CN111539158B - 一种水体的最大污染负荷分配方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水体的最大污染负荷分配方法和系统，针对水环境容量计算和总量分配的定量化问题，通过MIKE11模型建立准确的污染排放与水质响应关系，并且根据分区达标法的定义推导出贡献度系数的计算公式；同时针对现有总量分配方法的理论性较强，与实际工程运营结合性有限的问题，通过优化总量分配模型，改进分区达标法的约束条件，以最大允许排放量为目标函数，以控制断面达标和污染源实际排放情况为约束条件，采用MATLAB求得最大水环境容量以及最优分配方案。本发明提出的水环境容量和分配方案是在考核断面达标的前提下，结合了实际污染源排放情况，具有易操作性和强实用性，对流域运营具有指导意义。

Description

一种水体的最大污染负荷分配方法及系统

技术领域

本发明涉及污染物排放总量控制技术领域，具体涉及一种水体的最大污染负荷分配方法及系统。

背景技术

随着社会经济发展，我国水污染问题日趋严重。为了改善水体污染现状，实施科学有效的水污染物总量控制就很有必要。

污染物总量控制的核心和难点是如何科学合理的计算水环境容量和总量分配，总量分配是指将水环境容量按照一定的原则分配到各污染源排污单位的过程，是总量控制的关键技术环节，通过总量分配可以明确研究区域内的各污染源可以排放多少污染物及其对应的削减任务。总量分配的常用方法包括等比例分配法、层次分析法、基尼系数法、优化分配模型法等。其中等比例分配法简单易操作，应用广泛，但缺乏一定的公平性；层次分析法和基尼系数法考虑因素较为全面(包括经济、社会及环境资源等)，但指标的选择和权重的赋值仍然具有一定量的主观性，使得分配具有不确定性；优化分配模型法采用线性规划的方法来计算水环境容量并进行总量分配，该方法根据不同的约束条件，由程序或者系统自动调试，具有较高的精确性，目前由于可行性低等原因其在国内应用不是很广泛，为此国内学者提出了多种改进方法来提高分配模型的应用性，但这些方法多停留于理论探讨，缺乏实际运营经验，可操作性和实用性不强。

目前尚未有MIKE11同优化分配模型结合计算水环境容量和总量分配的先例。有学者建立了新的确定河流水环境容量一种MIKE11技术支持下的河流水环境容量的计算方法(CN107657912A)，该方法使得水环境容量计算更为精确但是未涉及总量分配方面内容；还有学者发明了一种基于控制断面水质达标的污染物总量优化分配方法(CN109389241A)，该方法考虑了点面源协同影响的总量分配方案，提高了分配的可行性，但未涉及污染排放与水质响应关系的建立。

随着我国进入总量控制阶段，精确化的水环境容量计算以及总量分配已经迫在眉睫，流域的治理需要一种结合实际、定量化的水环境容量计算方法和易于操作的总量分配方法，为流域水污染综合治理和运营提供借鉴和帮助。

发明内容

本发明提出的一种水体的最大污染负荷分配方法及系统，可解决现有的方法存在不确定性误差较大的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种水体的最大污染负荷分配方法，步骤如下：

步骤一：收集原始数据，包括河流或者河涌水文、地形以及污染源数据，其中污染源数据包括污染源位置、数量以及排放污染负荷等，确定好水质考核断面；

步骤二：利用步骤一收集的数据，采用MIKE11的水动力(HD)和水质(AD)模块建立起水量水质模型；

步骤三：利用步骤一收集的污染源数据和步骤二建立的水量水质模型，确定污染源全部排放时考核断面达标情况，考核断面达标则按照现状排放，不达标则需要计算水环境容量和总量分配；

步骤四：确定研究范围内目标考核断面背景浓度；

步骤五：根据建立的水量水质模型，每次控制一个污染源排放其他污染源不排放，建立起污染排放与水质响应关系；

步骤六：计算贡献度系数a_ij，根据分区达标法的定义，单位负荷的贡献度系数可以表示为：

式中：i表示考核断面的个数；j为污染源的个数；C_j表示第j个污染源排放浓度；Q_j为第j个污染源排放流量；ΔC_j为浓度差，意义为加入第j个污染源后目标考核断面浓度与目标考核断面背景浓度的差值。

步骤七：采用分区达标法进行总量分配，建立优化分配模型，提出河流或者河涌总量分配方案，优化分配模型具体包括：

目标函数：

约束条件：

x_jmin≤x_j≤x_jmax((j＝1，…，n) (3)

式中：L为对象水域所有污染源的总排放负荷量；x_j为第j个污染源的排放负荷量，j为其编号，共有n个污染源；a_ij为第j个污染源的单位负荷量对第i个水质考核断面的污染贡献度系数，i为水质考核断面的编号，共有m个水质考核断面；C_bi为第i个水质考核断面的污染背景浓度；C_i为第i个水质考核断面的水质目标值；x_jmin为第j个污染源污染负荷排放下限值；x_jmax为第j个污染源污染负荷排放上限值。

作为优选方案，所述的一种水体的最大污染负荷分配方案，其特征在于约束条件(公式(3))是依据污染源现状排放特征，并结合了实际运营状况设定上下限。

进一步的，所述步骤六中优化分配模型选用MATLAB基于单纯形法求解目标最优值，运用MATLAB优化工具箱中的线性规划函数linprog求解。其中，MATLAB求解线性规划的标准型为：

min c^Tx

s.t.Ax≤b

基本调用函数为：

[x，fval]＝linprog(c，A，b，Aeq，beq，LB，UB，x₀，options)

其中，fval是返回的目标函数的值；Aeq，beq是对应的等式约束条件Ax＝b；LB和UB分别是x的下界和上界；x₀是x的初始值；options是控制参数。

另一方面本发明还公开一种水体的最大污染负荷分配系统，包括以下单元：

数据收集单元，用于收集水体原始数据，所述水体原始数据包括河流或者河涌水文、地形以及污染源数据，其中污染源数据包括污染源位置、数量以及排放污染负荷，确定好水质考核断面；

水量水质模型建立单元，用于基于收集的数据，采用MIKE11的水动力和水质模块建立起水量水质模型；

断面达标考核单元，用于利用收集的污染源数据和建立的水量水质模型，确定污染源全部排放时考核断面达标情况，考核断面达标则按照现状排放，不达标则计算水环境容量和总量分配；

水体背景浓度确定单元，用于确定研究范围内目标考核断面背景浓度；

污染排放与水质响应关系建立单元，用于根据建立的水量水质模型，每次控制一个污染源排放其他污染源不排放，建立起污染排放与水质响应关系；

贡献度系数计算单元，用于计算贡献度系数a_ij，根据分区达标法的定义，单位负荷的贡献度系数表示为：

式中：i表示考核断面的个数；j为污染源的个数；C_j表示第j个污染源排放浓度；Q_j为第j个污染源排放流量；ΔC_j为浓度差，意义为加入第j个污染源后目标考核断面浓度与目标考核断面背景浓度的差值；

分配方案确定单元，用于采用分区达标法进行总量分配，建立优化分配模型，提出河流或者河涌总量分配方案。

由上可知，本发明的一种水体的最大污染负荷分配方法和系统，针对水环境容量计算和总量分配的定量化问题，通过MIKE11模型建立准确的污染排放与水质响应关系，并且根据分区达标法的定义推导出贡献度系数的计算公式；同时针对现有总量分配方法的理论性较强，与实际工程运营结合性有限的问题，通过优化总量分配模型，改进分区达标法的约束条件，以最大允许排放量为目标函数，以控制断面达标和污染源实际排放情况为约束条件，采用MATLAB求得最大水环境容量以及最优分配方案。本发明提出的水环境容量和分配方案是在考核断面达标的前提下，结合了实际污染源排放情况，具有易操作性和强实用性，对流域运营具有指导意义。

具体的说，本发明的有益效果在于：

1、本发明提供的一种水体的最大污染负荷分配方案，采用MIKE11模型的HD和AD模块建立了准确的污染排放与水质响应关系，并且根据分区达标法的定义推导出贡献度系数的计算公式，更准确的定量化了贡献度系数的计算过程，提高了优化分配模型的精确性。

2、本发明提供的一种水体的最大污染负荷分配方案，改进了分区达标法的约束条件，以最大允许排放量为目标函数，以控制断面达标和污染源实际排放情况为约束条件，采用MATLAB求得最大水环境容量以及最优分配方案。优化的分配模型结合了实际污染源排放情况，具有易操作性和强实用性，对工程运营具有指导意义。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2本发明的方法原理图；

图3新安涌各排口分布情况；

图4新安涌排口现状排放时氨氮浓度分布。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1和图2所示，本实施例所述的水体的最大污染负荷分配方法，包括：

S100、收集水体原始数据；

S200、基于S100收集的数据，采用MIKE11的水动力和水质模块建立起水量水质模型；

S300、利用S100收集的污染源数据和S200建立的水量水质模型，确定污染源全部排放时考核断面达标情况，考核断面达标则按照现状排放，不达标则计算水环境容量和总量分配；

其中S300可以解释为：

利用S100收集的污染源数据和S200建立的水量水质模型，在模型中输入每个污染源的污染负荷(流量和浓度)，得出考核断面污染物浓度，通过与目标水质浓度对比确定污染源全部排放时考核断面达标情况，考核断面达标则按照现状排放，不达标则计算水环境容量和总量分配；

S400、确定研究范围内河流或者河涌背景浓度；

具体的说：

确定研究范围内目标考核断面背景浓度，背景浓度可通过实测资料获取或者通过模型计算得到，在模型上游给定初始背景值(流量和浓度)，模拟得出下游考核断面污染物浓度值，即为目标考核断面背景浓度；

S500、根据建立的水量水质模型，每次控制一个污染源排放其他污染源不排放，建立起污染排放与水质响应关系；

具体可解释为：

根据建立的水量水质模型，模型中每次仅输入一个污染源的污染负荷(流量和浓度)，模拟计算出考核断面的污染物浓度，再重复输入下一个污染源，即每次控制一个污染源排放其他污染源不排放，建立起污染排放与水质响应关系。

S600、计算贡献度系数a_ij，根据分区达标法的定义，单位负荷的贡献度系数表示为：

式中：i表示考核断面的个数；j为污染源的个数；C_j表示第j个污染源排放浓度；Q_j为第j个污染源排放流量；ΔC_j为浓度差，意义为加入第j个污染源后目标考核断面浓度与目标考核断面背景浓度的差值；

S700、采用分区达标法进行总量分配，建立优化分配模型，提出河流或者河涌总量分配方案。

其中，所述水体原始数据包括河流或者河涌水文、地形以及污染源数据，其中污染源数据包括污染源位置、数量以及排放污染负荷，确定好水质考核断面。

所述S700中优化分配模型具体包括：

目标函数：

约束条件：

x_jmin≤x_j≤x_jmax(j＝1，…，n) (3)

式中：L为对象水域所有污染源的总排放负荷量；x_j为第j个污染源的排放负荷分配量，j为其编号，共有n个污染源；a_ij为第j个污染源的单位负荷量对第i个水质考核断面的污染贡献度系数，i为水质考核断面的编号，共有m个水质考核断面；C_bi为第i个水质考核断面的污染背景浓度；C_i为第i个水质考核断面的水质目标值；x_jmin为第j个污染源污染负荷排放下限值；x_jmax为第j个污染源污染负荷排放上限值。

其中公式(3))是依据污染源现状排放特征，并结合了实际运营状况设定上下限。

具体的，所述S700中优化分配模型选用MATLAB基于单纯形法求解目标最优值，运用MATLAB优化工具箱中的线性规划函数linprog求解，

其中，MATLAB求解线性规划的标准型为：

min c^Tx

s.t.Ax≤b

基本调用函数为：

[x，fval]＝linprog(c，A，b，Aeq，beq，LB，UB，x₀，options)

其中，fval是返回的目标函数的值；Aeq，beq是对应的等式约束条件Ax＝b；LB和UB分别是x的下界和上界；x₀是x的初始值；options是控制参数。

以下具体举例说明：

实施例：以单条内陆河涌—新安涌为例，计算新安涌水环境容量及排口总量分配情况。

一、新安涌概况

新安涌位于中山市内槎桥旧石场至岐关西槎桥路口，长度为1.1km。流域面积内土地利用类型主要为住宅用地。河涌两岸均为垂直砌块护坡，沿河两岸主要分布为住宅小区和政务办公区。根据对新安涌的污染源调查以及实际监测资料，新安涌常年有水排口为12个(详见表1和图2)，河涌水质目标为V类水，新安涌水质最主要的影响因子为氨氮，因此以氨氮为例对新安涌进行水环境容量计算和总量分配。

表1新安涌排口基本情况

	流量(m3/s)	氨氮(mg/L)	污染负荷(t/d)
				排口1+2	0.00026	0.195	4.3992E-06
排口14	0.00035	0.66	1.99584E-05
				排口15	0.000095	45.05	0.000369861
排口16(右岸)	0.00139	23.3	0.002796
				排口24(右岸)	0.00015	0.165	2.1384E-06
排口26(右岸)	0.00023	0.89	1.76843E-05
				排口28	0.0027	19.25	0.00449064
排口30	0.00104	31.5	0.00283059
				排口34	0.000306	12.21	0.000322344
排口35(右岸)	0.000394	22.25	0.00075828
				排口37	0.000394	80.25	0.00273492
排口38	0.000178	25.4	0.000390144

二、MIKE11模型建立

MIKE11模型建模基本步骤包括：模型区域描述、模型的参数选取和模型验证等。

(1)本次案例实施为单条内陆河涌，河网概化即描述新安涌，河道断面文件采用实测断面数据，本次实测数据为每25m一个断面，概化断面共计46个，多为不规则的矩形断面。考核断面选定为新安涌最下游(K＝1+125)断面。

(2)边界条件

水动力模型：新安涌上游给定流量为1.94m³/s，新安涌下游与白石涌相连，以河道下游常水位作为河道水动力的下游边界值，新安涌下游常水位取1.5m；

水质模型：各排放口以点源的形式加入模型中，氨氮初始浓度设定为1.95mg/L，排放口采用流量边界。在实际模拟中，排口1和排口2(图2)距离短，分布集中，可将其进行合并，概化为模型的内部点源进行输入。

(3)模型参数选取：河涌糙率按照地区历史研究成果确定，取值为0.03；水质模块对流扩散系数D取值为10m²/s；氨氮的降解系数取0.12(l/d)。

(4)模型验证：采用新安涌实际监测结果进行模型验证(K＝1+125断面)，对比显示水位计算值和水质(氨氮)结果与实际监测值相近，平均误差在0.02m。

(5)新安涌水质现状：根据初始值设定，将新安涌内所有排口按照现状排放时，河涌氨氮浓度分布如图3所示，从图中看出新安涌下游部分断面超过水环境功能区划V类水标准，其中下游考核断面氨氮浓度为2.024mg/L，因此有必要对新安涌计算水环境容量并实行科学合理的总量分配。

三、贡献度系数计算

以排口14为例，MIKE11模型中输入排口14实际排放浓度和流量，模拟出控制断面处水质浓度为C_j，按照步骤六中的计算公式计算排口14贡献度系数，贡献度系数的单位为d·L^-1或者a·L^-1，从单位上看，贡献度系数主要跟流量有关。

换排口重复计算，贡献度系数计算结果如下：

表2各排口贡献度系数表

排口	贡献度系数
		排口1+2	-51.920
排口14	-11.277
		排口15	5.529
排口16	5.292
		排口24	-62.437
排口26	-6.869
		排口28	5.189
排口30	5.421
		排口34	4.860
排口35	5.277
		排口37	5.643
排口38	5.341

从表中看到，排口1+2、14、24、26贡献度系数为负值，其意义为这几个排口对新安涌水质浓度有稀释作用，排口排放越大，河涌水质会越好。现实中上述几个排口排放浓度低于上游来水的浓度，因此确实会稀释整个河涌水质，对河涌水质变好有一定促进作用。除上述排口外其他排口对河涌水质有加重作用，贡献度系数越大，对考核断面污染贡献越大。

四、优化分配模型建立

按照步骤七建立新安涌优化分配模型，新安涌排口的分配受限于每个排口实际排放情况，因此在模型中加入了排口污染负荷的上下限值，对于新安涌，下限x_jmin设定为0，上限x_jmax为每个排口实际监测排放的负荷值。

五、污染物总量分配结果

采用MATLAB中的线性规划函数linprog进行优化，优化结果如下表：

表3各排口分配量及水环境容量

上表中已经按照贡献度系数从小到大排序，从表中可以看到，贡献度系数为负值的按照实际排放负荷分配，即贡献度系数为负值的排口对河涌水质变好有促进作用，这些排口排放可维持现状；贡献度系数为正值的则会加重河涌氨氮含量，此时分配量与贡献度系数呈负相关，水环境容量分配会根据贡献度系数从小到大开始分配，即优先分配给贡献度系数小的排口(排口34)，再依次往下分配；表中排口30分配到0.0015t/d的环境容量，小于其实际排放负荷，说明至排口30水环境容量分配已经分配完全；排口15和排口37几乎没有分配水环境容量，则表明需要将排口15和排口37的污染物质全部消减才能保证考核断面达标。

根据表3，下游考核断面达到V类水质标准条件下的最大水环境容量为0.0103t/d。

在上述优化分配指导下，既可以保障新安涌水质达标，又能合理的计算出各排口消减量，为实际工程运营提供指导和借鉴。

综上所述，本发明提出的方法是可行且合理的。

另一方面本发明实施例还公开一种水体的最大污染负荷分配系统包括以下单元：

数据收集单元，用于收集水体原始数据，所述水体原始数据包括河流或者河涌水文、地形以及污染源数据，其中污染源数据包括污染源位置、数量以及排放污染负荷，确定好水质考核断面；

水量水质模型建立单元，用于基于收集的数据，采用MIKE11的水动力和水质模块建立起水量水质模型；

断面达标考核单元，用于利用收集的污染源数据和建立的水量水质模型，确定污染源全部排放时考核断面达标情况，考核断面达标则按照现状排放，不达标则计算水环境容量和总量分配；

水体背景浓度确定单元，用于确定研究范围内河流或者河涌背景浓度；

污染排放与水质响应关系建立单元，用于根据建立的水量水质模型，每次控制一个污染源排放其他污染源不排放，建立起污染排放与水质响应关系；

贡献度系数计算单元，用于计算贡献度系数a_ij，根据分区达标法的定义，单位负荷的贡献度系数表示为：

式中：i表示考核断面的个数；j为污染源的个数；C_j表示第j个污染源排放浓度；Q_j为第j个污染源排放流量；ΔC_j为浓度差，意义为加入第j个污染源后目标考核断面浓度与目标考核断面背景浓度的差值；

分配方案确定单元，用于采用分区达标法进行总量分配，建立优化分配模型，提出河流或者河涌总量分配方案。

可理解的是，本发明实施例提供的系统与本发明实施例提供的方法相对应，相关内容的解释、举例和有益效果可以参考上述方法中的相应部分。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种水体的最大污染负荷分配方法，其特征在于：

包括以下步骤：

S100、收集水体原始数据；

S200、基于S100收集的数据，采用MIKE11的水动力和水质模块建立起水量水质模型；

S300、利用S100收集的污染源数据和S200建立的水量水质模型，确定污染源全部排放时考核断面达标情况，考核断面达标则按照现状排放，不达标则计算水环境容量和总量分配；

S400、确定研究范围内目标考核断面背景浓度；

S500、根据建立的水量水质模型，每次控制一个污染源排放其他污染源不排放，建立起污染排放与水质响应关系；

S600、计算贡献度系数a_ij，根据分区达标法的定义，单位负荷的贡献度系数表示为：

式中：i表示考核断面的个数；j为污染源的个数；C_j表示第j个污染源排放浓度；Q_j为第j个污染源排放流量；ΔC_j为浓度差，意义为加入第j个污染源后目标考核断面浓度与目标考核断面背景浓度的差值；

S700、采用分区达标法进行总量分配，建立优化分配模型，提出河流或者河涌总量分配方案。

2.根据权利要求1所述的水体的最大污染负荷分配方法，其特征在于：所述水体原始数据包括河流或者河涌水文、地形以及污染源数据，其中污染源数据包括污染源位置、数量以及排放污染负荷，确定好水质考核断面。

3.根据权利要求1所述的水体的最大污染负荷分配方法，其特征在于：所述S700中优化分配模型具体包括：

目标函数：

约束条件：

x_jmin≤x_j≤x_jmax(j＝1，...，n) (3)

式中：L为对象水域所有污染源的总排放负荷量；x_j为第j个污染源的排放负荷分配量，j为其编号，共有n个污染源；a_ij为第j个污染源的单位负荷量对第i个水质考核断面的污染贡献度系数，i为水质考核断面的编号，共有m个水质考核断面；C_bi为第i个水质考核断面的污染背景浓度；C_i为第i个水质考核断面的水质目标值；x_jmin为第j个污染源污染负荷排放下限值；x_jmax为第j个污染源污染负荷排放上限值。

4.根据权利要求1所述的水体的最大污染负荷分配方法，其特征在于：

所述S700中优化分配模型选用MATLAB基于单纯形法求解目标最优值，运用MATLAB优化工具箱中的线性规划函数linprog求解，

其中，MATLAB求解线性规划的标准型为：

minc^Tx

s.t.Ax≤b

基本调用函数为：

[x，fval]＝linprog(c，A，b，Aeq，beq，LB，UB，x₀，options)其中，fval是返回的目标函数的值；Aeq，beq是对应的等式约束条件Ax＝b；LB和UB分别是x的下界和上界；x₀是x的初始值；options是控制参数。

5.一种水体的最大污染负荷分配系统，其特征在于：

包括以下单元：

数据收集单元，用于收集水体原始数据，所述水体原始数据包括河流或者河涌水文、地形以及污染源数据，其中污染源数据包括污染源位置、数量以及排放污染负荷，确定好水质考核断面；

水量水质模型建立单元，用于基于收集的数据，采用MIKE11的水动力和水质模块建立起水量水质模型；

断面达标考核单元，用于利用收集的污染源数据和建立的水量水质模型，确定污染源全部排放时考核断面达标情况，考核断面达标则按照现状排放，不达标则计算水环境容量和总量分配；

水体背景浓度确定单元，用于确定研究范围内目标考核断面背景浓度；

污染排放与水质响应关系建立单元，用于根据建立的水量水质模型，每次控制一个污染源排放其他污染源不排放，建立起污染排放与水质响应关系；

贡献度系数计算单元，用于计算贡献度系数a_ij，根据分区达标法的定义，单位负荷的贡献度系数表示为：

式中：i表示考核断面的个数；j为污染源的个数；C_j表示第j个污染源排放浓度；Q_j为第j个污染源排放流量；ΔC_j为浓度差，意义为加入第j个污染源后目标考核断面浓度与目标考核断面背景浓度的差值；

分配方案确定单元，用于采用分区达标法进行总量分配，建立优化分配模型，提出河流或者河涌总量分配方案。

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