CN112101693B - 基于正交分析的现状城区河道水质达标分析方法 - Google Patents
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Abstract
发明涉及给排水工程、河道整治、环境科学与工程和环境保护技术领域，为提出新的城区河道水质达标分析方法，能够客观的反映河道水质的各影响因素。为此，本发明采取的技术方案是，基于正交分析的现状城区河道水质达标分析方法，包括所在区域自然本底特征分析；河道水动力水质耦合模型的构建及率定；不同影响因素的单因素河道水质达标分析；基于正交分析多因素河道水质达标分析；活水量校核及工程造价分析优化正交分析结果，最终确定河道水质达标的边界条件和工程规模。本发明主要应用于排水工程、河道整治场合。
Description
技术领域
本发明涉及给排水工程、河道整治、环境科学与工程和环境保护技术领域，尤其涉及一种基于正交分析的现状城区河道水质达标分析方法。
背景技术
水污染防治通常通过强化源头控制，水陆统筹、河海兼顾，对江河湖海实施分流域、分区域、分阶段科学治理，系统推进水污染防治、水生态保护和水资源管理。水环境整治项目中所采取的工程措施都是围绕河道水质达标展开的，但是所采取的工程措施能否保证河道水质稳定达标缺乏相关论证方法，同时关于后期运维的相关边界条件如雨后水质恢复时间等也没有系统分析的方法。
现状城区本底条件已经基本形成，造成城区河道水质恶化的影响因素有城市点源污染、面源污染、内源污染等。根据各地的工程实践，雨季城区河道水质污染程度更为严重，因为降雨将陆域污染物通过雨水冲刷至河道中，虽然通过河道自身的流动，污染物在河道中会不断的稀释、扩散并逐渐降解，但是在城区这种流速低、自净能力弱的河道是难以自净恢复到相应的水质标准的。因此通过工程措施对点源、面源污染进行控制是解决河道水质问题的核心工作之一。根据工程实践，降雨量、初期雨水的截流量、河道自然活水量等因素都会对雨后河道水质产生影响。如何准确的判断河道水质达标的影响因素并对其量化，是此类项目是否能够达到工程目标并控制工程造价的根本。现阶段基于城市河道水动力水质耦合模型的研究已经广泛运用在河道水质分析中，由于影响水质的因素较多，如果逐个因素全面分析工作量巨大，在工程实践中往往都是只模拟不同截流量条件下的水质达标情况，对其他影响因素进行人为的固定，不进行具体分析，即单因素分析。这样的水质达标分析边界条件单一，不能客观的反映河道水质的各影响因素，分析结果不全面。因此目前还缺乏一种快速、科学、完整的多因素水质分析方法。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在提出新的城区河道水质达标分析方法，能够客观的反映河道水质的各影响因素。为此，本发明采取的技术方案是，基于正交分析的现状城区河道水质达标分析方法，包括所在区域自然本底特征分析；河道水动力水质耦合模型的构建及率定；不同影响因素的单因素河道水质达标分析；基于正交分析多因素河道水质达标分析；活水量校核及工程造价分析优化正交分析结果，最终确定河道水质达标的边界条件和工程规模。
详细步骤如下：
S1、自然本底特征分析包括河道所在区域的多年降雨分析，河道流域范围内陆域产流产污特征分析，河道生态需水量分析；
S2、构建河道水动力水质耦合模型，并进行模型参数的确定及率定；
S3、确定影响河道水质的变量因素，通过构建的水动力水质耦合模型，分别对单个因素进行河道水质模拟分析，进而初步选定各因素的水平；
S4、采用水动力水质耦合模型，通过正交分析明确各影响因素对水质达标的影响程度，得出初步最优因素水平组合，确定雨后水质达标的天数和全年达标保证率；
S5、基于初步最优因素水平组合，依次进行活水量校核和工程造价分析。如果所需活水量大于生态需水量或工程造价超过了项目预期，应先调整组合模式，如果不能达到要求再延长雨后水质达标的天数或降低全年达标保证率，最终获得河道水质达标的边界条件和工程规模。
步骤S1中的降雨分析具体为：
基于研究区域多年实测降雨资料，统计分析得出当地不同降雨概率所对应降雨量数值，并通过芝加哥雨型对降雨强度进行拟合，确定降雨过程线，所述雨型中任何历时内的雨量等于设计雨量，暴雨公式为：
雨强过程为：
峰前峰后/>
其中，a为历时t内的平均雨强；i为t时雨强；t1为峰前降雨历时；t2为峰后降雨历时；r为雨峰相对位置；Sp、b、n为暴雨公式的参数；
步骤S1中的陆域产流产污特征分析具体方法为：
构建研究区的降水-径流动态模拟模型，并将其结果作为河道水动力水质耦合模型输入条件：
步骤a、划分子汇水区：利用地理信息系统空间分析工具划分子汇水区，计算汇水子区域面积及水流长度获得汇水子区域的特征宽度；
步骤b、地表平均坡度确定：根据实地勘测的地面标高分析出地形数据，进而通过地理信息系统空间分析工具计算每个子汇水区内的平均坡度；
步骤c、排水管网概化：参照研究区域已有排水系统资料，根据其空间拓扑关系概化排水管网；
步骤d、确定模型参数，优先选择项目所在地的实测或试验资料，其次借鉴类似地区的经验值；基于研究目标确定分析的污染物种类；基于研究区域的高分辨率卫星影像图，通过地理信息系统空间分析或遥感软件进行识别提取，解析下垫面；确定每种下垫面的污染物累积和冲刷函数；
步骤e、通过地表产流模型、汇流模型、管道汇流过程模型分析降雨及其夹带的污染物在地表流行的过程，得出排口的流量过程线和污染物浓度变化情况；
步骤f、模型参数率定：在降雨过程中，在研究区不同下垫面处布置监测点位，同步检测水文及水质指标，将监测结果与模拟结果相比较，以相对偏差最小为原则，多次调试参数以获取最优值；参数率定采用蒙特卡罗方法，并用纳什效率系数来评价模拟结果曲线与监测时间序列的吻合程度，纳什系数公式为：
其中，RNS为纳什系数；QS为i时刻浓度实测值，单位mg/L；Qm为i时刻的浓度模拟值，单位mg/L；QP为实测数据的平均浓度值，单位mg/L，纳什系数越接近于1，则模拟结果与监测曲线吻合程度越高；纳什系数大于0.7，则说明模拟结果与实测值较吻合，能够应用于水力水质模拟过程；
步骤S1中计算河道生态需水量的方法具体为：
步骤a、蒙大拿法计算河道生态需水量：统计目标河道30年以上的天然径流量数据；计算对应时段内多年平均径流量；确定目标河道内生态环境流量占多年天然流量的百分比；将该百分比与多年平均天然径流量的乘积即为对应时段的生态环境流量，与时长的乘积即为该时段的生态需水量；
步骤b、保证率分析法计算河道生态需水量：统计目标河道30年以上的水文系列数据；用月平均流量、月平均水位、或径流量的历史资料构建各月水文历时曲线；选择不同的累积频率下相应的月平均流量、月平均水位、或径流量作为相应节点基本生态需水量与目标生态需水量的年内不同时段取值；用汛期、非汛期各月的平均值作为汛期、非汛期的基本生态需水量与目标生态需水量；
步骤c、水量平衡法计算河道生态需水量：统计目标河道30年以上的蒸发数据；计算目标河道多年平均最大月份蒸发水量；计算河道月渗漏损失水量；河道多年平均最大月份蒸发水量与河道月渗漏损失水量的加和即为目标河道的月基本生态需水量；将保证河道内景观与生态系统在不受影响情况下的最大允许下降水位按照一定时段补回原位所需的水量作为该河道的目标生态需水量；
步骤d、对比蒙大拿法、保证率分析法、水量平衡法的计算结果，取最大值作为河道的生态需水量。
步骤S2中构建河道水动力水质耦合模型的方法具体为：
根据项目实际情况，选择建立河道水动力水质耦合模型，模型方程如下：
基于圣维南方程组，构建水体水动力模型，模型方程如下：
其中，x，t分别为计算点空间和时间的坐标；A为过水断面面积，单位m2；Q为过流流量，单位m3/s；h为水位，单位m；q为旁侧入流流量单位m3/s；C为谢才系数；n为曼宁系数；R为水力半径，单位m；α为动量校正系数；g为重力加速度，单位m/s2；
考虑到水体污染物的对流扩散降解作用，河道水体水质迁移转化方程的形式为：
其中，x，t分别为计算点空间和时间的坐标；C为水中污染物的浓度，单位mg/l；u为河流流速的平均值，单位m/s；Ex为扩散系数，单位m2/s；K为模拟物质的一级衰减系数，单位d-1；
骤S2中对水动力水质耦合模型进行参数确定以及率定的方法具体为：
步骤a、选用相对误差dF和相关性系数r作为评判标准对模型模拟结果进行评估；优选的，确定dF＝20％，r＝0.9作为模拟精度较好的评价标准。
其中，M0表示实测值，Ms示模拟值；
步骤b、水动力水质耦合模型参数确定：选取代表性较强的洪水过程A为研究对象，基于河道各典型断面实测的洪峰、洪量、峰现时间和水体主要污染物浓度曲线与模型模拟成果，设定待确定参数率定范围，对水动力模型中河床不同位置的糙率系数以及水质模型中污染物的扩散系数和衰减系数进行率定，通过将模型模拟结果与实测结果带入公式计算，当相对误差值dF与相关性系数r满足评价标准时，确定水动力水质耦合模型的系列参数；
步骤c、模型验证：选取同样具备代表性的洪水过程B与C为研究对象，基于河道各典型断面实测的洪峰、洪量、峰现时间和水体主要污染物浓度曲线与模型模拟结果，通过计算相对误差值dF与相关性系数r，验证模型所率定的参数能否满足dF与r的评价标准，当满足评价标准时，水动力水质耦合模型验证通过，当不满足评价标准时，重新划定参数的率定范围，重复步骤b至步骤c，直到模型验证满足要求。
步骤S3的方法具体包括以下步骤：
步骤a、分析确定影响城市河道水质的变量因素，常见变量为降雨量，截流量、活水量；
步骤b、以经验值固定其他两个变量，通过水动力水质耦合模型分析单个因素变化时，水质变化的情况，得出单因素变化曲线的显著区间。以此为依据确定正交分析的因素水平。
步骤S4的方法具体包括以下步骤：
步骤a、根据确定的因素和因素水平，选择合适的正交表，设计出具有代表性的各因素水平组合表，采用水动力水质耦合模型分析雨后水质达标所需要的的时间；
步骤b、分析各组合的模拟结果，首先计算各因素综合平均值在通过各因素中综合平均值最大的减去最小的得到各因素的极差R；极差大者为重要因素，极差小者为次要因素，通过极差分析得到了各因素影响大小的排序；
步骤c、选取使得各因素综合平均值为最小的水平组合作为初步最优因素水平组合，初步最优因素水平组合不一定是正交表中的组合，因此需要进行验证分析；
步骤d、对初步最优因素水平组合进行同样的模拟分析，将该组合结果与正交分析中最优组合的结果进行对比，验证最优水平的结果；
步骤e、根据初步最优因素水平组合的结果可以明确在此组合模式下的雨后水质达标所需天数，同时根据组合中的降雨量对照多年降雨概率分析，确定全年的达标率，这两个指标均是除水质标准外影响水质达标的最重要的影响因素。
步骤S5的方法具体包括以下步骤：
步骤a、初步最优因素水平组合模式首先进行活水量校核，如果活水量小于生态需水量即满足工程需求，如果活水量大于生态需水量，应首先调整组合模式降低活水量提高截流量，其次可延长雨后水质达标天数，再次降低降雨量，按照先后次序进行调整变量因素水平直到模型分析满足要求；
步骤b、根据调整后的最优水平组合进行造价分析，如果所采取措施的工程造价小于项目预期即满足工程需求，如果工程造价大于项目预期，应首先调整组合模式提高活水量降低截流量，其次可延长雨后水质达标天数，再次降低降雨量，按照先后次序进行调整变量因素水平直到模型分析满足要求，得出最终因素水平组合模式；
步骤c、根据最终因素水平组合模式，分析得出了城市河道水质达标的边界条件和工程措施的规模。
本发明的特点及有益效果是：
本发明通过进行多因素分析，水质达标分析边界条件具综合性，能够客观的反映河道水质的各影响因素，分析结果全面。不失为一种快速、科学、完整的多因素水质分析方法。
附图说明：
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种基于正交分析的现状城区河道水质达标分析方法，该方法包括以下步骤：
S1、自然本底特征分析包括河道所在区域的多年降雨分析，河道流域范围内陆域产流产污特征分析，河道生态需水量分析。
S2、构建河道水动力水质耦合模型，并进行模型参数的确定及率定。
S3、确定影响河道水质的变量因素，通过构建的水动力水质耦合模型，分别对单个因素进行河道水质模拟分析，进而初步选定各因素的水平。
S4、采用水动力水质耦合模型，通过正交分析明确各影响因素对水质达标的影响程度，得出初步最优因素水平组合，确定雨后水质达标的天数和全年达标保证率。
S5、基于初步最优因素水平组合，依次进行活水量校核和工程造价分析。如果所需活水量大于生态需水量或工程造价超过了项目预期，应先调整组合模式，如果不能达到要求再延长雨后水质达标的天数或降低全年达标保证率，最终获得河道水质达标的边界条件(雨后水质达标所需天数及全年达标保证率)和工程规模(截流量及活水量等)。
进一步地，本发明步骤S1中的降雨分析具体为：
基于研究区域多年实测降雨资料，统计分析得出当地不同降雨概率所对应降雨量数值，并通过芝加哥雨型对降雨强度进行拟合，确定降雨过程线。
该雨型中任何历时内的雨量等于设计雨量，暴雨公式为：
雨强过程为：
峰前峰后/>
其中，a为历时t内的平均雨强；i为t时雨强；t1为峰前降雨历时；t2为峰后降雨历时；r为雨峰相对位置；Sp、b、n为暴雨公式的参数。
进一步地，本发明步骤S1中的陆域产流产污特征分析具体方法为：
构建研究区的降水-径流动态模拟模型，并将其结果作为河道水动力水质耦合模型输入条件：
步骤a、划分子汇水区：利用地理信息系统(GIS)空间分析工具划分子汇水区，计算汇水子区域面积及水流长度获得汇水子区域的特征宽度；
步骤b、地表平均坡度确定：根据实地勘测的地面标高分析出地形数据，进而通过地理信息系统(GIS)空间分析工具计算每个子汇水区内的平均坡度；
步骤c、排水管网概化：参照研究区域已有排水系统资料，根据其空间拓扑关系概化排水管网；
步骤d、确定模型参数，优先选择项目所在地的实测或试验资料，其次可借鉴类似地区的经验值；基于研究目标确定分析的污染物种类；基于研究区域的高分辨率卫星影像图，通过地理信息系统(GIS)空间分析或遥感软件进行识别提取，解析下垫面；确定每种下垫面的污染物累积和冲刷函数。
步骤e、通过地表产流模型、汇流模型、管道汇流过程模型分析降雨及其夹带的污染物在地表流行的过程，得出排口的流量过程线和污染物浓度变化情况。
步骤f、模型参数率定：在降雨过程中，在研究区不同下垫面处布置监测点位，同步检测水文及水质指标，将监测结果与模拟结果相比较，以相对偏差最小为原则，多次调试参数以获取最优值。参数率定采用蒙特卡罗方法，并用纳什效率系数来评价模拟结果曲线与监测时间序列的吻合程度。纳什系数公式为：
其中，RNS为纳什系数；QS为i时刻浓度实测值，单位mg/L；Qm为i时刻的浓度模拟值，单位mg/L；QP为实测数据的平均浓度值，单位mg/L。纳什系数越接近于1，则模拟结果与监测曲线吻合程度越高；纳什系数大于0.7，则说明模拟结果与实测值较吻合，可将模型应用于该研究区的水力水质模拟过程。
进一步地，本发明步骤S1中计算河道生态需水量的方法具体为：
步骤a、蒙大拿法计算河道生态需水量：统计目标河道30年以上的天然径流量数据；计算对应时段内多年平均径流量；确定目标河道内生态环境流量占多年天然流量的百分比；将该百分比与多年平均天然径流量的乘积即为对应时段的生态环境流量，与时长的乘积即为该时段的生态需水量。
步骤b、保证率分析法计算河道生态需水量：统计目标河道30年以上的水文系列数据；用月平均流量、月平均水位、或径流量的历史资料构建各月水文历时曲线；选择不同的累积频率下相应的月平均流量、月平均水位、或径流量作为相应节点基本生态需水量与目标生态需水量的年内不同时段取值；用汛期、非汛期各月的平均值作为汛期、非汛期的基本生态需水量与目标生态需水量。
步骤c、水量平衡法计算河道生态需水量：统计目标河道30年以上的蒸发数据；计算目标河道多年平均最大月份蒸发水量；计算河道月渗漏损失水量；河道多年平均最大月份蒸发水量与河道月渗漏损失水量的加和即为目标河道的月基本生态需水量；可将保证河道内景观与生态系统在不受影响情况下的最大允许下降水位按照一定时段补回原位所需的水量作为该河道的目标生态需水量。
步骤d、对比蒙大拿法、保证率分析法、水量平衡法的计算结果，取最大值作为河道的生态需水量。
进一步地，本发明步骤S2中构建河道水动力水质耦合模型的方法具体为：
根据项目实际情况，可选择建立河道水动力水质耦合模型，模型方程如下：
基于圣维南方程组，构建水体水动力模型，模型方程如下：
其中，x，t分别为计算点空间和时间的坐标；A为过水断面面积，单位m2；Q为过流流量，单位m3/s；h为水位，单位m；q为旁侧入流流量单位m3/s；C为谢才系数；n为曼宁系数；R为水力半径，单位m；α为动量校正系数；g为重力加速度，单位m/s2。
考虑到水体污染物的对流扩散降解作用，河道水体水质迁移转化方程的形式为：
其中，x，t分别为计算点空间和时间的坐标；C为水中污染物的浓度，单位mg/l；u为河流流速的平均值，单位m/s；Ex为扩散系数，单位m2/s；K为模拟物质的一级衰减系数，单位d-1。
进一步地，本发明步骤S2中对水动力水质耦合模型进行参数确定以及率定的方法具体为：
步骤a、选用相对误差dF和相关性系数r作为评判标准对模型模拟结果进行评估；优选的，确定dF＝20％，r＝0.9作为模拟精度较好的评价标准。
其中，M0表示实测值，Ms示模拟值；
步骤b、水动力水质耦合模型参数确定：选取代表性较强的洪水过程A为研究对象，基于河道各典型断面实测的洪峰、洪量、峰现时间和水体主要污染物浓度曲线与模型模拟成果，设定待确定参数率定范围，对水动力模型中河床不同位置的糙率系数以及水质模型中污染物的扩散系数和衰减系数进行率定，通过将模型模拟结果与实测结果带入公式计算，当相对误差值dF与相关性系数r满足评价标准时，确定水动力水质耦合模型的系列参数；
步骤c、模型验证：选取同样具备代表性的洪水过程B与C为研究对象，基于河道各典型断面实测的洪峰、洪量、峰现时间和水体主要污染物浓度曲线与模型模拟结果，通过计算相对误差值dF与相关性系数r，验证模型所率定的参数能否满足dF与r的评价标准，当满足评价标准时，水动力水质耦合模型验证通过，当不满足评价标准时，重新划定参数的率定范围，重复步骤b至步骤c，直到模型验证满足要求。
进一步地，本发明步骤S3的方法具体包括以下步骤：
步骤a、分析确定影响城市河道水质的变量因素，常见变量为降雨量，截流量、活水量。
步骤b、以经验值固定其他两个变量，通过水动力水质耦合模型分析单个因素变化时，水质变化的情况，得出单因素变化曲线的显著区间。以此为依据确定正交分析的因素水平。
进一步地，本发明步骤S4的方法具体包括以下步骤：
步骤a、根据确定的因素和因素水平，选择合适的正交表，设计出具有代表性的各因素水平组合表，采用水动力水质耦合模型分析雨后水质达标所需要的的时间。
步骤b、分析各组合的模拟结果，首先计算各因素综合平均值在通过各因素中综合平均值最大的减去最小的得到各因素的极差(R)。极差大者为重要因素，极差小者为次要因素，通过极差分析得到了各因素影响大小的排序。
步骤c、选取使得各因素综合平均值为最小的水平组合作为初步最优因素水平组合，初步最优因素水平组合不一定是正交表中的组合，因此需要进行验证分析。
步骤d、对初步最优因素水平组合进行同样的模拟分析，将该组合结果与正交分析中最优组合的结果进行对比，验证最优水平的结果。
步骤e、根据初步最优因素水平组合的结果可以明确在此组合模式下的雨后水质达标所需天数，同时根据组合中的降雨量对照多年降雨概率分析，确定全年的达标率。这两个指标均是除水质标准外影响水质达标的最重要的影响因素。
进一步地，本发明步骤S5的方法具体包括以下步骤：
步骤a、初步最优因素水平组合模式首先进行活水量校核，如果活水量小于生态需水量即满足工程需求，如果活水量大于生态需水量，应首先调整组合模式降低活水量提高截流量，其次可延长雨后水质达标天数，再次降低降雨量(即降低保证率)。按照先后次序进行调整变量因素水平直到模型分析满足要求。
步骤b、根据调整后的最优水平组合进行造价分析，如果所采取措施的工程造价小于项目预期即满足工程需求，如果工程造价大于项目预期，应首先调整组合模式提高活水量降低截流量，其次可延长雨后水质达标天数，再次降低降雨量(即降低保证率)。按照先后次序进行调整变量因素水平直到模型分析满足要求，得出最终因素水平组合模式。
步骤c、根据最终因素水平组合模式，分析得出了城市河道水质达标的边界条件(雨后水质达标天数和全年保障率)和工程措施的规模(截流量和活水量)。
为了详细阐述本发明的技术特点和目标，以下结合附图和实施例对本发明进一步的说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明围绕目前城市河道治理中的核心问题河道水质达标展开，公开了一种基于正交分析的现状城区河道水质达标分析方法，该方法包括该方法包括项目所在区域自然本底特征分析；河道水动力水质耦合模型的构建及率定；不同影响因素的单因素河道水质达标分析；基于正交分析多因素河道水质达标分析；活水量校核及工程造价分析优化正交分析结果，最终确定河道水质达标的边界条件和工程规模。
本发明实施例的基于正交分析的现状城区河道水质达标分析方法，该方法包括以下步骤：
S1、自然本底特征分析包括河道所在区域的多年降雨分析，河道流域范围内陆域产流产污特征分析，河道生态需水量分析。
S2、构建河道水动力水质耦合模型，并进行模型参数的确定及率定。
S3、确定影响河道水质的变量因素，通过构建的水动力水质耦合模型，分别对单个因素进行河道水质模拟分析，进而选定各因素的水平。
S4、采用水动力水质耦合模型，通过正交分析明确各影响因素对水质达标的影响程度，得出初步最优因素水平组合，进而明确对应的雨后水质达标的天数和全年达标保证率。
S5、基于初步最优因素水平组合，依次进行活水量校核和工程造价分析。如果所需活水量大于生态需水量或工程造价超过了项目预期，应先调整组合模式，如果不能达到要求再延长雨后水质达标的天数或降低全年达标保证率，最终获得河道水质达标的边界条件(雨后水质达标所需天数及全年达标保证率)和工程规模(截流量及活水量等)。
(1)自然本底特征分析之多年降雨分析具体为：
通过对研究区雨量站30年日降雨数据进行统计分析，得到不同降雨概率下的降雨量。
根据研究区实际情况，采用降雨11mm(降雨概率50％)、17mm(降雨概率60％)、30mm(降雨概率70％)、56mm(降雨概率80％)作为情景评估。
设计降雨雨型采用芝加哥雨型，暴雨公式为：
则雨强过程为：
峰前峰后/>
其中，a为历时t内的平均雨强；i为t时雨强；t1为峰前降雨历时；t2为峰后降雨历时；r为雨峰相对位置；Sp、b、n为暴雨公式的参数。
峰值因子r取0.4，同时选用历时2h设计降雨作为模型输入条件。
(2)自然本底特征分析之河道流域范围内陆域产流产污特征分析
构建研究区的降水-径流动态模拟模型，并将其结果作为河道水动力水质耦合模型输入条件：
步骤a、划分子汇水区：利用地理信息系统(GIS)空间分析工具划分子汇水区，计算汇水子区域面积及水流长度获得汇水子区域的特征宽度；
步骤b、地表平均坡度确定：根据实地勘测的地面标高分析出地形数据，进而通过地理信息系统(GIS)空间分析工具计算每个子汇水区内的平均坡度；
步骤c、排水管网概化：参照研究区域已有排水系统资料，根据其空间拓扑关系概化排水管网；
步骤d、确定模型参数，优先选择项目所在地的实测或试验资料，其次可借鉴类似地区的经验值；基于研究目标确定分析的污染物种类；基于研究区域的高分辨率卫星影像图，通过地理信息系统(GIS)空间分析或遥感软件进行识别提取，解析下垫面；确定每种下垫面的污染物累积和冲刷函数。
模型参数取值见下表：
| 编号 | 参数名称 | 物理意义 | 取值范围 |
| 1 | ％Imperv | 汇水区不透水率 | 50～70 |
| 2 | N-Imperv | 不透水区曼宁系数 | 0.011～0.024 |
| 3 | N-Perv | 透水区曼宁系数 | 0.1～0.8 |
| 4 | Destore-Imperv | 不透水区洼蓄深 | 1～5mm |
| 5 | Destore-Perv | 透水区洼蓄 | 3～10mm |
| 6 | ％Zero-Imperv | 非洼地蓄水不渗透性(％) | 20 |
| 7 | Conduit Roughness | 管道曼宁系数 | 0.011～0.4 |
| 8 | MaxRate | 最大下渗率 | 20～72 |
| 9 | MinRate | 最小下渗率 | 2～5 |
| 10 | Decay | 渗透衰减系数 | 2 |
步骤e、通过地表产流模型、汇流模型、管道汇流过程模型分析降雨及其夹带的污染物在地表流行的过程，得出排口的流量过程线和污染物浓度变化情况。
步骤f、模型参数率定：在降雨过程中，于研究区不同下垫面处布置监测点位，同步检测水文及水质指标，将监测结果与模拟结果相比较，以相对偏差最小为原则，多次调试参数以获取最优值。参数率定采用蒙特卡罗方法，并用纳什效率系数来评价模拟结果曲线与监测时间序列的吻合程度。纳什系数公式为：
其中，RNS为纳什系数；QS为i时刻浓度实测值，单位mg/L；Qm为i时刻的浓度模拟值，单位mg/L；QP为实测数据的平均浓度值，单位mg/L。纳什系数越接近于1，则模拟结果与监测曲线吻合程度越高；纳什系数大于0.7，则说明模拟结果与实测值较吻合，可将模型应用于该研究区的水力水质模拟过程。
(3)自然本底特征分析之河道生态需水量分析具体为：
步骤a、蒙大拿法计算河道生态需水量：统计目标河道30年以上的天然径流量数据；计算对应时段内多年平均径流量；确定目标河道内生态环境流量占多年天然流量的百分比；将该百分比与多年平均天然径流量的乘积即为对应时段的生态环境流量，与时长的乘积即为该时段的生态需水量。
步骤b、保证率分析法计算河道生态需水量：统计目标河道30年以上的水文系列数据；用月平均流量、月平均水位、或径流量的历史资料构建各月水文历时曲线；分别选择95％与50％的累积频率下相应的月平均流量、月平均水位、或径流量作为相应节点基本生态需水量与目标生态需水量的年内不同时段取值；用汛期、非汛期各月的平均值作为汛期、非汛期的基本生态需水量与目标生态需水量。
步骤c、水量平衡法计算河道生态需水量：统计目标河道30年以上的蒸发数据；计算目标河道多年平均最大月份蒸发水量；计算河道月渗漏损失水量；河道多年平均最大月份蒸发水量与河道月渗漏损失水量的加和即为目标河道的月基本生态需水量；可将保证河道内景观与生态系统在不受影响情况下的最大允许下降水位按照3天内补回原位所需的水量作为该河道的目标生态需水量。
步骤d、对比蒙大拿法、保证率分析法、水量平衡法的计算结果，取最大值作为河道的生态需水量。
(4)构建河道水动力水质耦合模型的方法具体为：
步骤一、基于圣维南方程组，构建水体水动力模型，模型方程如下：
其中，x，t分别为计算点空间和时间的坐标；A为过水断面面积，单位m2；Q为过流流量，单位m3/s；h为水位，单位m；q为旁侧入流流量单位m3/s；C为谢才系数；n为曼宁系数；R为水力半径，单位m；α为动量校正系数；g为重力加速度，单位m/s2。
考虑到水体污染物的对流扩散降解作用，河道水体水质迁移转化方程的形式为：
其中，x，t分别为计算点空间和时间的坐标；C为水中污染物的浓度，单位mg/l；u为河流流速的平均值，单位m/s；Ex为扩散系数，单位m2/s；K为模拟物质的一级衰减系数，单位d-1。
步骤二、对水动力水质耦合模型进行参数确定以及率定的方法具体为：
步骤a、选用相对误差dF和相关性系数r作为评判标准对模型模拟结果进行评估：
其中，M0表示实测值，Ms示模拟值；
步骤b、水动力水质耦合模型参数确定：选取代表性较强的洪水过程A为研究对象，基于河道各典型断面实测的洪峰、洪量、峰现时间和水体主要污染物浓度曲线与模型模拟成果，设定待确定参数率定范围，对水动力模型中河床不同位置的糙率系数以及水质模型中污染物的扩散系数和衰减系数进行率定，通过将模型模拟结果与实测结果带入公式计算，当相对误差值dF与相关性系数r满足评价标准时，确定水动力水质耦合模型的系列参数；
步骤c、模型验证：选取同样具备代表性的洪水过程B与C为研究对象，基于河道各典型断面实测的洪峰、洪量、峰现时间和水体主要污染物浓度曲线与模型模拟结果，通过计算相对误差值dF与相关性系数r，验证模型所率定的参数能否满足dF与r的评价标准，当满足评价标准时，水动力水质耦合模型验证通过，当不满足评价标准时，重新划定参数的率定范围，重复步骤b至步骤c，直到模型验证满足要求。
(5)确定影响河道水质的单因素分析，选择因素水平区间。
步骤a、分析确定影响城市河道水质的变量因素，常见变量为降雨量，截流量、活水量。
步骤b、以经验值固定其他两个变量，降雨量因素水平经验值为50％-80％降雨概率下的雨量，截流量因素水平经验值为4-12mm，活水量因素水平经验值为生态需水量的50％-120％。通过水动力水质耦合模型分析单个因素变化时，水质变化的情况，得出单因素变化曲线的显著区间。以此为依据确定正交分析的因素水平。
(6)通过多因素正交分析，明确各影响因素对水质达标的影响程度，得出初步最优因素水平组合，并明确雨后水质达标所需天数和全年的达标率。
步骤a、根据确定的因素和因素水平，选择合适的正交表。根据确定的降雨量、截流量和活水量3个因素及其4个因素水平，选择L16[4 3]正交表，基于水动力水质耦合模型分析雨后水质达标所需要的的时间。
步骤b、分析各组合的模拟结果，首先计算各因素综合平均值在通过各因素中综合平均值最大的减去最小的得到各因素的极差(R)。极差大者为重要因素，极差小者为次要因素，通过极差分析得到了各因素影响大小的排序。
步骤c、选取使得各因素综合平均值为最小的水平组合作为初步最优因素水平组合，初步最优因素水平组合不一定是正交表中的组合，因此需要进行验证分析。
步骤d、对初步最优因素水平组合进行同样的模拟分析，将该组合结果与正交分析中最优组合的结果进行对比，验证最优水平。
步骤e、根据初步最优因素水平组合的结果可以明确在此组合模式下的雨后水质达标所需天数，同时根据组合中的降雨量对照多年降雨概率分析，确定全年的达标率。这两个指标均是除水质标准外影响水质达标的最重要的影响因素。
(7)基于初步最优因素水平组合，先后进行活水量校核和工程造价分析，如果所需活水量大于生态需水量或工程造价超过了项目预期，应调整组合模式、延长雨后水质达标的天数或降低保证率。最终获得河道水质达标的边界条件(雨后水质达标所需天数及全年达标保证率)和工程规模(截流量及活水量等)。
步骤a、初步最优因素水平组合模式首先进行活水量校核，如果活水量小于生态需水量即满足工程需求，如果活水量大于生态需水量，应首先调整组合模式降低活水量提高截流量，其次可延长雨后水质达标天数，再次降低降雨量(即降低保证率)。按照先后次序进行调整变量因素水平直到模型分析满足要求。
步骤b、根据调整后的最优水平组合进行造价分析，如果所采取措施的工程造价小于项目预期即满足工程需求，如果工程造价大于项目预期，应首先调整组合模式提高活水量降低截流量，其次可延长雨后水质达标天数，再次降低降雨量(即降低保证率)。按照先后次序进行调整变量因素水平直到模型分析满足要求，得出最终因素水平组合模式
步骤c、根据最终因素水平组合模式，分析得出了城市河道水质达标的边界条件(雨后水质达标天数和全年保障率)和工程措施的规模(截流量和活水量)。
应当理解的是，对于本技术领域的技术人员，可以根据上述说明加以改进或变化，而所有的这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (1)
1.一种基于正交分析的现状城区河道水质达标分析方法，其特征是，步骤包括：所在区域自然本底特征分析；河道水动力水质耦合模型的构建及率定；不同影响因素的单因素河道水质达标分析；基于正交分析多因素河道水质达标分析；活水量校核及工程造价分析优化正交分析结果，最终确定河道水质达标的边界条件和工程规模；详细步骤如下：
S1、自然本底特征分析包括河道所在区域的多年降雨分析，河道流域范围内陆域产流产污特征分析，河道生态需水量分析，具体如下：
基于研究区域多年实测降雨资料，统计分析得出当地不同降雨概率所对应降雨量数值，并通过芝加哥雨型对降雨强度进行拟合，确定降雨过程线，所述雨型中任何历时内的雨量等于设计雨量，暴雨公式为：
雨强过程为：
峰前峰后/>
其中，a为历时t内的平均雨强；i为t时雨强；t1为峰前降雨历时；t2为峰后降雨历时；r为雨峰相对位置；Sp、b、n为暴雨公式的参数；
陆域产流产污特征分析具体方法为：
构建研究区的降水-径流动态模拟模型，并将其结果作为河道水动力水质耦合模型输入条件：
步骤a、划分子汇水区：利用地理信息系统空间分析工具划分子汇水区，计算汇水子区域面积及水流长度获得汇水子区域的特征宽度；
步骤b、地表平均坡度确定：根据实地勘测的地面标高分析出地形数据，进而通过地理信息系统空间分析工具计算每个子汇水区内的平均坡度；
步骤c、排水管网概化：参照研究区域已有排水系统资料，根据其空间拓扑关系概化排水管网；
步骤d、确定模型参数，优先选择项目所在地的实测或试验资料，其次借鉴类似地区的经验值；基于研究目标确定分析的污染物种类；基于研究区域的高分辨率卫星影像图，通过地理信息系统空间分析或遥感软件进行识别提取，解析下垫面；确定每种下垫面的污染物累积和冲刷函数；
步骤e、通过地表产流模型、汇流模型、管道汇流过程模型分析降雨及其夹带的污染物在地表流行的过程，得出排口的流量过程线和污染物浓度变化情况；
步骤f、模型参数率定：在降雨过程中，在研究区不同下垫面处布置监测点位，同步检测水文及水质指标，将监测结果与模拟结果相比较，以相对偏差最小为原则，多次调试参数以获取最优值；参数率定采用蒙特卡罗方法，并用纳什效率系数来评价模拟结果曲线与监测时间序列的吻合程度，纳什系数公式为：
其中，RNS为纳什系数；QS为i时刻浓度实测值，单位mg/L；Qm为i时刻的浓度模拟值，单位mg/L；QP为实测数据的平均浓度值，单位mg/L，纳什系数越接近于1，则模拟结果与监测曲线吻合程度越高；纳什系数大于0.7，则说明模拟结果与实测值较吻合，能够应用于水力水质模拟过程；
计算河道生态需水量的方法具体为：
步骤a、蒙大拿法计算河道生态需水量：统计目标河道30年以上的天然径流量数据；计算对应时段内多年平均径流量；确定目标河道内生态环境流量占多年天然流量的百分比；将该百分比与多年平均天然径流量的乘积即为对应时段的生态环境流量，与时长的乘积即为该时段的生态需水量；
步骤b、保证率分析法计算河道生态需水量：统计目标河道30年以上的水文系列数据；用月平均流量、月平均水位、或径流量的历史资料构建各月水文历时曲线；选择不同的累积频率下相应的月平均流量、月平均水位、或径流量作为相应节点基本生态需水量与目标生态需水量的年内不同时段取值；用汛期、非汛期各月的平均值作为汛期、非汛期的基本生态需水量与目标生态需水量；
步骤c、水量平衡法计算河道生态需水量：统计目标河道30年以上的蒸发数据；计算目标河道多年平均最大月份蒸发水量；计算河道月渗漏损失水量；河道多年平均最大月份蒸发水量与河道月渗漏损失水量的加和即为目标河道的月基本生态需水量；将保证河道内景观与生态系统在不受影响情况下的最大允许下降水位按照一定时段补回原位所需的水量作为该河道的目标生态需水量；
步骤d、对比蒙大拿法、保证率分析法、水量平衡法的计算结果，取最大值作为河道的生态需水量；
S2、构建河道水动力水质耦合模型，并进行模型参数的确定及率定，根据项目实际情况，选择建立河道水动力水质耦合模型，模型方程如下：
基于圣维南方程组，构建水体水动力模型，模型方程如下：
其中，x，t分别为计算点空间和时间的坐标；A为过水断面面积，单位m2；Q为过流流量，单位m3/s；h为水位，单位m；q为旁侧入流流量单位m3/s；C为谢才系数；n为曼宁系数；R为水力半径，单位m；α为动量校正系数；g为重力加速度，单位m/s2；
考虑到水体污染物的对流扩散降解作用，河道水体水质迁移转化方程的形式为：
其中，x，t分别为计算点空间和时间的坐标；C为水中污染物的浓度，单位mg/l；u为河流流速的平均值，单位m/s；Ex为扩散系数，单位m2/s；K为模拟物质的一级衰减系数，单位d-1；
对水动力水质耦合模型进行参数确定以及率定的方法具体为：
步骤a、选用相对误差dF和相关性系数r作为评判标准对模型模拟结果进行评估；优选的，确定dF＝20％，r＝0.9作为模拟精度较好的评价标准；
其中，M0表示实测值，Ms示模拟值；
步骤b、水动力水质耦合模型参数确定：选取代表性较强的洪水过程A为研究对象，基于河道各典型断面实测的洪峰、洪量、峰现时间和水体主要污染物浓度曲线与模型模拟成果，设定待确定参数率定范围，对水动力模型中河床不同位置的糙率系数以及水质模型中污染物的扩散系数和衰减系数进行率定，通过将模型模拟结果与实测结果带入公式计算，当相对误差值dF与相关性系数r满足评价标准时，确定水动力水质耦合模型的系列参数；
步骤c、模型验证：选取同样具备代表性的洪水过程B与C为研究对象，基于河道各典型断面实测的洪峰、洪量、峰现时间和水体主要污染物浓度曲线与模型模拟结果，通过计算相对误差值dF与相关性系数r，验证模型所率定的参数能否满足dF与r的评价标准，当满足评价标准时，水动力水质耦合模型验证通过，当不满足评价标准时，重新划定参数的率定范围，重复步骤b至步骤c，直到模型验证满足要求；
S3、确定影响河道水质的变量因素，通过构建的水动力水质耦合模型，分别对单个因素进行河道水质模拟分析，进而初步选定各因素的水平，具体如下：
步骤a、分析确定影响城市河道水质的变量因素，常见变量为降雨量，截流量、活水量；
步骤b、以经验值固定其他两个变量，通过水动力水质耦合模型分析单个因素变化时，水质变化的情况，得出单因素变化曲线的显著区间，以此为依据确定正交分析的因素水平；
S4、采用水动力水质耦合模型，通过正交分析明确各影响因素对水质达标的影响程度，得出初步最优因素水平组合，确定雨后水质达标的天数和全年达标保证率，具体地：
步骤a、根据确定的因素和因素水平，选择合适的正交表，设计出具有代表性的各因素水平组合表，采用水动力水质耦合模型分析雨后水质达标所需要的的时间；
步骤b、分析各组合的模拟结果，首先计算各因素综合平均值在通过各因素中综合平均值最大的减去最小的得到各因素的极差R；极差大者为重要因素，极差小者为次要因素，通过极差分析得到了各因素影响大小的排序；
步骤c、选取使得各因素综合平均值为最小的水平组合作为初步最优因素水平组合，初步最优因素水平组合不一定是正交表中的组合，因此需要进行验证分析；
步骤d、对初步最优因素水平组合进行同样的模拟分析，将该组合结果与正交分析中最优组合的结果进行对比，验证最优水平的结果；
步骤e、根据初步最优因素水平组合的结果可以明确在此组合模式下的雨后水质达标所需天数，同时根据组合中的降雨量对照多年降雨概率分析，确定全年的达标率，这两个指标均是除水质标准外影响水质达标的最重要的影响因素；
S5、基于初步最优因素水平组合，依次进行活水量校核和工程造价分析，如果所需活水量大于生态需水量或工程造价超过了项目预期，应先调整组合模式，如果不能达到要求再延长雨后水质达标的天数或降低全年达标保证率，最终获得河道水质达标的边界条件和工程规模，具体地：
步骤a、初步最优因素水平组合模式首先进行活水量校核，如果活水量小于生态需水量即满足工程需求，如果活水量大于生态需水量，应首先调整组合模式降低活水量提高截流量，其次可延长雨后水质达标天数，再次降低降雨量，按照先后次序进行调整变量因素水平直到模型分析满足要求；
步骤b、根据调整后的最优水平组合进行造价分析，如果所采取措施的工程造价小于项目预期即满足工程需求，如果工程造价大于项目预期，应首先调整组合模式提高活水量降低截流量，其次可延长雨后水质达标天数，再次降低降雨量，按照先后次序进行调整变量因素水平直到模型分析满足要求，得出最终因素水平组合模式；
步骤c、根据最终因素水平组合模式，分析得出了城市河道水质达标的边界条件和工程措施的规模。
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