CN112183123A - 用于水华防控的河道内生态环境需水量分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于水华防控的河道内生态环境需水量分析方法，包含步骤：设置采集点，获取水下地形数据、水文数据、水利工程数据、水质数据和水生态数据；构建河道水动力模型；构建水生态数值模型；计算采集点处水文边界条件；率定和验证河道水动力模型、水生态数值模型；将河道水动力模型的计算结果与水生态数值模型耦合，计算得到用于水华防控的河道内生态环境需水量。本发明利用水体自净能力，运用水力学法调水引流，通过外部工程的合理调度，防控水华的爆发，大幅减少了工作量和造价，易于实现；根据实时采集的数据动态调配水流量，大幅降低了实现周期，及时性高；有利于实现区域环境自治以及水资源的统一配置。

Description

用于水华防控的河道内生态环境需水量分析方法

技术领域

本发明涉及水生态技术领域，具体地涉及用于水华防控的河道内生态环境需水量分析方法。

背景技术

随着流域内人口的增加，工农业生产的迅速发展，城镇大量工业废水、生活污水排放入湖，导致湖水的营养盐和有机质增加，湖泊富营养化进程加快，水资源的日益短缺，生态环境用水需求越来越受到相关专家学者的高度重视。近年来河道水质治理力度逐步加大，我国水体污染得到部分改善，但是蓝藻水华并没有得到有效控制，甚至出现部分时段较大面积水华事件，水华蓝藻总量显著增高，河道水华的治理仍然需要更多的关注与投入。

目前国内外针对河道水华防控研究大多集中在评价方面，且已有的研究方向主要集中在环境事故的风险评估和应急处理等方面。关于水华的治理工作，多数是从管理制度角度入手，控制污水的排入，提升污水的处理效率，做好河道的生态修复，加强监控能力，把握水华变化。

河道水华防控方法的现有技术主要方法有4大类：控制营养盐、直接去除藻类、生物调控和生态修复工程；此外也有少量建立一体化的流域污染源排放、水质自动监测和水华卫星遥感解译联合监测、预警、管理和决策平台。

现有技术的的缺陷在于：

(1)工作量大，造价高，不易实现；

(2)实现周期过长，不能及时解决问题。

发明内容

本发明针对上述问题，提供用于水华防控的河道内生态环境需水量分析方法，其目的在于依靠河流自身能力，通过合理的调度，即可防控水华。

为解决上述问题，本发明提供的技术方案为：

一种用于水华防控的河道内生态环境需水量分析方法，包含以下步骤：

S100.在河道内设置采集点，获取所述采集点处的水下地形数据、水文数据、水利工程数据、水质数据和水生态数据；

S200.根据所述水下地形数据、所述水文数据和所述水利工程数据构建河道水动力模型；

S300.根据所述水质数据和所述水生态数据构建水生态数值模型；

所述水生态数值模型是针对藻类的动态模型，按下式表达：

其中：B_x为藻类的藻类生物量；t是时间；P_x是藻类的生产率；BM_x是是藻类的基础代谢率；PR_x是藻类的捕食率；WS_x是藻类群的正沉降速度；WB_x是藻类群的外部负荷；V是细胞体积；x为藻类的种类，x∈{蓝藻,硅藻,绿藻,大型藻类}；Z为沉降深度；

所述水生态数值模型中的源汇项是：繁殖、基础代谢、捕食、沉降和外部负载；

S400.计算所述采集点处的水文边界条件；

S500.对所述河道水动力模型进行率定和验证；对所述水生态数值模型进行率定和验证；

S600.将所述河道水动力模型的计算结果与所述水生态数值模型耦合，计算得到用于水华防控的河道内生态环境需水量。

优选地，所述河道水动力模型包含基于正交曲线坐标系的连续性方程；所述连续性方程按下式表达：

其中：ζ为参考平面以上的水位，是向量，其方向垂直于所述参考平面；所述参考平面表达为z＝0；d为所述参考平面以下的水深；ξ、η为正交曲线坐标系；u为沿正交曲线坐标系ξ轴方向的水平流速；v为沿正交曲线坐标系η轴方向的水平流速；G_ξξ为水平直角坐标系和正交曲线坐标系ξ轴方向之间的转换系数；G_ηη为水平直角坐标系和正交曲线坐标系η轴方向之间的转换系数；Q为单位面积上由于降水、蒸发、排水和引水因素引起的水量变化。

优选地，所述Q按下式表达：

其中：H为总水深；q_in为单位体积上局部流入的水量；q_out为单位体积上局部流出的水量；P为降水量；E为蒸发量；dσ为单位体积上局部流入水量和流出水量之差的微元长度。

优选地，所述河道水动力模型包含基于正交曲线坐标系的动量方程；

所述动量方程按下式表达：

其中：u为ξ方向上的水平流速；v为η方向上的水平流速；ω为σ方向上的水平流速；f为柯氏力系数；ρ₀为水体密度；P_ξ为ξ方向上的静水压力梯度；P_η为η方向上的静水压力梯度；F_ξ为ξ方向上的紊动动量通量；F_η为η方向上的紊动动量通量；M_ξ为ξ方向上的源汇动量通量；M_η分别为η方向上的源汇动量通量；v_V为紊动粘性系数。

优选地，当所述采集点为无资料的测站，且上游或下游有水文控制站时，所述采集点处的水文边界条件按下式表达：

其中：Q_sj为上游或下游有水文控制站时所述采集点的流量；Q_cz为参证采集点的流量；A_sj为所述采集点的集雨面积；A_cz为所述参证采集点的集雨面积；所述参证采集点为在所述采集点的上游或下游的水文控制站处设置的采集点。

优选地，当所述采集点为无资料的测站，且上游和下游均有水文控制站时，所述采集点处的水文边界条件按下式表达：

其中：Q_p为上游和下游均有水文控制站时所述采集点的流量；

为上游水文控制站的设计流量；

为下游水文控制站的设计流量；A^上为上游水文控制站的集雨面积；A^下为下游水文控制站的集雨面积；A为断面面积。

优选地，所述用于水华防控的河道内生态环境需水量采用断面通量法计算，按下式表达：

其中：Q_c为断面流量，当Q_c满足上式时，即为所述用于水华防控的河道内生态环境需水量；C₀为藻类密度；PM_d为净生长率；WS_d为死亡率；C₁为藻类流入时的密度；C₂为藻类流出时的密度；K为时段转换系数。

优选地，所述时段转换系数按下式表达：

其中：W为某一时间段内在水华发生断面流入、流出的通量；n为估算时段样品数；C_xi为藻类流入流出的密度。

本发明与现有技术对比，具有以下优点：

(1)由于本发明是利用水体的自净能力，运用水力学法调水引流，通过外部工程的合理调度，防控水华的爆发，从而大幅减少了工作量和造价，且易于实现；

(2)由于本发明是根据实时采集的数据动态调配水流量，从而大幅降低了实现周期，及时性高。

(3)由于本发明是基于河道分段管理实现，从而有利于实现区域环境自治以及水资源的统一配置。

附图说明

图1为本发明的具体实施例的流程示意图；

图2a为本发明的具体实施例的对河道水动力模型黄家港断面的率定效果示意图；

图2b为本发明的具体实施例的对河道水动力模型襄阳断面的率定效果示意图；

图2c为本发明的具体实施例的对河道水动力模型皇庄断面的率定效果示意图；

图2d为本发明的具体实施例的对河道水动力模型沙洋断面的率定效果示意图；

图3a为本发明的具体实施例的对河道水动力模型黄家港断面的验证效果示意图；

图3b为本发明的具体实施例的对河道水动力模型襄阳断面的验证效果示意图；

图3c为本发明的具体实施例的对河道水动力模型皇庄断面的验证效果示意图；

图3d为本发明的具体实施例的对河道水动力模型沙洋断面的验证效果示意图；

图4为本发明的具体实施例的水生态数值模型的入流边界条件示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，一种用于水华防控的河道内生态环境需水量分析方法，包含以下步骤：

S100.在河道内设置采集点，获取采集点处的水下地形数据、水文数据、水利工程数据、水质数据和水生态数据；

S200.根据水下地形数据、水文数据和水利工程数据构建河道水动力模型；河道水动力模型的构建采用基于正交曲线坐标系的连续性方程以及动量方程，垂直方向采用坐标系进行处理。

河道水动力模型包含基于正交曲线坐标系的连续性方程；连续性方程按式(1)表达：

其中：ζ为参考平面以上的水位，是向量，其方向垂直于参考平面；参考平面表达为z＝0；d为参考平面以下的水深；ξ、η为正交曲线坐标系；u为沿正交曲线坐标系ξ轴方向的水平流速；v为沿正交曲线坐标系η轴方向的水平流速；G_ξξ为水平直角坐标系和正交曲线坐标系ξ轴方向之间的转换系数；G_ηη为水平直角坐标系和正交曲线坐标系η轴方向之间的转换系数；Q为单位面积上由于降水、蒸发、排水和引水因素引起的水量变化。

Q按式(2)表达：

其中：H为总水深；q_in为单位体积上局部流入的水量；q_out为单位体积上局部流出的水量；P为降水量；E为蒸发量；dσ为单位体积上局部流入水量和流出水量之差的微元长度。

河道水动力模型还包含基于正交曲线坐标系的动量方程。

动量方程按式(3)表达：

其中：u为ξ方向上的水平流速；v为η方向上的水平流速；ω为σ方向上的水平流速；f为柯氏力系数；ρ₀为水体密度；P_ξ为ξ方向上的静水压力梯度；P_η为η方向上的静水压力梯度；F_ξ为ξ方向上的紊动动量通量；F_η为η方向上的紊动动量通量；M_ξ为ξ方向上的源汇动量通量；M_η分别为η方向上的源汇动量通量；v_V为紊动粘性系数。

S300.根据水质数据和水生态数据构建水生态数值模型；水生态数值模型主要针对藻类的动态模型。藻类动态模型中分为四个模型状态变量：蓝藻，硅藻、绿藻以及大型藻类。描述这些过程的方程对于四种藻类组大致相同，仅在实际应用时方程中的参数值不同。

水生态数值模型是针对藻类的动态模型，按式(4)表达：

其中：B_x为藻类的藻类生物量；t是时间；P_x是藻类的生产率；BM_x是是藻类的基础代谢率；PR_x是藻类的捕食率；WS_x是藻类群的正沉降速度；WB_x是藻类群的外部负荷；V是细胞体积；x为藻类的种类，x∈{蓝藻,硅藻,绿藻,大型藻类}；Z为沉降深度。

水生态数值模型中的源汇项是：繁殖、基础代谢、捕食、沉降和外部负载。

S400.计算采集点处的水文边界条件；水文边界条件要根据具体情况来变换，即对于采集点的上下游是否有水文控制站，即采集点本身为有资料测站或无资料测站选择合适的处理方法；尤其当采集点为无资料测站时，就需要用到上下游的水文控制站的数据，具体情况如下：

当采集点为无资料的测站，且上游或下游有水文控制站时，且降雨量和自然条件相差不大时，可以将邻近采集点(即参证采集点)的设计流量，乘以集雨面积比，换算为本采集点的设计流量，采集点处的水文边界条件按式(5)表达：

其中：Q_sj为上游或下游有水文控制站时采集点的流量；Q_cz为参证采集点的流量；A_sj为采集点的集雨面积；A_cz为参证采集点的集雨面积；参证采集点为在采集点的上游或下游的水文控制站处设置的采集点。

当采集点为无资料的测站，且上游和下游均有水文控制站时，可以根据上、下游两站的设计流量用内插法求取该采集点的设计流量；采集点处的水文边界条件按式(6)表达：

其中：Q_p为上游和下游均有水文控制站时采集点的流量；

为上游水文控制站的设计流量；

为下游水文控制站的设计流量；A^上为上游水文控制站的集雨面积；A^下为下游水文控制站的集雨面积；A为断面面积。

S500.对河道水动力模型进行率定和验证；对水生态数值模型进行率定和验证。

本具体实施例中，对河道水动力模型的率定与验证采用2015年全年水位数据，根据历史实测水文序列趋势分析，以王甫洲、崔家营、兴隆为节点分为四段计算；其中：

对河道水动力模型的率定的第一段为丹江口-王甫州，如图2a所示，断面设于黄家港；第二段为王甫州-崔家营，如图2b所示，断面设于襄阳；第三段为崔家营-兴隆，断面有两个，如图2c、图2d所示，断面设于皇庄和沙洋；第四段为兴隆～汉川新沟，断面设于仙桃；于是可以得到分四段计算时典型断面率定效果。

对河道水动力模型的验证的划分与率定一样，也为第一段为丹江口-王甫州，如图3a所示，断面设于黄家港；第二段为王甫州-崔家营，如图3b所示，断面设于襄阳；第三段为崔家营-兴隆，断面有两个，如图3c、图3d所示，断面设于皇庄和沙洋；第四段为兴隆～汉川新沟，断面设于仙桃；于是可以得到分四段计算时典型断面率定效果。

本具体实施例中，对水生态数值模型率定与验证，则根据2015～2018年浮游藻类监测结果，汉江中下游流域水华爆发时期主要发生在枯水期，爆发的藻类种群是硅藻，因此水生态数值模型主要针对硅藻密度进行模拟。如图4所示，利用主要控制断面的藻类监测数据，得到水生态数值模型入流边界条件；再根据相关文献和国内EFDC模型应用实例确定模型初始参数值。本次模拟采用2015年藻类监测数据进行参数率定，参数率定结果见表1。

表1.2015年藻类监测数据参数率定结果表

参数名	含义	率定结果	单位
				PM<sub>d</sub>	硅藻最大生长速率	2.2	d<sup>-1</sup>
BMR<sub>d</sub>	硅藻基础代谢速率	0.025	d<sup>-1</sup>
				PRR<sub>d</sub>	硅藻捕食速率	0.03	d<sup>-1</sup>
WS<sub>d</sub>	硅藻沉降速率	0.17	d<sup>-1</sup>
				TMR<sub>d</sub>	硅藻生长最适温度	25	℃
KHN<sub>x</sub>	藻类吸收氮的半饱和常数	0.6	-
				KHP<sub>x</sub>	藻类吸收磷的半饱和常数	0.001	-
Keb	背景光消减系数	0.1	-

S600.将河道水动力模型的计算结果与水生态数值模型耦合，计算得到用于水华防控的河道内生态环境需水量。

所谓耦合是指通过构建的水生态数值模型，基于量化的水动力水生态关系，将河道水动力模型与水生态数值模型耦合，依照控制沿程累积和抑制生长流速两种原理推求控制水华的生态环境需水量。

用于水华防控的河道内生态环境需水量有两种计算方法：断面通量法和抑制流速法；具体来说：

断面流量法依据控制沿程累积原理，由藻类生长及河道内物质运输，得到某一时间内某段河道的藻类生物量变化。当藻类生物量增长小于0时，即河段内单位水体藻类逐步减少，水华得到控制，由此可以推算出控制水华所需的流量，亦即此时的断面流量。

按照控制沿程累积原理，根据藻类生长及河道内物质运输，某一时间内某段河道的藻类生物量变化按式(7)表达：

△m＝P₁+W₁-W₂-P₂ (7)

其中：△m为藻类生物量增长量；P₁为藻类净生长量，单位为g·m^-3·d^-1；P₁按式(8)表达：

P₁＝PM_d×C₀ (8)

其中：PM_d为为净生长率，单位为d^-1；C₀为藻类密度，单位为g·m^-3。

P₂为藻类死亡量，单位为g·m^-3·d^-1；P₂按式(9)表达：

P₂＝WS_d×C₀ (9)

其中：WS_d为死亡率。

W₁为某一时间段内在水华发生断面流入的通量；W₂为某一时间段内在水华发生断面流出的通量；W₁和W₂可按时段转换系数统一为W计算，W为某一时间段内在水华发生断面流入、流出的通量，按式(10)表达：

其中：n为估算时段样品数；C_xi为藻类流入流出的密度；K为时段转换系数。

于是，当n＝1时，W₁和W₂按式(11)表达：

其中：C₁为藻类流入时的密度；C₂为藻类流出时的密度；Q_c为断面流量。

于是可得某一时间内某段河道的藻类生物量变化按式(12)表达：

△m＝PM_d×C₀+KC₁Q_c-KC₂Q_c-WS_d×C₀ (12)

所谓水华就是河段内单位水体的藻类超过限度，因此控制水华就是是河段内单位水体的藻类逐步减少，所以需要的就是△m≤0，即断面通量法按式(13)表达：

其中：当Q_c满足上式时，即为用于水华防控的河道内生态环境需水量。

抑制流速法的原理在于藻类在不同的营养盐条件下的适宜流速不同；依据藻类生长与流速的关系，当流速处于0.08～0.6m/s时，河流都有爆发水华的可能。研究汉江流域水华爆发时发现，当流速处于0.4～0.6m/s，藻类生长受到抑制。参考断面实际情况确定藻类抑制流速为0.5m/s，通过断面地形数据建立流速-流量关系，从而确定抑制水华发生流速下的流量。

本具体实施例中，通过构建的河道水动力模型与水生态数值模型，得到沙洋断面控制汉江中下游河段冬春季硅藻水华发生所对应的生态环境需水量阈值在741m3/s～890m3/s，结果见表2：

表2.汉江中下游河段冬春季硅藻水华发生对应生态环境需水量阈值表

可以看出，沙洋断面根据流量观察法计算的90％保证率下不发生水华的生态环境需水量与模型校核结果相差不大，本发明具有可靠性。

在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要比清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。

为使本领域内的任何技术人员能够实现或者使用本发明，上面对所公开实施例进行了描述。对于本领域技术人员来说；这些实施例的各种修改方式都是显而易见的，并且本文定义的一般原理也可以在不脱离本公开的精神和保护范围的基础上适用于其它实施例。因此，本公开并不限于本文给出的实施例，而是与本申请公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。

上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或”是要表示“非排它性的或者”。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于水华防控的河道内生态环境需水量分析方法，其特征在于：包含以下步骤：

S100.在河道内设置采集点，获取所述采集点处的水下地形数据、水文数据、水利工程数据、水质数据和水生态数据；

S200.根据所述水下地形数据、所述水文数据和所述水利工程数据构建河道水动力模型；

S300.根据所述水质数据和所述水生态数据构建水生态数值模型；

所述水生态数值模型是针对藻类的动态模型，按下式表达：

其中：B_x为藻类的藻类生物量；t是时间；P_x是藻类的生产率；BM_x是是藻类的基础代谢率；PR_x是藻类的捕食率；WS_x是藻类群的正沉降速度；WB_x是藻类群的外部负荷；V是细胞体积；x为藻类的种类，x∈{蓝藻,硅藻,绿藻,大型藻类}；Z为沉降深度；

所述水生态数值模型中的源汇项是：繁殖、基础代谢、捕食、沉降和外部负载；

S400.计算所述采集点处的水文边界条件；

S500.对所述河道水动力模型进行率定和验证；对所述水生态数值模型进行率定和验证；

S600.将所述河道水动力模型的计算结果与所述水生态数值模型耦合，计算得到用于水华防控的河道内生态环境需水量。

2.根据权利要求1所述的用于水华防控的河道内生态环境需水量分析方法，其特征在于：所述河道水动力模型包含基于正交曲线坐标系的连续性方程；所述连续性方程按下式表达：

其中：ζ为参考平面以上的水位，是向量，其方向垂直于所述参考平面；所述参考平面表达为z＝0；d为所述参考平面以下的水深；ξ、η为正交曲线坐标系；u为沿正交曲线坐标系ξ轴方向的水平流速；v为沿正交曲线坐标系η轴方向的水平流速；G_ξξ为水平直角坐标系和正交曲线坐标系ξ轴方向之间的转换系数；G_ηη为水平直角坐标系和正交曲线坐标系η轴方向之间的转换系数；Q为单位面积上由于降水、蒸发、排水和引水因素引起的水量变化。

3.根据权利要求2所述的用于水华防控的河道内生态环境需水量分析方法，其特征在于：所述Q按下式表达：

其中：H为总水深；q_in为单位体积上局部流入的水量；q_out为单位体积上局部流出的水量；P为降水量；E为蒸发量；dσ为单位体积上局部流入水量和流出水量之差的微元长度。

4.根据权利要求3所述的用于水华防控的河道内生态环境需水量分析方法，其特征在于：所述河道水动力模型包含基于正交曲线坐标系的动量方程；

所述动量方程按下式表达：

其中：u为ξ方向上的水平流速；v为η方向上的水平流速；ω为σ方向上的水平流速；f为柯氏力系数；ρ₀为水体密度；P_ξ为ξ方向上的静水压力梯度；P_η为η方向上的静水压力梯度；F_ξ为ξ方向上的紊动动量通量；F_η为η方向上的紊动动量通量；M_ξ为ξ方向上的源汇动量通量；M_η分别为η方向上的源汇动量通量；v_V为紊动粘性系数。

5.根据权利要求1所述的用于水华防控的河道内生态环境需水量分析方法，其特征在于：当所述采集点为无资料的测站，且上游或下游有水文控制站时，所述采集点处的水文边界条件按下式表达：

其中：Q_sj为上游或下游有水文控制站时所述采集点的流量；Q_cz为参证采集点的流量；A_sj为所述采集点的集雨面积；A_cz为所述参证采集点的集雨面积；所述参证采集点为在所述采集点的上游或下游的水文控制站处设置的采集点。

6.根据权利要求1所述的用于水华防控的河道内生态环境需水量分析方法，其特征在于：当所述采集点为无资料的测站，且上游和下游均有水文控制站时，所述采集点处的水文边界条件按下式表达：

其中：Q_p为上游和下游均有水文控制站时所述采集点的流量；

为上游水文控制站的设计流量；

为下游水文控制站的设计流量；A^上为上游水文控制站的集雨面积；A^下为下游水文控制站的集雨面积；A为断面面积。

7.根据权利要求1所述的用于水华防控的河道内生态环境需水量分析方法，其特征在于：所述用于水华防控的河道内生态环境需水量采用断面通量法计算，按下式表达：

其中：Q_c为断面流量，当Q_c满足上式时，即为所述用于水华防控的河道内生态环境需水量；C₀为藻类密度；PM_d为净生长率；WS_d为死亡率；C₁为藻类流入时的密度；C₂为藻类流出时的密度；K为时段转换系数。

8.根据权利要求7所述的用于水华防控的河道内生态环境需水量分析方法，其特征在于：所述时段转换系数按下式表达：

其中：W为某一时间段内在水华发生断面流入、流出的通量；n为估算时段样品数；C_xi为藻类流入流出的密度。

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