CN111291305A - 基于一维水质模型计算流域污染源入河系数的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于一维水质模型计算流域污染源入河系数的方法，包括：确定流域计算范围，明确计算区域上、下游边界起止位置的步骤；收集流域水文资料、水质资料、计算区域范围内污染源排放统计数据的步骤等；本发明提供的一种基于一维水质模型计算流域污染源入河系数的方法，通过获取计算区域内上、下游边界的水文水质数据以及区域范围内各污染物的排放数据，将其代入水陆污染物质量守恒方程，利用规划求解的方法，可计算出流域污染源的入河系数。本发明提供的计算模型结构简单，主要特点是简便、可操作性强，模拟精度较高，可以较好地求出流域内污染源的入河系数。

Description

基于一维水质模型计算流域污染源入河系数的方法
技术领域
本发明具体涉及一种基于一维水质模型计算流域污染源入河系数的方法。
背景技术
引起水体受到污染的污染物，按照来源可分为点源污染和非点源污染，点源 污染指工业废水和城市污水经处理后通过固定的可监测的排污管道进入纳污水 体造成的水体污染。非点源污染也称为面源污染，指污染物排放地点不确定， 借助于降水等作用，通过地表径流、土壤侵蚀、地下淋溶等过程汇入纳污水体。 非点源污染一般包括农业上使用的农药化肥、畜禽养殖排放的粪尿、农村地区 的生活污水以及城市地表的径流污染。
根据相关研究资料报道，流域水体污染来源主要是来自非点源污染。因此， 只有确定出非点源污染入河量大小，才能有效地对流域污染源制定削减措施提 供参考依据。如何方便、准确地计算得出流域污染源的入河系数是关键。目前， 虽然对流域污染源的污染负荷估算的研究方法较多，包括边界实测总负荷减去 点源负荷的方法、水文估算法、输出系数法以及模型估算法。然而对于污染源 入河系数的研究较少，大多数参照经验公式法或者调查法来确定污染源的入河 系数。以上方法得出的污染源入河系数存在数据准确性较差、费时、不够经济 等问题，影响了实际应用计算。
综上所述，目前急需一种基于一维水质模型计算流域污染源入河系数的方 法以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于一维水质模型计算 流域污染源入河系数的方法，该基于一维水质模型计算流域污染源入河系数的 方法可以很好地解决上述问题。
为达到上述要求，本发明采取的技术方案是：提供一种基于一维水质模型 计算流域污染源入河系数的方法，该基于一维水质模型计算流域污染源入河系 数的方法包括：
S1：确定流域计算范围，明确计算区域上、下游边界起止位置的步骤，；
S2：收集流域水文资料、水质资料、计算区域范围内污染源排放统计数据 的步骤；
S3：确定一维水质模型降解系数的步骤；
S4：按月份统计在计算区域范围内直排、间排和面源污染排放量、计算流 域上、下游边界污染物静态通量及污染物降解量；
S5：构建计算区域范围内每月水陆污染物质量守恒方程；
S6：剔除不合理的每月污染物质量守恒方程组；若存在上游边界污染物通 量与上、下游边界之间污染物降解量之差大于下游边界污染物通量的方程组， 则剔除，反之保留；
S7：确定污染源入河系数的限制条件，并求出各污染源的入河系数；以及
S8：将求出的所述入河系数带入质量守恒方程，重新核算污染源入河量， 并与下游边界通量进行比较，若计算值与下游边界通量实测值相对误差在30％ 以内，表明所求污染源的入河系数较为合理，反之重新求解污染源的入河系数。
该基于一维水质模型计算流域污染源入河系数的方法具有的优点如下：
本发明提供的一种基于一维水质模型计算流域污染源入河系数的方法，通 过获取计算区域内上、下游边界的水文水质数据以及区域范围内各污染物的排 放数据，将其代入水陆污染物质量守恒方程，利用规划求解的方法，可计算出 流域污染源的入河系数。本发明提供的计算模型结构简单，主要特点是简便、 可操作性强，模拟精度较高，可以较好地求出流域内污染源的入河系数。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分， 在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性 实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1示意性地示出了根据本申请一个实施例的基于一维水质模型计算流域 污染源入河系数的方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施 例，对本申请作进一步地详细说明。
在以下描述中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”、“示例”等等 的引用表明如此描述的实施例或示例可以包括特定特征、结构、特性、性质、 元素或限度，但并非每个实施例或示例都必然包括特定特征、结构、特性、性 质、元素或限度。另外，重复使用短语“根据本申请的一个实施例”虽然有可 能是指代相同实施例，但并非必然指代相同的实施例。
为简单起见，以下描述中省略了本领域技术人员公知的某些技术特征。
根据本申请的一个实施例，提供一种基于一维水质模型计算流域污染源入 河系数的方法，如图1所示，包括：
S1：确定流域计算范围，明确计算区域上、下游边界起止位置的步骤；
S2：收集流域水文资料、水质资料、计算区域范围内污染源排放统计数据 的步骤；
S3：确定一维水质模型降解系数的步骤，降解系数的确定可以利用实验法 测定，或者参照目前公开的相关文献、报告资料；
S4：按月份统计在计算区域范围内直排、间排和面源污染排放量、计算流 域上、下游边界污染物静态通量及污染物降解量；
S5：构建计算区域范围内每月水陆污染物质量守恒方程；
S6：剔除不合理的每月污染物质量守恒方程组；若存在上游边界污染物通 量与上、下游边界之间污染物降解量之差大于下游边界污染物通量的方程组， 则剔除，反之保留；
S7：确定污染源入河系数的限制条件，并求出各污染源的入河系数；以及
S8：将求出的所述入河系数带入质量守恒方程，重新核算污染源入河量， 并与下游边界通量进行比较，若计算值与下游边界通量实测值相对误差在30％ 以内，表明所求污染源的入河系数较为合理，反之重新求解污染源的入河系数。
根据本申请的一个实施例，该基于一维水质模型计算流域污染源入河系数 的方法的水文资料包括上、下游边界流量、流速、上、下游河流边界距离，资 料应能满足模型参数的计算要求。
根据本申请的一个实施例，该基于一维水质模型计算流域污染源入河系数 的方法的水质资料包括计算区域内河流水质现状数据。
根据本申请的一个实施例，该基于一维水质模型计算流域污染源入河系数 的方法的区域范围内污染源包括直排污染源、间排污染源和面源污染。
根据本申请的一个实施例，该基于一维水质模型计算流域污染源入河系数 的方法的直排污染源包括工业直排污染、生活直排污染及畜禽直排污染，所述 间排污染源包括工业间排污染、生活间排污染及畜禽间排污染，所述面源污染 包括城市径流污染及农业面源污染。
根据本申请的一个实施例，该基于一维水质模型计算流域污染源入河系数 的方法中利用excel软件中的规划求解功能求污染源的入河系数。
根据本申请的一个实施例，该基于一维水质模型计算流域污染源入河系数 的方法的一维水质模型表达式如下：
Cx＝Co exp(-KL/u)
其中：Cx为计算区域下游浓度；
C0为计算区域上游浓度；
K为降解系数；
L为上、下游河流之间距离；
u为上、下游河流平均流速。
根据本申请的一个实施例，该基于一维水质模型计算流域污染源入河系数 的方法的水陆污染物质量守恒方程表达式为：
W0＝λ1W1+λ2W2+λ3W3+W4-W5
其中：W0为下游边界污染物通量；
W1为直排污染源排放量；
W2为间排污染源排放量；
W3为面源污染排放量；
W4为上游边界污染物通量；
W5为上、下游边界之间污染物降解量；
λ1直排污染源入河系数；
λ2间排污染源入河系数；
λ3面源污染入河系数。
根据本申请的一个实施例，该基于一维水质模型计算流域污染源入河系数 的方法模拟以成都市岷江(内江)流域为实例，开展计算流域污染源入河系数 的方法如下：
步骤1：确定流域计算范围，明确计算区域上、下游边界起止位置。实施例 中岷江(内江)流域计算范围收集2016年内江流域水文资料、水质资料、计算 区域范围内各类污染源排放统计数据见表1。
表1 2016年计算区域范围内水文、水质数据：
Figure BDA0002333443970000061
步骤2：确定一维水质模型降解系数，本实例中氨氮和总磷的降解系数参考 相关文献和技术研究报告进行取值，氨氮和总磷的降解系数取值分别为0.17和 0.09。
步骤3：统计与计算区域范围内直排、间排和面源污染排放量、流域上、 下游边界污染物静态通量以及污染物降解量，结果如表2、3所示。
表2 2016年区域范围内水陆氨氮污染物统计计算结果(吨)：
Figure BDA0002333443970000062
Figure BDA0002333443970000071
表3 2016年区域范围内水陆总磷污染物统计计算结果(吨)：
Figure BDA0002333443970000072
步骤4：构建计算区域范围内每月水陆污染物质量守恒方程，剔除不合理的 方程。以污染源的氨氮入河系数计算为例，通过计算可知，构建污染源的氨氮 入河系数每个月的方程中，其中4、7、9、10、11、12月的方程中W4与W5之 差大于W0，应剔除，保留其余月份的有效方程组。
步骤5：确定污染源入河系数的限制条件。根据《主要水污染物总量分配指 导意见》(环发[2005]185号)入河系数(以企业排放口和城市污水处理设施排放 口到入河排污口的距离(L)远近确定：L≤1km，入河系数取1.0；1＜L≤10km， 入河系数取0.9。由于间排污染源首先经过污水处理设施处理后排放，而污水处 理设施一般建于城市高程较低处，处理后的出水一般就近排放或短距离输送后 排入周边水体，因此污染源间排的入河系数λ2取0.9。直排污染源如生活污水、 工业、畜禽直接进入水体等，考虑污染源在入河过程中的渗透和降解等作用， 直排的入河系数λ1一般小于0.5。根据《流域水污染物总量控制技术与示范》文 献显示并结合内江流域城市建设情况，其面源污染的入河系数λ3在0.01-0.1之 间。
步骤6：利用excel软件中的规划求解功能求出各污染源的入河系数。利 用3月和6月的污染源质量守恒方程组，其表达式如下：
Figure BDA0002333443970000081
方程组中限值条件为0＜λ1＜0.5，λ2＝0.9，0.01＜λ3＜0.1，最后通过 excel软件中的规划求解功能求解出λ1＝0.11，λ3＝0.04。
步骤7：污染源入河量核算，确定入河系数求解结果合理性。将求解出的污 染源氨氮入河系数分别带入每月总入河量计算方程中，得到的结果如表4所示。 可以看出，区域范围内氨氮入河量计算值和监测值的平均相对偏差在30％以内， 表明所求污染源的入河系数较为合理。同理，可求得各污染源总磷的入河系数 分别为λ1＝0.40，λ1＝0.9，λ3＝0.08。
表4氨氮入河量模拟计算值和实际监测值对比：
Figure BDA0002333443970000082
本发明提供的一种基于一维水质模型计算流域污染源入河系数的方法，通 过获取计算区域内上、下游边界的水文水质数据以及区域范围内各污染物的排 放数据，将其代入水陆污染物质量守恒方程，利用规划求解的方法，可计算出 流域污染源的入河系数。本发明提供的计算模型结构简单，主要特点是简便、 可操作性强，模拟精度较高，可以较好地求出流域内污染源的入河系数。
以上所述实施例仅表示本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些 都属于本发明保护范围。因此本发明的保护范围应该以所述权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基于一维水质模型计算流域污染源入河系数的方法，其特征在于，包括：
S1：确定流域计算范围，明确计算区域上、下游边界起止位置的步骤；
S2：收集流域水文资料、水质资料、计算区域范围内污染源排放统计数据的步骤；
S3：确定一维水质模型降解系数的步骤；
S4：按月份统计在计算区域范围内直排、间排和面源污染排放量、计算流域上、下游边界污染物静态通量及污染物降解量；
S5：构建计算区域范围内每月水陆污染物质量守恒方程；
S6：剔除不合理的每月污染物质量守恒方程组；若存在上游边界污染物通量与上、下游边界之间污染物降解量之差大于下游边界污染物通量的方程组，则剔除，反之保留；
S7：确定污染源入河系数的限制条件，并求出各污染源的入河系数；以及
S8：将求出的所述入河系数带入质量守恒方程，重新核算污染源入河量，并与下游边界通量进行比较，若计算值与下游边界通量实测值相对误差在30％以内，表明所求污染源的入河系数较为合理，反之重新求解污染源的入河系数。
2.根据权利要求1所述的基于一维水质模型计算流域污染源入河系数的方法，其特征在于：所述水文资料包括上、下游边界流量、流速、上、下游河流边界距离。
3.根据权利要求1所述的基于一维水质模型计算流域污染源入河系数的方法，其特征在于：所述水质资料包括计算区域内河流水质现状数据。
4.根据权利要求1所述的基于一维水质模型计算流域污染源入河系数的方法，其特征在于：所述区域范围内污染源包括直排污染源、间排污染源和面源污染。
5.根据权利要求4所述的基于一维水质模型计算流域污染源入河系数的方法，其特征在于：所述直排污染源包括工业直排污染、生活直排污染及畜禽直排污染，所述间排污染源包括工业间排污染、生活间排污染及畜禽间排污染，所述面源污染包括城市径流污染及农业面源污染。
6.根据权利要求1所述的基于一维水质模型计算流域污染源入河系数的方法，其特征在于：利用excel软件中的规划求解功能求污染源的入河系数。
7.根据权利要求1所述的基于一维水质模型计算流域污染源入河系数的方法，其特征在于：所述一维水质模型表达式如下：
Cx＝Co exp(-KL/u)
其中：Cx为计算区域下游浓度；
C0为计算区域上游浓度；
K为降解系数；
L为上、下游河流之间距离；
u为上、下游河流平均流速。
8.根据权利要求1所述的基于一维水质模型计算流域污染源入河系数的方法，其特征在于：所述水陆污染物质量守恒方程表达式为：
W0＝λ1W1+λ2W2+λ3W3+W4-W5
其中：W0为下游边界污染物通量；
W1为直排污染源排放量；
W2为间排污染源排放量；
W3为面源污染排放量；
W4为上游边界污染物通量；
W5为上、下游边界之间污染物降解量；
λ1直排污染源入河系数；
λ2间排污染源入河系数；
λ3面源污染入河系数。
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