CN111460688B - 基于控制单元面向全过程的流域综合治理技术优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于控制单元面向全过程的流域综合治理技术优选方法。从流域综合治理控制单元入手，分五个步骤进行，具体包括：1、合理划分流域综合治理的控制单元；2、进行流域污染物与水质响应的量化计算；3、建立流域综合治理全过程的适用技术清单；4、明确流域综合治理技术的效率参数与成本函数；5、面向目标实现流域综合治理措施的优选。本发明可为流域综合治理的项目建议、规划、科研、设计与管理决策提供技术支撑，也可为流域水资源规划、流域水资源保护规划、流域水安全保障方案、流域水生态修复与保护等规划与方案的制定提供科学指导。

Description

基于控制单元面向全过程的流域综合治理技术优化方法

技术领域

本发明涉及水利与环境科学技术领域，具体为一种面向流域水循环及其伴随污染物全过程的流域综合治理的优化方法，可为流域综合治理的项目建议、规划、科研、设计与管理决策提供技术支撑，也可为流域水资源规划、流域水资源保护规划、流域水安全保障方案、流域水生态修复与保护等规划与方案的制定提供科学指导。

背景技术

流域综合治理是复杂系统工程，通常涉及诸多技术，比较有代表性的有节水控源、管网截污、污染削减、生态修复、生态补水以及河道疏浚等领域的技术、设备与工艺。这些技术为流域综合治理规划提供了多种选择方案，在资金有限的条件下，如何因地制宜地进行措施的选择，是当前流域综合治理决策者面临的重要现实问题。当前，在流域综合治理措施的选择方面，主要是根据流域水问题的特点，通过规划与设计部门的实践经验确定方案，具有一定的盲目性，缺乏科学的论证以及优化分析，这种技术选择的决策方式将带来如下问题：一是系统科学性有待提升。流域综合治理措施组合，并不能满足流域水问题改善要求，特别是不能从根本上解决最不利区域、最不利点的水问题，导致管理决策者不得不安排二期(甚至三期、四期)流域综合治理的重新规划与设计，从而推翻原有的方案，导致大量投入资金不能发挥应用的作用；二是先进适用性需要提升。流域综合治理技术选择受到传统认知的限制，忽视了具有见效快、成本低、性能稳定的新产品、技术与设备选择，也进一步导致流域综合治理的效果不明显，治理的成果无法得到巩固和持续提升。

因此，如何进行流域综合治理技术优化，已成为管理决策者在实践中必须解决的关键，是影响资金投入效益的重要内容。

发明内容

为克服现有的技术选择问题，本发明提出了一种面向控制单元的流域综合治理技术优化方法，从而为流域综合治理的措施优化提供技术支撑。该发明目的是通过以下技术方案实现的，主要步骤如下：

一种基于控制单元面向全过程的流域综合治理技术优化方法，包括以下具体步骤：

步骤一，划分流域综合治理的控制单元；

步骤二，进行流域污染物与水质响应的量化计算：

根据流域水问题的严重程度，在污染负荷计算与水质分析的基础上，按照污染物重要性指标，对流域综合治理控制单元进行分类，采用如下计算方法：

ST_j，t＝max_{m＝1，2，3...M}(SA_j，m，t) (1)

其中，ST_j,t为第j个计算单元第t时间总的污染物重要性指标；SA_j,m,t为第j个计算单元第t时间第m种污染物的重要性指标；EL_m,j,t为第j个计算单元第t时间第m种污染物的入河量，t/a；∑_j∈iEL_m,j,t为第i个河段所有相关的第j个计算单元的第t时间第m种污染物的入河总量，t/a；M为污染物种类数，个；

步骤三，建立流域综合治理全过程适用技术清单：

将流域综合治理所选择技术措施逐一列出，进行分类列表，技术措施分为三个类，一是源头减排技术，二是过程阻断技术，三是末端治理技术；每个大类又对应多个小类；源头减排技术分为：点源减排和面源减排两大类；过程阻断技术分为：分流、调蓄、处理、回用四部分；末端治理技术包括：湿地、水系、内源、补水四方面；

步骤四，确定流域综合治理技术的效率参数与成本函数：

效率参数是指各种污染物的削减能力；成本函数是指随着治理规模的增加，单位削减量所需要的成本变化；

步骤五，面向目标实现流域综合治理措施的优化：

1)目标函数为规划期经济成本净现值最小：Min FC

其中，FC为流域综合治理在规划期总成本净现值，元；R为折现率；CJ_j,k,t为第j个计算单元第k种措施第t年的建设成本，元；CY_j,k,t为第j个计算单元第k种措施第t年的运行成本，元；T为未来规划期，年；J为计算单元总个数，个；D_j,k,t为第j个计算单元第t时间采取的第k项措施，该决策变量为0-1变量，采用该措施为1，不采用则为0，其中，k＝1,2,3,……K,K为源头减排、过程阻断、末端治理全过程治理措施的数量，个；

2)约束条件为四个平衡关系：

①计算单元污染物平衡：针对每个计算单元，建立污染物的物质平衡关系如下：

其中，EL_m,j,t为第j个计算单元第t时间第m种污染物的入河量，t/a；其中，PL_m,j,t为第j个计算单元第t时间第m种污染物的排放量，t/a；RJ_j,k,m为第j个计算单元第k种措施第m种污染物的削减率；

②计算单元水量平衡：针对每个计算单元，建立水量的物质平衡关系如下：

其中，EQ_j,t为第j个计算单元第t时间入河水量，m³/s；PQ_j,t为第j个计算单元第t时间排放水量，m³/s；RQ_j,k为第j个计算单元第k种措施的水量削减率；

③河道污染物平衡：建立河段水质目标与计算单元污染物排放与水量之间的关系，具体计算公式如下：

其中，j∈i表示第j个计算单元属于第i个河段；K_m,j为第j个计算单元第m种污染物的降解系数，1/s；x_i为第i河段的长度，m；u_i,t为第i个河段第t个时间的流速，m/s，Q_i,t为第i个河段第t个时间初始断面的入流流量，m³/s；CS_m,i,t为的i个河段第m种污染物第t个时间的水质目标浓度值，mg/L；CI_m,j,t为第j个计算单元第t个时间第m种污染物的浓度，mg/L；

④河道水量平衡：体现河道生态流量的刚性约束，具体计算公式如下：

∑_j∈iEQ_j，t+Q_i，t-SP_i，t≥EP_i，t (8)

其中，SP_i，t为第i个河道第t时间的取水量，m³/s；EP_i，t为第i个河道第t时间的的生态流量指标，m³/s；K_j,t为第j个用户第t时间的排水系数；

根据以上目标函数和约束条件，采用遗传算法、非线性规划方法进行求解，得到不同时期最优的决策变量。

进一步的，步骤二中以对流域综合治理控制单元进行分类，分为一般控制单元、中等控制单元以及优先控制单元；优先控制单元污染负荷入河量大、对控制断面的水质敏感性比较大；中等控制单元则污染负荷强度中等，对控制断面的水质敏感性适中；一般控制单元则污染负荷强度较小，对控制断面的水质敏感性较小。

进一步的，步骤四中，污水处理厂技术措施(k＝8，如表1所示)成本函数包含以下函数，公式如下：

CJ_j,8,t＝aNQ_j,t ^b-cNQ_j,t ^bln(1-RJ_j,8,m) (3)

其中，CJ_j,8,t为第j个计算单元第t时间污水处理技术的建设成本函数；a、b和c为根据流域污水处理工艺与技术等实际情况需要确定的参数，可根据历史数据采用统计回归分析确定；NQ_j,t为第j个计算单元第t时间的污水处理规模，m³/s；RJ_j,8,m为第j个计算单元污水处理技术对污染物m的去除效率。

本发明的有益效果：

本发明从流域综合治理控制单元入手，分五个步骤创新提出了一种面向全过程的流域综合治理技术优化方法。该技术方法面向流域综合治理的实践，具有很强的操作性，具有一定的推广应用价值。利用方法，根据不同流域的特征与基础资料特点，可以更加系统性地给出流域综合治理的优化组合方案，从而使得传统以经验为主的决策，发展的面向流域水循环及其伴随污染物全过程的量化决策过程，系统性和科学性有所提升。该发明方法的应用可为流域综合治理的规划、设计、专项评价(如环境影响评价等)、方案编制、项目施工以及流域综合管理决策提供技术支撑，也可为流域水资源规划、流域水资源保护规划、流域水安全保障方案、流域水生态修复与保护等规划与方案的制定提供科学指导。

附图说明

图1为基于控制单元面向全过程的流域综合治理技术优化方法流程图；

图2为流域综合治理控制单元及分类(深圳龙岗河、坪山河流域案例)；

图3为流域综合治理不同措施的对主要污染物的削减率。

具体实施方式

一种基于控制单元面向全过程的流域综合治理技术优化方法，具体包括以下步骤：

步骤一，合理划分流域综合治理的控制单元

通常根据流域综合治理的实践需要，合理划分流域综合治理的控制单元。控制单元的划分既要考虑行政区管理的要求，也需体现流域水资源分区管理的要求，计算单元通常为水资源一级区、二级区、三级区或二级区套地市、三级区套地市等。对于流域面积较小城市范围内的流域，也可以借助城市高清地形图(DEM)通过汇水范围的识别进行控制单元划分。应根据流域综合治理水问题的特征与管理需要，流域划分的合理单元数量控制在10-50个左右。流域综合综合治理的控制单元过少，流域综合治理的措施空间针对性不强；控制单元划分过多，增加了计算、分析和实施的复杂程度，也不利于提高流域综合治理的运行管理效率。在流域综合治理有特别要求情况下，结合流域监测条件，可以适当加密流域划分的单元数量，从而为流域综合治理提供精细服务。例如，本技术发明的实施案例深圳的龙岗河、坪山河流域控制单元划分主要是根据高清毒地形图进行子流域划分并结合行政区管理要求，具体划分结果如图1所示，共计划分28个单元。

步骤二，进行流域污染物与水质响应的量化计算

根据流域水问题的严重程度，在污染负荷计算与水质分析的基础上，可以对流域综合治理控制单元进行进一步的分类，如可分为一般控制单元、中等控制单元以及优先控制单元等，例如深圳的龙岗河、坪山河流域控制单元分类如图2所示。通常，根据数据的可得情况，可借助一维、二维、三维水质模型进行计算，也可利用通用的流域模拟软件进行，如SWAT模型、EFDC模型以及WASP模型等。优先控制单元污染负荷入河量占比大、对控制断面的水质重要性比较大；中等控制单元则污染负荷强度中等，对控制断面的水质重要性适中；一般控制单元则污染负荷强度较小，对控制断面的水质重要性较小。重要性指标反应了某个单元各种污染负荷(m＝1,2,3…M)对控制断面水质的重要性大小，可采用如下计算方法：

ST_j，t＝max_{m＝1，2，3...M}(SA_j，m，t) (1)

其中，ST_j,t为第j个计算单元第t时间总的重要性指标，无量纲；SA_j,m,t为第j个计算单元第t时间第m种污染物的重要性指标，无量纲；EL_m,j,t为第j个计算单元第t时间第m种污染物的入河量，t/a；∑_j∈iEL_m,j,t为第i个河段所有相关的第j个计算单元的第t时间第m种污染物的入河总量，t/a，M为污染物种类数，个；

步骤三，建立流域综合治理全过程的适用技术清单

流域综合治理的技术选择包括控源削减、管网截污、海绵体建设、污水处理、生态修复、生态补水以及河道疏浚等技术。从流域自然水循环及其伴生的污染物的源头-过程-末端全过程出发，构建流域综合治理的适用技术清单，具体包括，一是源头减排技术，是指用水户从用水、排水过程中进行高效用水、循环用水，减少污废水以及污染物的排放；二是过程阻断技术，是指通过调蓄、拦截、处理，将污染物阻断在流域的陆域坡面，不进入河湖水体以及滨河带中；三是末端治理技术，是指河湖水体及滨河带的水量调控、污染控制以及生态修复措施。具体为：1)源头减排技术应综合考虑点源减排和面源减排两大类别；2)过程阻断技术是指因地制宜构建分流-调蓄处理-回用一体化的污染拦截与削减体系，主要包括四部分，一是分流，即通过雨污水管网干支管的建设，实行雨污分流；二是调蓄，因地制宜布设调蓄体系，对具有雨季冲击污染物负荷进行调蓄和削减；三是处理，包括新建、改建、扩建污水处理厂；四是污水处理后回用，即将经过处理的污水进行回用减少污染物入河量。3)末端治理技术应包括四方面的集成，一是人工湿地系统的建设，二是原位生态修复技术，三是底泥的疏浚系统；四是生态补水与水库群调度技术。例如，深圳的龙岗河、坪山河流域所构建的技术清单(K＝14项)如表1所示。

步骤四，明确流域综合治理技术的效率参数与成本函数

根据流域相关数据与调研资料，明确流域污染治理各项措施的效率参数以及成本函数，具体如下：1)效率参数是指各种污染物的削减能力，主要污染物通常根据流域水问题的特征进行选择，给出每种技术应用的削减量(或削减率)，例如，污水处理厂污染物去除率，主要依据《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)进行确定，即当进水COD大于350mg/L时，去除率应大于60％；BOD大于160mg/L时，去除率应大于50％；2)成本函数是指随着治理规模的增加，单位削减量所需要的成本变化。由于再生水或污水收集与处理系统(如再生水管网、再生水处理系统、污水收集管网、污水集中处理厂等)具有自然垄断性，投资具有规模经济效益，单位削减量的成本通常随着污染治理规模的增大而减少。例如，污水处理厂技术措施(k＝8，如表1所示)成本函数主要采用幂函数或幂函数-对数进行表达，通常受到污水处理厂工艺、污水处理厂处理规模以及污水处理厂处理效率的影响，代表性的费用函数如下：

CJ_j,8,t＝aNQ_j,t ^b-cNQ_j,t ^bln(1-RJ_j,8,m) (3)

其中，CJ_j,8,t为第j个计算单元第t时间污水处理技术的建设成本函数；a、b和c为根据流域污水处理工艺与技术等实际情况需要确定的参数，可根据历史数据采用统计回归分析确定；NQ_j,t为第j个计算单元第t时间的污水处理规模，m³/s；RJ_j,8,m为第j个计算单元污水处理技术对污染物m的去除效率，无量纲。

步骤五，面向目标实现流域综合治理措施的优化

从当前我国的实践看，流域综合治理的目标为以最小的资金成本，系统解决流域面临的水问题。考虑到流域综合治理的措施通常投资大，运行时间长，通常建设期1-2年，运行期30-50年，因此需要考虑整个治理期TN，每年所有措施的净现金流并按既定的折现率折算成净现值。决策变量为某个单元采取某项措施，即D_j,_k,t为第j个计算单元第t时间采取的第k项措施。该决策变量为0-1变量，采用该措施为1，不采用则为0。其中，k＝1,2,3,……K,K为源头减排、过程阻断、末端治理全过程治理措施的数量，个。具体计算如下式所示：

1)目标函数为规划期经济成本净现值最小：

MinFC

其中，FC为流域综合治理在规划期总成本净现值，元；R为折现率，无量纲；CJ_j,k,t为第j个计算单元第k种措施第t年的建设成本，元；CY_j,k,t为第j个计算单元第k种措施第t年的运行成本，元；T为未来规划期，年；J为计算单元总个数，个。

2)约束条件为四个平衡关系：

①计算单元污染物平衡：针对每个计算单元，建立污染物的物质平衡关系如下：

其中，EL_m,j,t为第j个计算单元第t时间第m种污染物的入河量，t/a；其中，PL_m,j,t为第j个计算单元第t时间第m种污染物的排放量，t/a；RJ_j,k,m为第j个计算单元第k种措施第m种污染物的削减率，无量纲。

②计算单元水量平衡：针对每个计算单元，建立水量的物质平衡关系如下：

其中，EQ_j,t为第j个计算单元第t时间入河水量，m³/s；PQ_j,t为第j个计算单元第t时间排放水量，m³/s；RQ_j,k为第j个计算单元第k种措施的水量削减率，无量纲；

③河道污染物平衡：建立河段水质目标与计算单元污染物排放与水量之间的关系，具体计算公式如下：

其中，j∈i表示第j个计算单元属于第i个河段；K_m,j为第j个计算单元第m种污染物的降解系数，1/s；x_i为第i河段的长度，m；u_i,t为第i个河段第t个时间的流速，m/s，Q_i,t为第i个河段第t个时间初始断面的入流流量，m³/s；CS_m,i,t为的i个河段第m种污染物第t个时间的水质目标浓度值，mg/L；CI_m,j,t为第j个计算单元第t个时第m种污染物的浓度，mg/L。

④河道水量平衡：体现河道生态流量的刚性约束，具体计算公式如下：

∑_j∈iEQ_j，t+Q_i，t-SP_i，t≥EP_i，t (8)

其中，SP_i，t为第i个河道第t时间的取水量，m³/s；EP_i，t为第i个河道第t时间的的生态流量指标，m³/s；K_j,t为第j个用户第t时间的排水系数,无量纲；

根据以上目标函数和约束条件，采用遗传算法、非线性规划方法进行求解，得到不同时期最优的决策变量。例如，在深圳市龙岗河、坪山河流域，目标函数为前两个，受到水量平衡、主要断面污染物浓度的约束，主要污染指标按照流域水环境管理的要求为COD、氨氮和总磷(即m＝3)。决策变量为22个单元(J＝22)14种措施(K＝14)2个规划期(近期和远期)，共计616个决策变量(D_j,k,t)，采用遗传算法进行求解，设定种群数3000，遗传代数30代。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1给出了本技术发明的主要步骤，具体包括：1、合理划分流域综合治理的控制单元；2、进行流域污染物与水质响应的量化计算；3、建立流域综合治理全过程适用技术清单；4、明确流域综合治理技术的效率参数与成本函数；5、面向目标实现流域综合治理措施的优化。其中，步骤一合理划分单元是基础，步骤二进行污染物与水质响应计算是优先单元确、措施初选、建立技术清单的重要依据，步骤三、步骤四给出了措施的适用技术选择清单以及重要的效率与经济参数，步骤五是根据决策需要进行的优化计算，从而得到最优的措施组合方案，为流域综合治理的规划与实施提供支撑。

图2显示了本发明应用的案例区深圳龙岗流域、坪山河流域的控制单元划分以及分类情况，根据水问题的严重程度，单元划分为一般控制单元、中等控制单元以及优先控制单元。其中，优先控制单元主要集中在污染负荷排放强度大、污染物本底浓度高的上下游地区。一般单元则集中在流域南部和北部边缘距离干流较远处。

表1显示了通过本技术发明五个步骤得到的深圳龙岗流域、坪山河流域近期和远期优化措施。其中，基准年为2015年，近期为2017年(T＝2)，远期为2025年(T＝10)，新增投资分别为11.0亿元和63.3亿元。

表1通过本技术发明得到的近远期优化措施(深圳龙岗河与坪山河案例)

图3以远期为例，显示了流域综合治理不同措施的对主要污染物的削减率，即削减量占总削减量的百分比。可见，源头减排措施尤其是实施面源污染减排(k＝4)的主要污染物去除率最高，可优先进行选择。总体上，末端治理措施的削减率较低，如污水回用(k＝10)和底泥与污泥处理(k＝13)等，在资金有限的条件下，可在远期进行选择。

Claims (3)

1.一种基于控制单元面向全过程的流域综合治理技术优化方法，其特征在于：包括以下具体步骤：

步骤一，划分流域综合治理的控制单元；

步骤二，进行流域污染物与水质响应的量化计算：根据流域水问题的严重程度，在污染负荷计算与水质分析的基础上，按照污染物重要性指标，对流域综合治理控制单元进行分类，采用如下计算方法：

ST_j,t＝max_{m＝1,2,3…M}(SA_j,m,t) (1)

其中，ST_j,t为第j个计算单元第t时间总的污染物重要性指标；SA_j,m,t为第j个计算单元第t时间第m种污染物的重要性指标；EL_m,j,t为第j个计算单元第t时间第m种污染物的入河量，t/a；∑_j∈iEL_m,j,t为第i个河段所有相关的第j个计算单元的第t时间第m种污染物的入河总量，t/a；M为污染物种类数，个；

步骤三，建立流域综合治理全过程适用技术清单：

从流域自然水循环及其伴生的污染物的源头-过程-末端全过程出发，构建流域综合治理适用技术清单，该技术清单应逐一列出所选择技术措施，构建全过程的分类列表，具体技术措施包括，一是源头减排技术，二是过程阻断技术，三是末端治理技术；每个大类又对应多个小类；源头减排技术分为：点源减排和面源减排两大类；过程阻断技术分为：分流、调蓄、处理、回用四部分；末端治理技术包括：湿地、水系、内源、补水四方面；

步骤四，确定流域综合治理技术的效率参数与成本函数：

效率参数是指各种污染物的削减能力；成本函数是指随着治理规模的增加，单位削减量所需要的成本变化；

步骤五，面向目标实现流域综合治理措施的优化：

1)目标函数为规划期经济成本净现值最小：

其中，FC为流域综合治理在规划期总成本净现值，元；R为折现率；CJ_j,k,t为第j个计算单元第k种措施第t年的建设成本，元；CY_j,k,t为第j个计算单元第k种措施第t年的运行成本，元；T为未来规划期，年；J为计算单元总个数，个；D_j,k,t为第j个计算单元第t时间采取的第k项措施，D_j,k,t为0-1变量，采用该措施为1，不采用则为0，其中，k＝1,2,3,……K,K为源头减排、过程阻断、末端治理全过程治理措施的数量，个；

2)约束条件为四个平衡关系：

①计算单元污染物平衡：针对每个计算单元，建立污染物的物质平衡关系如下：

其中，EL_m,j,t为第j个计算单元第t时间第m种污染物的入河量，t/a；其中，PL_m,j,t为第j个计算单元第t时间第m种污染物的排放量，t/a；RJ_j,k,m为第j个计算单元第k种措施第m种污染物的削减率；

②计算单元水量平衡：针对每个计算单元，建立水量的物质平衡关系如下：

其中，EQ_j,t为第j个计算单元第t时间入河水量，m³/s；PQ_j,t为第j个计算单元第t时间排放水量，m³/s；RQ_j,k为第j个计算单元第k种措施的水量削减率；

③河道污染物平衡：建立河段水质目标与计算单元污染物排放与水量之间的关系，具体计算公式如下：

其中，j∈i表示第j个计算单元属于第i个河段；K_m,j为第j个计算单元第m种污染物的降解系数，1/s；x_i为第i河段的长度，m；u_i,t为第i个河段第t个时间的流速，m/s，Q_i,t为第i个河段第t个时间初始断面的入流流量，m³/s；CS_m,i,t为的i个河段第m种污染物第t个时间的水质目标浓度值，mg/L；CI_m,j,t为第j个计算单元第t个时间第m种污染物的浓度，mg/L；

④河道水量平衡：体现河道生态流量的刚性约束，具体计算公式如下：

∑_j∈iEQ_j,t+Q_i,t-SP_i,t≥EP_i,t (8)

其中，SP_i，t为第i个河道第t时间的取水量，m³/s；EP_i，t为第i个河道第t时间的的生态流量指标，m³/s；K_j,t为第j个用户第t时间的排水系数；

根据以上目标函数和约束条件，采用遗传算法、非线性规划方法进行求解，得到不同时期最优的决策变量。

2.根据权利要求1所述的基于控制单元面向全过程的流域综合治理技术优化方法，其特征在于：步骤二中以对流域综合治理控制单元进行分类，分为一般控制单元、中等控制单元以及优先控制单元；优先控制单元污染负荷入河量大、对控制断面的水质敏感性比较大；中等控制单元则污染负荷强度中等，对控制断面的水质敏感性适中；一般控制单元则污染负荷强度较小，对控制断面的水质敏感性较小。

3.根据权利要求1所述基于控制单元面向全过程的流域综合治理技术优化方法，其特征在于：步骤四中，污水处理厂技术措施成本函数包含以下函数，公式如下：

其中，CJ_j,8,t为第j个计算单元第t时间污水处理技术的建设成本函数；a、b和c为根据流域污水处理工艺与技术实际情况需要确定的参数，根据历史数据采用统计回归分析确定；NQ_j,t为第j个计算单元第t时间的污水处理规模，m³/s；RJ_j,8,m为第j个计算单元污水处理技术对污染物m的去除效率。

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