河流衰减系数(d^-1)

河流	研究者	K<sub>COD</sub>	河流	研究者	K<sub>NH3-N</sub>
						泾河	马光耀等	0.091	黄河：宁夏段	韩宇平	0.280-0.300
淮河	陈炎等	0.009-0.340	黄河：兰州段	王有乐等	0.094-0.105
						乐安河	万金保等	0.470	桂林：桃花江	曾全方等	0.350
黄河：宁夏段	云飞等	0.200	济南：小清河	祁超征等	0.071
						黄河：兰州段	王有乐等	0.185-0.240	柳江：柳州段	龚若愚等	0.160
黄河水系：金堤河	程志臣等	0.133	济南：小清河	祁超征等	0.327
						汉江：陕西段	寇晓梅等	0.187	柳江：柳州段	龚若愚等	0.250
桂林：桃花江	曾全方等	0.300	/	/	/

由于综合降解系数与水温、河段水文条件等密切相关，所以分月份、分河段赋予不同的降解系数。首先分河段对20℃的降解系数赋值，然后按照水温计算不同时期(月份)的衰减系数。本领域相关的研究成果表明，水体温度高，降解系数大，且二者之间定量关系已经有较为可靠的研究成果，不同水温条件下K值估算关系式如下：

K_T＝K₂₀·1.047^(T-20) (3)

式(3)中：

K_T——T℃时的K值，d^-1；

T——水温，℃；

K₂₀——20℃时的K值，d^-1。

对于北方河流，水温全年变化较大，若衰减系数全年维持不变的话会使预测误差增大。因此其余水温下的降解系数建议根据上述经验公式进行计算取值。

②流速流量的确定

数据来源方式有两种，一是实测，采用流速仪法、浮标法、溢流堰法、容量法中的任一种进行监测；污水处理厂采用其在线监测设备所监测的流量数据；二是各市水文局统计年鉴。

污染源概化与边界条件输入

对流域内污染源进行分析和概化。当流入河道的两个排污口距离较近(比如距离在500米以内)时，可视为一个在原排污口之间且排污量是两者相加的排污口；当流入河道的两个排污口距离远，应该单独分析考虑。

在本发明中，模型的上边界设置在研究河段的初始断面，下边界设置在最终断面。

本发明中，将排污口分为但不限于以下六类：第一类是清洁水；第二类是污水处理厂及中水处理站排水；第三类是直排污水，主要指干流溢出口直排污水；第四类是支流；第五类是工业废水；第六类是地表径流。水质模型的边界条件，点源污染采用实测流量和污染物浓度；面源污染流量采用简易模型(Simple Method)计算城市地表径流污染负荷，污染物浓度采用径流事件平均浓度。

简易模型的月污染负荷计算公式为：

L＝R×C×A×10^-6 (4)

式(4)中：

L为月污染负荷量，kg；

R为月径流量，mm；

C为径流污染物平均浓度，mg/L；

A为集水区面积，m²。

月径流量R由下式确定：

R＝P×Rv (5)

式(5)中：

P为月降雨量，mm；

Rv为径流系数。

动态补水模型搭建、运行与验证

干流段采用只考虑纵向即水流方向浓度变化的一维水质模型，支流及污染源流量远低于干流流量，在污染源或支流进入干流时采用完全混合模型。按照污染物从上一级河段向下一级传递的过程，依据一维稳态水质模型(式1)和完全混合模型(式2)原理，基于EXCEL软件建立河流水质预测模型。

输入按前面方法确定的模型参数及边界条件，包括排放源水量、排放源浓度、河段距离、河段降解系数、河段流速等，模拟各断面重点污染物浓度，主要是化学需氧量和氨氮。

根据现有在线监测数据验证建立水质模型的准确性与可行性，采用在线数据月均值进行验证，使水质预测误差控制在20％以内。如果结果不满意(比如误差大于20％)，需重新核查污染源信息及模型参数信息，直至结果满意。

(3)动态补水量预测

1)确定补水补水水源以及入河位置

确定所研究的河流可以实施的补水水源、水质情况，以及各水源进入干流的方式和位置。与干流上排污口处置方式一致，根据入河位置情况将其嵌入模型相应的河段中，作为清洁水源参与水质预测。

2)基于实际排放状况的动态补水量预测

前面构建了化学需氧量和氨氮的水质预测模型，在补水量预测时需要进行模型选择。为保证能达到水环境功能区标准，按照单因子污染指数法，选择指数大的指标作为水质控制目标，并以该污染物的水质模型来计算生态补水量。

将全年分成12个月份，分别输入每个月份的模型参数、边界条件、河段基本参数等，基于实际情况预测各月所需补水量。根据实际情况，也可以按日进行补水量预测。

3)基于排污改善的全年补水量预测

根据水质模型程序计算探寻影响河流水质的主要因素，如溢流污水量、各支流直排污水量、污水处理厂处理能力和处理效果、季节、工业排污等。据此提出相应治理措施，应用模型预测采取治理措施后水质达标所需补水量。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明利用在线数据以及两种污染物的水质预测模型相互验证，提高了模型的准确性；

(2)本发明建立的河流水质与补水量之间的定量响应关系，能够实现水质现状与最佳补水量之间的动态匹配，克服了补水量不实时更新造成的水资源浪费或无法满足水质达标、无法满足环境管理者需求等问题；

(3)本发明的方法避免了商业化水质模型带来的高昂费用，节约了成本；

(4)本发明的方法在实际应用过程中实用性强、重现性好；通过本发明所建立的模型对多入河口中小流域水质达标动态补水量进行预测，结果表明，实际运行中，中小流域氨氮指标均达到《地表水环境质量标准》V类标准，不需补水，与此模型预测结果一致。说明该补水模型预测结果准确、可靠，本发明为流域水质达标补水量预测提供了准确、经济、高效、便捷的预测方法。

附图说明

图1为多入河口中小流域水质达标动态补水量预测方法路线图；

图2为多入河口中小流域动态补水量预测软件界面

图3小清河济南段主要断面化学需氧量变化；

图4小清河济南段主要断面氨氮变化；

图5小清河济南段主要断面总磷变化；

图6小清河济南段重要断面、支流及排污口情况；

图7辛丰庄COD模拟结果；

图8辛丰庄氨氮模拟结果；

图9采取治理措施后小清河济南段出境断面氨氮浓度变化图。

具体实施方式

为了能使本领域技术人员更好的理解本发明，现结合具体实施方式对本发明进行更进一步的阐述。

本发明以济南的小清河段流域为例，对其展开了建立模型以及水质达标动态补水量预测方法，具体的方法如实施例1。

实施例1

基于多入河口中小流域水质达标动态补水量预测方法，包括以下的步骤：

(1)河流污染特性分析

根据排污特点小清河济南段设置了不同的监测考核断面。睦里庄断面功能区类别为源头水质保护区，执行《地表水环境质量标准》(GB3838－2002)III类标准；还乡店是市区生活污水控制断面，大码头是工业污水控制断面；辛丰庄为济南市出境断面，均执行地表水环境质量V类标准。

经过多年的研究和控制，小清河水质已得到很大改善，在对其所进行的21项考核指标中只有氨氮和总磷达不到环境功能区标准。

化学需氧量指标已经达标，但是考虑到它是反映河流水质的重要指标，所以分析了历年各个断面的化学需氧量、氨氮和总磷情况，如附图3～图5。由图3发现，2011～2016年四个断面的化学需氧量均达到了各自功能区标准；由图5发现，睦里庄氨氮除2015年外，其余年份均达到地表水Ⅲ类标准(1.0mg/L)，还乡店、大码头和辛丰庄一直未达到地表水Ⅴ类标准(2.0mg/L)。由图4发现，睦里庄总磷除2015年外，其余年份达到地表水Ⅲ类标准(0.2mg/L)，还乡店、大码头和辛丰庄总磷基本不能达到地表水Ⅴ类标准(0.4mg/L)，只有辛丰庄在2011年和2012年达标。因此，小清河重点污染物是氨氮，考虑到COD监测数据的充足性，本实施例中搭建这两种污染物的补水预测模型，图2为所搭建模型的预测软件界面。

(2)动态补水模型的建立

1)河流分段

首先开展入河口核查，搜集污染源及排污口资料，现场查勘，确定入河排污口分布状况和具体位置，绘制入河口位置分布图，见附图6。根据河流分段原则，将小清河济南段分为25段，见表2。

表2小清河济南段补水模型河段划分明细

2)模型参数的确定

①综合降解系数

本发明首先分河段对20℃的降解系数赋值，然后按照水温计算不同时间的衰减系数。祁超征在《有排污口存在河段估算污染物衰减系数K值方法》(2002)中，估算出小清河滨州段氨氮降解系数为0.071d^-1，化学需氧量降解系数为0.3271d^-1。考虑小清河济南段的污染特性，以G35高速为界，上游20℃时COD、NH₃-N的降解系数为0.20d^-1、0.06d^-1，下游20℃时COD、NH₃-N的降解系数为0.25d^-1、0.07d^-1。其余水温下的降解系数根据经验公式(3)计算得到。

②流速流量的确定

数据来源方式有两种，一是实测，采用ADCP走航式测流仪测定；二是济南市水文局统计年鉴。利用ADCP走航式测流仪对源头睦里庄、洪园闸、辛丰庄断面进行了多次实地测量。小清河各段流速见表3所示。源头至腊山河为0.02m/s，腊山河至G35高速流速为0.10m/s，G35高速至巨野河流速为0.20m/s，巨野河至辛丰庄干流流速0.33m/s。

表3小清河各河段流速(m/s)

3)污染源概化与边界条件输入

在本实例中，研究范围是小清河源头睦里庄断面至出济南辛丰庄断面。模型的上边界设置在睦里庄断面，下边界设置在辛丰庄断面。

小清河污染源分为六类：第一类是清洁水，即源头水和泉水；第二类是污水处理厂及中水处理站排水；第三类是直排污水，主要指干流溢出口直排污水；第四类是支流；第五类是工业废水；第六类是地表径流。

水质模型的边界条件如下：

①清洁水

清洁水包括睦里庄源头水和泉水。睦里庄源头水主要是玉清湖水库渗水，水质为每月监测数据，水量相对稳定。

泉水水质为实测值。选取总流量与趵突泉水位之间的量化关系式进行泉水量计算。关系式如下：

LBao＝26.937+0.09Q (6)

其中，Q为四大泉群总流量(万立方米/天)，LBao为趵突泉水位(米)。

四大泉群总流量及入河量见表4。进入小清河的泉水量为泉水量与入河系数的乘积。考虑到泉水的损耗，选取入河系数为0.8。

表4四大泉群喷涌量

②污水处理厂、中水站排水及工业废水

污水处理厂、中水站和工业污染源排放废水均有在线监控，因此模型边界条件均采用在线监测数据。

③直排污水

由于现有污水处理能力不足，收集的污水不能完全处理，这部分污水直接排入小清河，以黄岗路桥溢流口、济洛路桥溢流口、生产路桥溢流口、板桥溢流口等为代表。溢流口污水为管道收集污水，因此污染物浓度采用污水厂进口在线监测浓度，其水量按总量控制原则进行计算。溢流量等于该范围内总收集水量减去水质一厂和中水站处理量。水质一厂汇水范围内日均收集污水量为45万方左右。参考光大污水处理厂进水日均变化系数，考虑直排污水不同季节、不同月份之间的变化情况。

该范围内还有十余座中水站，日处理量约7万m³/d，实际处理量为6.2万m³/d左右。但是自2016年3月至2017年4月该范围内中水站陆续提标改造，2016年3月聚贤中水站提标改造，2016年4月西圩子壕中水站、东泺河中水站改造，2016年5月物业学院中水站改造，2016年7月广场东沟中水站改造，2016年9月工商河中水站改造，2017年4月南全福中水站改造。因此，溢出口水量计算时需考虑中水站处理量的变化。溢出口污水和进入一厂的污水都是上游管道而来，可以认为两者水质基本一致，所以化学需氧量和氨氮浓度采用水质一厂进口在线监测数据。

④支流

小清河支流化学需氧量和氨氮的浓度采用实测数据。每月对小清河主要断面及支流进行2次监测，取其平均值作为各支流每月水质数据。支流流量是不含排入其内的污水处理厂或中水站的水量，支流流量数据来源来源为市环保局日常巡查估算数据，见表5。

表5支流流量汇总

⑤城市地表径流

城市径流污染是由降雨造成的城市地表污染物流失进入水体造成的污染。采用简易模型(Simple Method)(式4和式5)计算城市地表径流污染负荷。

根据统计资料，小清河济南段流域面积为2792km²，其中山地丘陵汇流面积在占该河流域面积的54.7％，因此计算城市径流面积为1264.78km²。考虑不同功能区或者下垫面对径流系数的影响，结合济南市及其他地区径流系数的研究结果，确定小清河济南段径流系数取值为0.4。李梅等人的研究得到了济南市不同下垫面径流浓度的平均值，其中，COD平均浓度为76.98mg/L，氨氮平均浓度为4.78mg/L。经计算发现，地表径流量变化范围为0～81.45m³/d。

4)动态补水模型运行与验证

采用辛丰庄断面的化学需氧量、氨氮每月日均值在线数据对模型进行验证，预测时间段为2015年6月至2017年5月共2年时间。该时间段内，2015年10月至2016年2月，2016年12月至2017年2月实施了生态补水，在该模型计算时已引入了补水项。模型预测误差见表6，发现COD和氨氮平均相对误差分别为18.71％和17.91％，均小于20％，可见模型预测准确度高。

表6辛丰庄断面COD和氨氮预测误差

模型预测值与实测值比较结果见图7和图8所示，发现该水质模型能较好的预测COD、氨氮污染物浓度。

(3)动态补水量预测

1)确定补水补水水源以及入河位置

济南市小清河有四种补水渠道：

①以平阴田山沉砂池黄河水为水源，通过南水北调济平干渠，将水引到济南，从济西小清河济平干渠枢纽闸补入小清河。

②以玉清湖水库沉沙池黄河水为水源。利用滨河集团修建的玉清湖沉砂池至睦里闸的补源管道工程，将水补入小清河。

③以南水北调长江水(或东平湖水)为水源。通过南水北调济平干渠，从济西小清河济平干渠枢纽闸将水补入小清河。

④以黄河水为水源。通过槐荫区水务局协调北店子引黄泵站，将黄河水引入南太平河，再补入小清河。

以上4种方案中，从平阴田山补水需借用南水北调东线干渠，价格相对合理；玉清湖水库沉砂池补水，由滨河集团修建的补水管线漏损严重，最大补水量不能超过5万立方米/日；从南水北调长江水引水价格较贵；从北店子引黄站通过南太平河补水，南太平河段距离较长，沿途水量漏损严重，泥沙对河道淤积严重。综合水源特点、补水路径和补水价格等多个因素，第一种补水方案具有优势，是推崇的补水方案。

因此，本实例中按照采用第一种补水方案建立小清河补水模型。补水水源为黄河水，水质类别为地表水Ⅲ类标准。将此补水口列入河流分段中的第一段参与模拟计算。

2)基于实际排放状况的动态补水量预测

因为化学需氧量能达到水环境功能区标准，氨氮和总磷不达标，而氨氮超标倍数远大于总磷，总磷超标倍数较小，所以氨氮是实现水质控制目标的关键因素，所以以氨氮作为目标计算生态补水量。

2016年小清河沿线污水处理能力有所提升，水质一厂完成5万方/天的扩建，中水站陆续进行提标改造并投入运行。因此补水量计算条件是小清河沿线污水处理厂和中水站全部正常运行(实际处理能力为101万方/天)，但是溢流和支流仍维持现状，其余边界条件参考2016年情况。应用开发的水质模型计算全年生态补水量，模拟计算结果见表7，考虑到模型预测误差，水量上浮20％作为安全补水量。计算表明为保证小清河氨氮全面达标，年补水量为1.28～1.54亿m³。

表7小清河出境断面达标全年生态补水量预测

3)基于排污改善的全年补水量预测

根据水质模型程序计算发现，影响小清河辛丰庄氨氮浓度的因素有：溢流污水量、各支流直排污水量、污水处理厂处理能力和处理效果、泉水喷涌量、季节、工业排污等。其中工业排污相对稳定，污水处理厂必须达标排放，处理能力受规划影响，季节具有不可抗力，泉水量人为改变难度较大，所以可调控的主要因素为溢流口排放和支流排放。

污染较重的支流有北太平河、工商河、前引河、后引河、华山大沟、赵王河、遥墙排污沟、遥墙老工业园东排污口等，流量大约为3～4万方/天。水质一厂扩建后且中水站全部正常运行后，溢流口流量约1～4万方/天。溢流口流量为管网收集水量，因受污水处理规模限制无法处理直接排入小清河，一旦污水处理规模扩建之后，这些污水即可入厂进行处理。

在目前处理规模的基础上假设3种情况进行需水量预测：

①仅改善溢流口排放：支流维持现状，溢流口污水进入污水厂处理达标排放；

②仅改善支流排放：支流截污进入污水厂处理达标排放，溢流口排放维持现状；

③同时改善支流和溢流口排放：支流截污和溢流口污水全部进入污水厂处理达标排放。

对三种情况进行需水量模拟，见表8。发现仅改善溢流口排放时全年需补水0.37～0.44亿m³，仅改善支流排放时全年需补水0.33～0.40亿m³，同时改善支流和溢流口排放时几乎不需要补水，说明支流截污和控制溢流量是小清河水质达标的关键，且两者需同时控制。可见治理小清河的重要任务就是扩大污水处理厂规模，将未截污支流和直排口污水收纳进入污水处理厂(站)，并达标排放。

表8基于排污改善的全年生态补水量预测

2019年1月济南市光大水务一厂和二厂各扩建10万吨/天产能，将溢流生活污水和排向支流的生活污水逐渐引入污水厂进行处理，然后再排入小清河，小清河水质出现明显好转，见图9。图9为采取治理措施后小清河济南段出境断面氨氮浓度变化图。图9表明2019年济南市小清河出境断面氨氮监测数据明显优于2018年。自2019年2月至今，氨氮指标均达到《地表水环境质量标准》V类标准，不需补水，与此模型预测结果一致。

从上表8可以看出，通过本发明所提供的补水模型来预测小清河的水质达标动态补水量，其预测结果准确、可靠，这说明本发明所提供的预测方法为流域水质达标补水量预测提供了一种准确、经济、高效、便捷的方式。

Claims (8)

1.多入河口的中小流域水质达标动态补水量预测方法，包括以下的步骤：

（1）分析河流污染特性

搜集河流重点断面及考核标准相关资料，分析近四～五年河流水质监测数据，筛选河流重点污染物，考察重点污染物的变化规律；

（2）建立动态补水模型

选择适宜的模型，对河流进行精细分段，确定模型参数，对污染源进行概化，确定边界条件输入，搭建动态补水模型，进行运行与验证；

（3）预测动态补水量

确定补水水源以及入河口位置，开展基于实际排放状况和排污改善的动态补水量预测。

2.如权利要求1所述的多入河口的中小流域水质达标动态补水量预测方法，其特征在于：

（1）中，分析河流污染特性时，考察化学需氧量和氨氮，并搭建化学需氧量和氨氮的水质预测模型。

3.如权利要求1所述的多入河口的中小流域水质达标动态补水量预测方法，其特征在于：

（2）中，选择适宜的模型时，对于中小河流，干流衰减选用一维水质模型，在支流及其它排污口汇入干流与上游来水混合时采用完全混合模型；

优选的，（2）中，对河流进行精细分段时，入河排污口核查，搜集污染源及排污口资料，现场查勘，确定入河排污口分布状况和具体位置；然后对河流进行分段；

优选的，（2）中，对河流分段的方法是，

以支流、工业污染源、污水处理厂、排污沟、排污口、干流溢流口的入河处作为河段分段节点，合并距离为500米以内的排放源；

河流断面形状发生剧烈变化处设置新河段；

河流取水处设置河段节点；

源头、终点断面、闸坝、水文站设置河段节点；

优选的，（2）中，列出分段明细，根据排污口分布情况以及分段方法，对河流进行精细分段，确定河流相关信息；所述的河流的相关信息包括河流分段数量、节点断面名称、河段起始点、节点断面特征、河段长度、河段排放源名称；

优选的，（2）中，确定模型参数时，采用分析借用法确定河流污染物综合降解系数；

优选的，（2）中，确定河流污染物综合降解系数时，按月份、分河段赋予不同的降解系数；首先分河段对20℃的降解系数赋值，然后按照水温计算不同月份的衰减系数；

优选的，（2）中，通过实测获得流速流量数据；或者是通过各市水文局统计年鉴获得流速流量数据；

优选的，（2）中，实测时采用流速仪法、浮标法、溢流堰法、容量法中的任一种进行监测；污水处理厂采用其在线监测设备所监测的流量数据；

对污染源进行概化时，当流入河道的两个排污口距离在500米以内时，按照一个在原排污口之间且排污量是两者相加的排污口来处理；当流入河道的两个排污口距离大于或等于500米时，单独分析处理。

4.如权利要求1所述的多入河口的中小流域水质达标动态补水量预测方法，其特征在于：

（2）中，确定边界条件输入时，模型的上边界设置在研究河段的初始断面，下边界设置在最终断面；

优选的，（2）中，将入河口分为以下六类：第一类是清洁水；第二类是污水处理厂及中水处理站排水；第三类是直排污水，所述的直排污水为干流溢出口直排污水；第四类是支流；第五类是工业废水；第六类是地表径流；水质模型的边界条件，第一类至第五类按点源污染处理，流量和污染物浓度采用实测法；第六类按面源污染处理，流量采用简易模型计算城市地表径流污染负荷，污染物浓度采用径流事件平均浓度。

5.如权利要求1所述的多入河口的中小流域水质达标动态补水量预测方法，其特征在于：

（2）中，基于EXCEL搭建动态补水模型、进行运行与验证时，基于EXCEL软件建立河流水质预测模型，污染物浓度从上一级河段向下一级河段依次传递，直至河流最后断面；

输入所确定的模型参数及边界条件，运行软件，模拟各断面重点污染物浓度；

所述的模型参数及边界条件包括排放源水量、排放源浓度、河段距离、河段降解系数、河段流速；

根据在线监测数据和两种主要污染物COD和氨氮的水质预测模型验证补水模型的准确性与可行性，采用在线数据月均值进行验证，使水质预测误差控制在20%以内；若预测误差大于20%，则重新核查污染源信息及模型参数信息，直至误差结果在20%之内。

6.如权利要求1所述的多入河口的中小流域水质达标动态补水量预测方法，其特征在于：

（3）中，确定补水水源以及入河位置时，确定所研究的河流可以实施的补水水源、水质情况，以及各水源进入干流的方式和位置；与干流上排污口处置方式一致，根据入河位置情况将其嵌入模型相应的河段中，作为清洁水源参与水质预测。

7.如权利要求1所述的多入河口的中小流域水质达标动态补水量预测方法，其特征在于：

（3）中，基于实际排放状况的动态补水量预测时，按照单因子污染指数法，选择指数大的指标作为水质控制目标，并以该污染物的水质模型来计算生态补水量；

优选的，将全年分成12个月份，分别输入每个月份的模型参数、边界条件、河段基本参数，基于实际情况预测各月所需补水量；

优选的，按日进行补水量预测，设定初始调水量，通过补水模型计算考核断面污染物浓度，如果污染物浓度大于标准限值，增加调水流量，直至出境断面污染物浓度达到GB3838-2002《地表水环境质量标准》相应级别要求，获得河流补水量。

8.如权利要求1所述的多入河口的中小流域水质达标动态补水量预测方法，其特征在于：

（3）中，基于排污改善的全年补水量预测时，根据水质模型程序计算影响河流水质的主要因素；所述的主要因素包括溢流污水量、各支流直排污水量、污水处理厂处理能力和处理效果、季节、工业排污；应用模型预测采取相应治理措施后水质达标所需补水量。

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