CN111651855B - 基于物理模型的河网区水质断面污染贡献率核算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于物理模型的河网区水质断面污染贡献率核算方法，包括：选择典型的河网区按照等比缩放的方案，采用混凝土、泥沙搭建河网概化物理模型；根据现有资料构建污染源清单，并按照污染源清单在所述模型中布设排污口，设定监测断面及监测仪器；基于排除法设定排放条件，开展物理试验分别测定不同污染源排放条件下河道水质断面的污染物浓度和流量，进而计算污染源贡献率，并对贡献率排序确定主要排污口。本发明的有益效果：结合物理试验对水污染贡献数值模型理论进行修正，提出适用于更大范围的区域污染源贡献率计算技术；本发明的物理模型和试验方法可拓展应用到各大河网水系，有助于拓展河网中的水质水生态环境研究的物模体系。
Description
技术领域
本发明涉及水质监测领域，尤其涉及一种基于物理模型的河网区水质断面污染贡献率核算方法。
背景技术
水文水质监测是设立相应的监测点监视并测定水体中污染物的种类、各类污染物浓度及变化趋势、以及江河、湖泊、水库、渠道、地下水等水文参数的过程，流量和水质监测能实时得到不同的污染物浓度，具有实时在线测量流量、浓度的功能。
水生态环境保护已上升为国家战略，精细化水环境治理成为解决水生态环境问题的重要手段，开展精细化水环境治理，需要明确流域污染来源、明细污染贡献、落实责任主体，这离不开对河流水质控制断面的污染贡献分析。目前，针对水质断面的污染源的贡献率进行的研究较少，且并未出现相关方法和设备。大部分关于贡献率的研究都与污染源排放贡献率的计算方法有关，比如输出系数法、排污系数法、监测法等，极少有方法针对污染源对水质断面的污染贡献进行研究，而水质断面的污染贡献率是进行水质断面精细化管理的前提和基础。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于物理模型的河网区水质断面污染贡献率核算方法，通过等比缩放典型河网区，构建物理模型，基于排除法进行物理试验，准确核算污染源对河网水质断面的贡献率。
本发明提供一种基于物理模型的河网区水质断面污染贡献率核算方法，包括以下步骤：
S1、选取需要模拟的河网区域，根据河网的河流水文特征，构建河网概化物理模型；
S2、根据已有资料定性分析模拟的河网中污染源与目标水质监测断面的相互关系，按照各污染物对水质监测断面的影响程度大小，选取影响程度大于预设值的污染源建立河网区的污染源清单；
S3、按照污染源清单在河网概化物理模型中布设排污口；
S4、在河网概化物理模型中设定水质监测断面，并在所述水质监测断面处布设流量监测仪和水质检测仪；
S5、设定污染源排放条件，基于排除法依次关停排污口，进行不同排放情况下的物理模拟，利用流量监测仪和水质检测仪获取监测值，并基于水质断面污染贡献率计算方法计算各排污口的贡献率；
S6、比较各排污口对水质监测断面的贡献率，选择排序前三的排污口作为所述水质监测断面的主要影响排污口。
进一步地，所述步骤S1的具体过程为：
S11、根据模拟区域的河流形态利用砖石和混凝土搭建基座，并在所述基座上根据河网的平均坡降以及干流长度，搭设砖石、铺设混凝土，得到三棱柱状的河网模型底座；
S12、在所述河网模型底座上，按照1条干流、N条支流的形式，挖出与模拟区域的河流形态一致的凹槽，其中，凹槽断面的剖面形态为梯形，其宽度与深度根据模拟区域的河流进行等比例缩放，最后在凹槽表面铺设与模拟区域的河流比例、类型相同的泥沙，得到河网概化物理模型的河道；
S13、根据模拟区域的河流流量，按照河网概化物理模型中各个河道的截面积与实际河流截面积之比缩小入河流量，得到模型中各个支流河道的流量以及干流河道的流量；将水泵的进水口连接水管，出水口连接模型中各河道的入口，以恒定流的形式将水灌入模型中，并根据各个河道的流量对水泵进行节流调节，利用流量计监测至水泵提供所需要的恒定流量为止。
进一步地，所述步骤S2中，所述污染源清单包括各种类型污染源的排放浓度、排污口所在的河道编号、排污口距离河道起始点的距离、排污口所在河道的左右岸、排污口的排放流量、以及排污口编号。
进一步地，所述步骤S3中采用重心概化法对排污口进行概化，从而得到排污口的布设方案：保持河流中排污口的格局不变，将距离相隔小于1/K河段的排污口概化为一个排污口，河段长L，概化后的排污口距离河道起点的距离X为：
X＝(m1x1+m2x2+…+mixi+…+mnxn)/(m1+m2+…+mi+…+mn)，
式中，mi表示第i个排污口的排污量,i＝1,2,…,n,n为进行概化的排污口的数量，xi表示第i个排污口到河段起点的距离；概化后的排污口的排放量M为各排污口排放量之和，浓度C为总排放量与总流量之比。
进一步地，所述步骤S4中设定水质监测断面时，避开死水区、回水区、排污口处，支流中的监测断面设置在河床稳定、河段顺直、湖面宽阔、水流平稳的地方，干流中的监测断面设置在距离汇合口较远、水质混合均匀、水流平稳的地方。
进一步地，所述步骤S5的具体过程为：
首先设置全部排污口均进行排放，分别利用流量监测仪以及水质监测仪测定并记录每一监测断面处的水流流量以及污染物浓度；然后基于排除法，依次关停某一排污口，并保证其他条件不变，进行污染源动态变化条件下的排放物理模拟，每一次模拟均利用流量监测仪以及水质检测仪测定并记录各监测断面处的实时水流流量以及实时污染源浓度；多次重复上述模拟试验；
对于任一水质监测断面，第j个排污口Pj对所述水质监测断面的污染贡献率如下：
式中，j＝1,2,…,k，k表示排污口总数，t表示按时间进行的试验次数，C0t表示第t次试验时全部排污口均进行排放时测定的所述水质监测断面处的污染物浓度，Q0t表示第t次试验时全部排污口均进行排放时测定的所述水质监测断面处的水流流量，Cst表示第t次试验时仅关停所述排污口Pj时测定的所述水质监测断面处的实时污染物浓度，Qst表示第t次试验时仅关停所述排污口Pj时测定的所述水质监测断面处的实时水流流量。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：针对解决河网区水质断面污染贡献的技术和方法展开理论和试验研究，通过实验与模拟相结合，进行基于排除法的物理试验，在提出能核算河网区水质断面污染贡献方法的基础上，将其应用于水环境管理实践，能有效地计算污染源对河网水质断面的贡献率，准确评估污染的责任主体，从而指导或支撑重要社会经济活动区域的水污染的污染源防控。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于物理模型的河网区水质断面污染贡献率核算方法的流程图；
图2是本发明实施例构建的污染源清单示意图；
图3是本发明实施例提供的重心概化法示意图；
图4是本发明实施例提供的监测断面设定示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，本发明的实施例提供了一种基于物理模型的河网区水质断面污染贡献率核算方法，包括以下步骤：
S1、选取需要模拟的河网区域，根据河网的水位、流量、流速、坡降等河流水文特征，构建河网概化物理模型。
步骤S1的具体过程为：
S11、根据模拟区域的河流形态利用砖石和混凝土搭建基座，并确定河网模型底座的平均坡降λ；若干流的长度为xm，则底座的一端用砖石垒起高为λxm的石墙，另一端保持原状态；从所述石墙端拉线至基座的另一端，贴合线的坡度在所述基座上搭设砖石、铺设混凝土，得到三棱柱状的河网模型底座；
S12、在所述河网模型底座上，按照1条干流、N条支流的形式，趁混凝土未完全凝固时利用小号挖土铁铲、铁锹挖出与模拟区域的河流形态一致的凹槽，其中，凹槽断面的剖面形态为梯形，其宽度与深度根据模拟区域的河流进行等比例缩放，最后在凹槽表面铺设与模拟区域的河流比例、类型相同的泥沙，得到河网模型的河道；
S13、根据模拟区域的河流流量，按照河网模型中各个河道的截面积与实际河流截面积之比缩小入河流量，得到模型中从干流开始，从上游至下游的各个支流河道的流量依次为Q1、Q2、Q3等，干流河道的流量为Q0；将水泵的进水口连接水管，出水口连接模型中各河道的入口，以恒定流的形式将水灌入模型中，并根据各个河道的流量Q1、Q2、Q3等，对水泵进行节流调节，利用流量计监测至水泵提供需要的恒定流量为止。
S2、分析模拟的河网中污染源与目标水质监测断面的相互关系，建立河网区的污染源清单。考虑多种污染源，包括点源和非点源如氮磷等营养元素、有机污染物以及重金属元素等污染源，根据已有资料，定性获得污染物对水质监测断面的影响程度，按照污染物对监测断面的影响大小，选取影响程度大于预设值的污染源，建立污染源清单。请参考图2，所述污染源清单包括各种类型污染源的排放浓度C0、排污口所在的河道编号、排污口距离河道起始点的距离X、排污口所在河道的左右岸、排污口的排放流量、以及排污口编号。
S3、按照污染源清单在河网概化物理模型中布设排污口。采用重心概化法对排污口进行概化，具体地，保持河流中排污口的格局不变，将距离相隔小于1/K河段的排污口概化为一个排污口，请参考图3，河段长Lm，概化后的排污口距离河道起点的距离X：
X＝(m1x1+m2x2+…+mixi+…+mnxn)/(m1+m2+…+mi+…+mn)，
式中，mi表示第i个排污口的排污量，单位为g/s,i＝1,2,…,n,n为进行概化的排污口的数量，xi表示第i个排污口到河段起点的距离，单位为m。概化后的排污口的排放量M为各排污口排放量之和，浓度C为总排放量与总流量之比。
S4、在河网概化物理模型中设定水质监测断面，并在所述水质监测断面处布设流量监测仪和水质检测仪。需要说明的是，设定水质监测断面时，避开死水区、回水区、排污口处，支流中的水质监测断面设置在河床稳定、河段顺直、湖面宽阔、水流平稳的地方，干流中的水质监测断面设置在距离汇合口较远、水质混合均匀、水流平稳的地方。请参考图4，水质监测断面设置在出入流口、排污口附近以及实际水质断面附近，然后布设流量监测仪测定水流流量，布设水质检测仪对水样进行测量。
S5、设定污染源排放条件，进行不同排放情况下的物理模拟，获取监测值并基于水质断面污染贡献率计算方法计算各排污口的贡献率。
具体地，将所有排污口按照从干流到支流、从上游至下游的次序编号为P1、P2、……、Pk，k表示排污口总数，首先设置全部排污口均进行排放，分别利用流量监测仪以及水质监测仪测定并记录每一监测断面处的水流流量以及污染物浓度；然后基于排除法，依次关停某一排污口P1、P2、……、Pk，并保证其他条件不变，进行污染源动态变化条件下的排放物理模拟，每一次模拟均利用流量监测仪以及水质检测仪测定并记录各监测断面处的实时水流流量以及实时污染源浓度；多次重复上述模拟试验。
对于任一水质监测断面，第j个排污口Pj对所述水质监测断面的污染贡献率如下：
式中，j＝1,2,…,k，t表示按时间进行的试验次数，C0t表示第t次试验时全部排污口均进行排放时测定的该水质监测断面处的污染物浓度(mg/L)，Q0t表示第t次试验时全部排污口均进行排放时测定的该水质监测断面处的水流流量(m3/s)，Cst表示第t次试验时仅关停所述排污口Pj时测定的该水质监测断面处的实时污染物浓度(mg/L)，Qst表示第t次试验时仅关停所述排污口Pj时测定的该水质监测断面处的实时水流流量(m3/s)。
S6、比较各排污口对水质监测断面的贡献率，选择排序前三的排污口作为该水质监测断面的主要影响排污口。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.基于物理模型的河网区水质断面污染贡献率核算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、选取需要模拟的河网区域，根据河网的河流水文特征，构建河网概化物理模型；
S2、根据已有资料定性分析模拟的河网中污染源与目标水质监测断面的相互关系，按照各污染物对水质监测断面的影响程度大小，选取影响程度大于预设值的污染源建立河网区的污染源清单；
S3、按照污染源清单在河网概化物理模型中布设排污口；
S4、在河网概化物理模型中设定水质监测断面，并在所述水质监测断面处布设流量监测仪和水质检测仪；
S5、设定污染源排放条件，基于排除法依次关停排污口，进行不同排放情况下的物理模拟，利用流量监测仪和水质检测仪获取监测值，并基于水质断面污染贡献率计算方法计算各排污口的贡献率；
S6、比较各排污口对水质监测断面的贡献率，选择排序前三的排污口作为所述水质监测断面的主要影响排污口；
所述步骤S1的具体过程为：
S11、根据模拟区域的河流形态利用砖石和混凝土搭建基座，并在所述基座上根据河网的平均坡降以及干流长度，搭设砖石、铺设混凝土，得到三棱柱状的河网模型底座；
S12、在所述河网模型底座上，按照1条干流、N条支流的形式，挖出与模拟区域的河流形态一致的凹槽，其中，凹槽断面的剖面形态为梯形，其宽度与深度根据模拟区域的河流进行等比例缩放，最后在凹槽表面铺设与模拟区域的河流比例、类型相同的泥沙，得到河网概化物理模型的河道；
S13、根据模拟区域的河流流量，按照河网概化物理模型中各个河道的截面积与实际河流截面积之比缩小入河流量，得到模型中各个支流河道的流量以及干流河道的流量；将水泵的进水口连接水管，出水口连接模型中各河道的入口，以恒定流的形式将水灌入模型中，并根据各个河道的流量对水泵进行节流调节，利用流量计监测至水泵提供所需要的恒定流量为止；
所述步骤S5的具体过程为：
首先设置全部排污口均进行排放，分别利用流量监测仪以及水质监测仪测定并记录每一监测断面处的水流流量以及污染物浓度；然后基于排除法，依次关停某一排污口，并保证其他条件不变，进行污染源动态变化条件下的排放物理模拟，每一次模拟均利用流量监测仪以及水质检测仪测定并记录各监测断面处的实时水流流量以及实时污染源浓度；多次重复上述模拟试验；
对于任一水质监测断面，第j个排污口Pj对所述水质监测断面的污染贡献率如下：
式中，j＝1,2,...,k，k表示排污口总数，t表示按时间进行的试验次数，C0t表示第t次试验时全部排污口均进行排放时测定的所述水质监测断面处的污染物浓度，Q0t表示第t次试验时全部排污口均进行排放时测定的所述水质监测断面处的水流流量，Cst表示第t次试验时仅关停所述排污口Pj时测定的所述水质监测断面处的实时污染物浓度，Qst表示第t次试验时仅关停所述排污口Pj时测定的所述水质监测断面处的实时水流流量。
2.根据权利要求1所述的基于物理模型的河网区水质断面污染贡献率核算方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述污染源清单包括各种类型污染源的排放浓度、排污口所在的河道编号、排污口距离河道起始点的距离、排污口所在河道的左右岸、排污口的排放流量、以及排污口编号。
3.根据权利要求1所述的基于物理模型的河网区水质断面污染贡献率核算方法，其特征在于，所述步骤S3中采用重心概化法对排污口进行概化，从而得到排污口的布设方案：保持河流中排污口的格局不变，将距离相隔小于1/K河段的排污口概化为一个排污口，河段长L，概化后的排污口距离河道起点的距离X为：
X＝(m1x1+m2x2+…+mixi+…+mnxn)/(m1+m2+…+mi+…+mn)，
式中，mi表示第i个排污口的排污量,i＝1,2,...,n为进行概化的排污口的数量，xi表示第i个排污口到河段起点的距离；概化后的排污口的排放量M为各排污口排放量之和，浓度C为总排放量与总流量之比。
4.根据权利要求1所述的基于物理模型的河网区水质断面污染贡献率核算方法，其特征在于，所述步骤S4中设定水质监测断面时，避开死水区、回水区、排污口处，支流中的监测断面设置在河床稳定、河段顺直、湖面宽阔、水流平稳的地方，干流中的监测断面设置在距离汇合口较远、水质混合均匀、水流平稳的地方。
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