CN112215504B - 一种闸控重污染小流域污染物通量观测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及污染物通量高频观测及计算技术领域，公开了一种闸控重污染小流域污染物通量观测方法，包括：基于河道地形数据得到水位—水量关系式；根据闸控开关及降雨条件，得到重污染封闭小流域水体水位变化条件下的水量平衡关系
在不考虑地下水补充，闸站未调度、未降雨时，得到入河污水量日均值
根据
计算污染物通量。其有益效果在于：公式拟合度高，根据水位变化直接读取排水前后水量变化，通过局域网与智能终端相连接实现污染物通量的实时、自动和智能化监控。
Description
技术领域
本发明涉及污染物通量高频观测及计算技术领域，具体涉及一种闸控重污染小流域污染物通量观测方法。
背景技术
河流污染物通量是流域水环境治理效果评价的核心指标。近年来，国家对劣V类水体、城市黑臭水体等水环境问题的整治力度不断加强，由水质自动监测站长期跟踪监测的主要水质指标监测频率大幅度提高，而针对相对独立和封闭的自然汇水区域而言，一般水位在特定高度时排水、多依靠闸控(电排、闸门)调度排水、流域范围确定、主要受人类生产生活或降雨补水，水量平衡关系简单，同时，因水文监测站建设成本高、难维护、水体流动缓慢等原因并不适合在小流域进行大规模建设，因此难以计算排入受纳水体的污染物总量。
河流污染物通量是河流流量与水质浓度的乘积，目前国内多通过声学多普勒流速仪(ADCP)、水文测船流速仪等短时序监测手段获取流量数据，流量监测频率低费用高、流量和水质监测不同步、数据分散且难共享、监测点位少等因素导致污染物通量估算误差大，难以有效计算进入受纳水体的污染物负荷占比。
发明内容
本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种具有水位监测频率高、成本低、流量-水质数据同步、数据获取简单的闸控重污染小流域污染物通量观测方法。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种闸控重污染小流域污染物通量观测方法，该方法包括：
基于河道地形数据得到水位—水量关系式：Q＝b1H2+b2H+b3，其中Q表示水量；H表示水位；b1，b2，b3表示回归系数；
根据闸控开关及降雨条件，得到重污染封闭小流域水体水位变化条件下的水量平衡关系
其中，△Q表示闸站调度前后水量差；/>
表示流域范围日均内入河污水量；Q雨表示月径流量；Q排表示排入受纳水体的流量；
在不考虑地下水补充，闸站未调度、未降雨时，水位长时序变化条件下，Q雨、Q排的数值均为零，根据水量平衡关系式：
得到入河污水量日均值/>
得到长时序内的入河污水量日均值
后，根据电排站或水闸调度时段内水位数据变化，得到水量变化数据△Q，利用水量平衡关系式：/>
得出Q排。
根据闸站调度时电排站用电量信号或水闸闸门高度差信号获取时段内水质数据，用以计算排入受纳水体的污染物通量，即污染物通量
其中，/>
为出口断面污染物平均日通量，单位为kg/d；X为月份；/>
为X月第k天电排排水期间污染物的浓度均值，单位为mg/L；n为X月的排水天数；/>
为人为排放的日均污水量，单位为万m3/d；Q雨Xk为X月降雨产生的径流在第k天所占的量(剔除未降雨天数)，单位为万m3/d；ΔQXk为X月第k天电排后的水量与电排前的水量差值，单位为万m3/d。
进一步地，S11中水位—流量关系式的建立，通过收集相关河道地形矢量数据资料，结合河流实际形貌，合理划分成若干河段，每段3-10m，依据划分后河段长度和河段横断面底高程数据，利用MATLAB软件积分计算不同水位下的横断面面积，再乘以划分后河段长度以得到该段不同水位下的水量，以此得到整条河流不同水位下的水量。在闸站不开启的条件下：利用一元线性方程：Q＝b1H+b2或一元二次方程Q＝b1H2+b2H+b3或幂函数Q＝b1Hb2建立水位水量回归方程(其中H表示水位；b1，b2，b3表示回归系数)进行拟合，通过对比三种关系式的拟合曲线，发现一元二次方程Q＝b1H2+b2H+b3曲线拟合程度最高。
进一步地，电排站控制下的小流域需要安装一个水位计，此水位计安装在水质自动监测站附近或电排站前100-200m范围内的平缓河床底部；水闸控制条件下的小流域，需要安装两个水位计，同时要确保两个水位计在同一底高程水平面上，其中一个水位计固定在闸门底部侧边上，另一个水位计固定在河床上。
进一步地，Q雨根据经验公式：Q雨＝(P*F*C)/1000得出，其中Q雨表示月径流量，m3/月；P为自动气象站统计的月降雨量，mm/月；F为目标流域的集水面积，m2；C为地表径流系数，取值0-1，具体取值需根据流域土地类型选取，具体参见表1。
进一步地，针对电排站控制下的小流域，水位计通过水位数据传感器与管理平台连接；电排站通过电量数据传感器与管理平台连接；水质自动监测站通过数据输入接口与管理平台连接。水位、水质数据持续监测，当电排站开启，有电信号输入时，开始抓取排水时段内水质数据和时段内水位数据，依据Q＝b1H2+b2H+b得到水量变化数据△Q，再依据
在不考虑地下水补充，闸站未调度、未降雨时，水位长时序变化条件下，Q雨和Q排的数值均为零，得到长时段内段内/>
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为定值，随后再根据电排站或水闸调度时段内水位数据变化，得到△Q，再将/>
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得出Q排，再计算污染物通量/>
进一步地，针对水闸控制下的小流域，两个水位计和水闸均通过水位数据传感器与管理平台连接；水质自动监测站通过数据输入接口与管理平台连接，自动气象站通讯模块与管理平台连接。水位、水质数据持续监测，当水闸开启时，两个水位计之间产生水位差信号，开始抓取排水时段内水质数据和时段内水位数据，依据Q＝b1H2+b2H+b得到水量变化数据△Q，再依据△
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进一步地，水位数据传感器、电量数据传感器与数据采集端口连接后经数据输入接口利用局域网与管理平台连接，水质自动监测站可直接通过局域网与管理平台连接，自动气象站通讯模块与管理平台连接，管理平台通过局域网与智能终端连接。
进一步地，所述管理平台包括流量计算器、通量计算器和通讯服务器。
本发明的原理在于：基于河道地形数据得到水位—水量关系式Q＝b1H2+b2H+b3，依据闸控开关及降雨等条件，得到重污染封闭小流域水体水位变化条件下的水量平衡关系
再根据闸站调度时电排站用电量信号或水闸闸门高度差信号，自动抓取该时段内水位、水质数据，通过管理平台计算得到排入受纳水体的污染物通量，并通过局域网与智能终端相连接实现污染物通量的实时、自动和智能化监控；智能终端与管理平台通过局域网连接用以显示结果。
本发明相对于现有技术具有如下优点：
1、本发明中建立的水位—水量关系式拟合度高，并结合水位计长时序水位监测数据得到水量变化趋势，根据水位变化直接读取排水前后水量变化；依据水量平衡关系
可直接计算出流量(Q排)；在不考虑地下水补充，统计分析闸站未调度、未降雨时(Q雨和Q排的数值均为零)长时段内水量数据，可直接得出/>
2、在水质自动监测站建设的基础上，只需依靠水位计长时序水位变化即可获得流量数据，设备安装简单、成本低、易维护，可实现流量长时序观测；利用闸站调度时，电信号和水位差信号获取同时段内的流量(Q排)和水质数据，实现流量—水质数据同步监测，计算出排出受纳水体的污染物通量，实现高频观测；可实现小流域重污染河流污染物通量在线智能控制，实现自动化、实时化、智能化管理。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明的流程图；
图2示出了根据本发明中的水位计安装控制系统结构图；
图3示出了根据本发明建立的电排站控制下的重污染河流水位—水量关系；
图4是基于电排站控制下的重污染河流实测水位数据得出的水位—水量长时序数据图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
如图1所示的一种闸控重污染小流域污染物通量观测方法，该方法包括：
基于河道地形数据得到水位—水量关系式：Q＝b1H2+b2H+b3，其中Q表示水量；H表示水位；b1，b2，b3表示回归系数；
通过收集相关河道地形矢量数据资料，结合河流实际形貌，合理划分成若干河段，每段3-10m，优选3m，(也可采用ADCP和带GPS功能的RTK实测获得河道地形数据)，依据划分后河段长度和河段横断面底高程数据，利用MATLAB软件积分计算不同水位下的横断面面积，再乘以划分后河段长度以得到该段不同水位下的水量，以此得到整条河流不同水位下的水量。在闸站不开启的条件下：利用一元线性方程：Q＝b1H+b2或一元二次方程Q＝b1H2+b2H+b3或幂函数Q＝b1Hb2建立水位水量回归方程(其中H表示水位；b1，b2，b3表示回归系数)进行拟合，通过对比发现，一元二次方程Q＝b1H2+b2H+b3曲线拟合程度最高。
根据闸控开关及降雨条件，得到重污染封闭小流域水体水位变化条件下的水量平衡关系
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为人为排放的日均污水量，单位为万m3/d；Q雨Xk为X月降雨产生的径流在第k天所占的量(剔除未降雨天数)，单位为万m3/d；ΔQXk为X月第k天电排后的水量与电排前的水量差值，单位为万m3/d。
电排站控制下的小流域需要安装一个水位计，此水位计安装在水质自动监测站附近或电排站前100-200m范围内的平缓河床底部；水闸控制条件下的小流域，需要安装两个水位计，同时要确保两个水位计在同一底高程水平面上，其中一个水位计固定在闸门底部侧边上，另一个水位计固定在河床上。
Q雨根据经验公式：Q雨＝(P*F*C)/1000得出，相应得出Q雨Xk其中Q雨表示月径流量，m3/月；P为自动气象站统计的月降雨量，mm/月；F为目标流域的集水面积，m2；C为地表径流系数，取值0-1，具体取值需根据流域土地类型选取，具体参见表1。
如图2所示，针对电排站控制下的小流域，水位计通过水位数据传感器与管理平台连接；电量数据传感器与管理平台连接；水质自动监测站通过数据输入接口与管理平台连接，自动气象站通讯模块与管理平台连接。水位、水质数据持续监测，当电排站开启，有电信号输入时，开始抓取排水时段内水质数据和时段内水位数据，依据Q＝b1H2+b2H+b得到水量变化数据△Q后，在不考虑地下水补充，闸站未调度、未降雨时，水位长时序变化条件下，Q雨、Q排的数值均为零，代入水量平衡关系式：
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得出Q排；根据自动气象站数据依据Q雨＝(P*F*C)/1000得到Q雨Xk，再计算污染物通量/>
如图2所示，针对水闸控制下的小流域，两个水位计和水闸均通过水位数据传感器与管理平台连接；水质自动监测站通过数据输入接口与管理平台连接，自动气象站通讯模块与管理平台连接。水位、水质数据持续监测，当水闸开启时，两个水位计之间产生水位差信号，开始抓取排水时段内水质数据和时段内水位数据，依据Q＝b1H2+b2H+b得到水量变化△Q后，在不考虑地下水补充，闸站未调度、未降雨时，水位长时序变化条件下，Q雨、Q排的数值均为零，代入水量平衡关系式：
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得出Q排；根据自动气象站数据依据Q雨＝(P*F*C)/1000得到Q雨Xk，再计算污染物通量/>
电排站控制下的小流域，水位计与水位数据传感器连接，电排站与电量数据传感器连接，水位数据传感器和电量数据传感器与数据采集端口连接后经数据输入接口利用局域网与管理平台连接。水闸控制下的小流域，两个水位计均与水位数据传感器连接，水位数据传感器与数据采集端口连接后经数据输入接口利用局域网与管理平台连接。水质自动监测站可直接通过局域网与管理平台连接，自动气象站通讯模块与管理平台连接，管理平台通过局域网与智能终端连接。
所述管理平台包括流量计算器、通量计算器和通讯服务器。其中管理平台、水质自动监测站、自动气象站和智能终端之间的组成和连接均可采用现有手段实现。通过此设置后，能够通过电脑或手机直接得到实时的水位变化、各污染物通量等数据。
由图1和图2可知，基于河道地形建立的水位—水量关系式后可直接结合长时序水位数据得出水量数据，再根据闸控河流开关时段内电信号或水位差信号，获取时段内水质数据，通过智能控制收集处理数据后可直接计算出污染物通量值，为进一步验证计算的准确性，利用短时序流量、流速监测数据进行核算，可控制污染物通量估算值和实测值的相对误差在±20％内。
具体实施时：选取华南地区某条已建设水质自动监测站的重污染闸控(电排站)河流为测算目标，此河流为电排站控制排水。首先，收集此河流河道地形数据，建立水位—水量关系式为Q＝0.5455H2+31.57H+63.933，如图3；
然后，在河流电排站及水质自动监测站附近选取合适点位安装水位计，水位通过水位数据传感器接入数据采集仪，在不考虑地下水影响条件下，选取电排未运行及无降雨时段水位长时序变化数据，根据
(其中Q雨和Q排的数值均为零)，得到此河流流域内人为污水排放量为/>
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为此时序内的定值。
考虑降雨产流则利用Q雨＝(P*F*C)/1000得到月径流量，再根据日降水量强度按比例分配，即可得到日降雨产流量，根据本流域内土地类型数据此处C值取值0.588；结合水量变化数据△Q，根据
得出Q排。
实测水位长时序数据得到水位—水量关系如图4(以2019年8月为例)，根据电排站电量信号得到电排站运行情况。
根据电排站运行时段内产生的电信号，抓取电排站运行时段内水质自动监测站水质数据，再根据公式
计算得到污染物日均通量。选取短时间内实测数据计算的通量与估算通量做对比，结果见表2。选取2018年12月、2019年1月期间短期的实测时段，涵盖了降雨和无降雨时期，再根据用电量确定电排调度情况，对比实测污染物通量和以水位长时序观测条件下得到的污染物通量估算值，计算结果见表2，由实测数据计算的污染物日通量与估算的日通量相对误差在-6.74％～-19.83％之间，平均相对误差为-11.62％，可满足精度要求。以2019年8月数据为例，根据长时间序列的水位、降雨量、用电量、自动站水质数据可计算日均污染物通量，可知选取的闸控重污染河流COD、氨氮和总磷等主要污染指标日均通量结果见表3，2019年8月COD月通量为485550.42kg，氨氮月通量为86306.39kg，总磷月通量为15963.27kg。
表1各种土地类型地表径流系数
| 地表类型 | 林地 | 铺砌 | 道路 | 屋面 | 水域 | 绿地 |
| 径流系数 | 0.20 | 0.90 | 0.95 | 0.95 | 1.00 | 0.25 |
表2电排站控制下的重污染河流估算通量与实测通量计算结果
表3电排站控制下的重污染河流长时间序列通量计算结果
实施例2：
本实施例除以下技术特征外同实施例1：
具体实施时：选取华南地区某条已建设水质自动监测站的重污染闸控(水闸)河流为测算目标，此河流为水闸控制排水，且经过河道护岸和河底硬质化，河道断面规整。首先，收集此河流河道地形数据，建立水位—水量关系式Q＝0.3297H2+28.407H+113.08；
根据实测水位数据得到得到水位—水量关系(以2019年12月数据为例)，根据水位差得到水闸开闭情况。
在河流水闸底部和河道底部各安装一部水位计，要求闸门闭合时，两部水位计在同一底高程水平面，当水闸开启期间两部水位计水位数据传感器接入数据采集仪，在不考虑地下水影响条件下，选取水闸未开及无降雨时段水位长时序变化数据，得到此河流流域内人为污水排放量为
考虑降雨产流则利用Q雨＝(P*F*C)/1000得到月径流量，再根据日降水量强度按比例分配，即可得到日降雨产流量，根据本流域内土地类型数据此处C值取值0.65；
根据公式
计算得到污染物日均通量。选取短时间内实测数据计算的通量与估算通量做对比，结果见表5。选取2019年12月期间短期水位的实测时段，涵盖了降雨和无降雨时期，再根据水位差值判断水闸运行情况，对比实测污染物通量和以水位长时序观测条件下得到的污染物通量估算值，由实测数据计算的污染物日通量与估算的日通量相对误差在-11.20％～-15.35％之间，平均相对误差为-13.57％，可满足精度要求。以2019年12月数据为例，根据长时间序列的水位、降雨量和有水位差信号时抓取的自动站水质数据可计算日均污染物通量，计算出水闸控制下的重污染河流COD、氨氮和总磷等主要污染指标日均通量结果见表6，2019年12月COD月通量为76562.21kg，氨氮月通量为883.02kg，总磷月通量为2600.09kg。
表4水闸控制下的重污染河流估算通量与实测通量计算结果
表5水闸控制下的重污染河流长时间序列通量计算结果
上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种闸控重污染小流域污染物通量观测方法，其特征在于：该方法包括，
基于河道地形数据得到水位—水量关系式：Q＝b1H2+b2H+b3，其中Q表示水量；H表示水位；b1，b2，b3表示回归系数；
根据闸控开关及降雨条件，得到重污染封闭小流域水体水位变化条件下的水量平衡关系
其中，△Q表示闸站调度前后水量差；/>
表示流域范围日均内入河污水量；Q雨表示月径流量；Q排表示排入受纳水体的流量；
在不考虑地下水补充，闸站未调度、未降雨时，水位长时序变化条件下，Q雨、Q排的数值均为零，代入水量平衡关系式：
得到入河污水量日均值/>
得到长时序内的入河污水量日均值
后，根据电排站或水闸调度时段内水位数据变化，得到水量变化数据△Q，利用/>
公式，得出Q排；
根据闸站调度时电排站用电量信号或水闸闸门高度差信号获取时段内水质数据，用以计算排入受纳水体的污染物通量，即污染物通量
其中，/>
为出口断面污染物平均日通量，单位为kg/d；X为月份；/>
为X月第k天电排排水期间污染物的浓度均值，单位为mg/L；n为X月的排水天数；/>
为人为排放的日均污水量，单位为万m3/d；Q雨Xk为X月降雨产生的径流在第k天所占的量，单位为万m3/d；ΔQXk为X月第k天电排后的水量与电排前的水量差值，单位为万m3/d。
2.根据权利要求1所述的闸控重污染小流域污染物通量观测方法，其特征在于：水位—流量关系式的建立过程：通过收集相关河道地形矢量数据资料，结合河流实际形貌，合理划分成若干河段，每段3-10m，依据划分后河段长度和河段横断面底高程数据，利用MATLAB软件积分计算不同水位下的横断面面积，再乘以划分后河段长度以得到该段不同水位下的水量，以此得到整条河流不同水位下的水量，利用一元二次方程Q＝b1H2+b2H+b3曲线进行拟合。
3.根据权利要求1所述的闸控重污染小流域污染物通量观测方法，其特征在于：电排站控制下的小流域需要安装一个水位计，此水位计安装在水质自动监测站附近或电排站前100-200m范围内的平缓河床底部；水闸控制条件下的小流域，需要安装两个水位计，同时要确保两个水位计在同一底高程水平面上，其中一个水位计固定在闸门底部侧边上，另一个水位计固定在河床上。
4.根据权利要求1所述的闸控重污染小流域污染物通量观测方法，其特征在于：Q雨根据经验公式：Q雨＝(P*F*C)/1000得出，其中Q雨表示月径流量，m3/月；P为自动气象站统计的月降雨量，mm/月；F为目标流域的集水面积，m2；C为地表径流系数，取值0-1。
5.根据权利要求3所述的闸控重污染小流域污染物通量观测方法，其特征在于：针对电排站控制下的小流域，水位计通过水位数据传感器与管理平台连接；电排站通过电量数据传感器与管理平台连接；水质自动监测站通过数据输入接口与管理平台连接，自动气象站通讯模块与管理平台连接。
6.根据权利要求3所述的闸控重污染小流域污染物通量观测方法，其特征在于：针对水闸控制下的小流域，两个水位计和水闸均通过水位数据传感器与管理平台连接；水质自动监测站通过数据输入接口与管理平台连接，自动气象站通讯模块与管理平台连接。
7.根据权利要求5或6所述的闸控重污染小流域污染物通量观测方法，其特征在于：水位数据传感器、电量数据传感器与数据采集端口连接后经数据输入接口利用局域网与管理平台连接，水质自动监测站可直接通过局域网与管理平台连接，管理平台通过局域网与智能终端连接。
8.根据权利要求5或6所述的闸控重污染小流域污染物通量观测方法，其特征在于：所述管理平台包括流量计算器、通量计算器和通讯服务器。
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