CN113240171A - 河口叶脉状河网干流最优引水流量确定方法 - Google Patents

河口叶脉状河网干流最优引水流量确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种河口叶脉状河网干流最优引水流量确定方法。本发明分四部分，一是调查收集河网平面分布及河流几何特征，确定河网干流加权坡降、加权河宽；二是确定口门断面关键水力要素，包括潮差与最大涨潮和落潮单宽流量关系、口门最大水深、最小水深、最大涨潮流速和最大落潮流速；三是确定干流污染源氨氮最大平均排放浓度和排放流量沿程分布规律及峰值；四是确定干流最优引水冲污流量及相应最大平均氨氮浓度。河口叶脉状河网干流最优引水流量确定方法，给出在潮流与径流复杂博弈条件下，削弱河道污染物氨氮浓度最佳效果的引水流量求解方法，解决了调水引流作为改善平原河网水污染问题最为快捷和经济可行方法中的核心技术难题。

Description

河口叶脉状河网干流最优引水流量确定方法
技术领域
本发明涉及水力学及河流动力学领域，具体的说是河口叶脉状河网干流最优引水流量确定方法。
背景技术
我国地域辽阔，水系发达，河网密布，伴随着社会经济的快速发展和城镇化步伐的加快，河网的污染物治理问题日益突出，据不完全统计，截止2016年，全国295个地级以上城市中有216座城市查出黑臭水体1811个。河网污染物治理问题已成为关系到社会文明、城市发展、人民健康的重大生态课题。控源截污是改善河网水环境的最根本措施，但实施难度大，调水冲污是解决平原河网水污染问题最为快捷和经济可行的技术方法。20世纪60年代，日本东京母亲河隅田川BOD质量浓度曾一度达到40mg/L，成为臭气熏天的黑臭河流，为此，日本从利根川引水50m3/s，经武藏野水路入荒川，最后经新河岸川引入隅田川，1990年隅田川生态需氧量BOD质量浓度下降了90％，收到明显成效。此外，美国密西西比河、德国鲁尔河、俄罗斯莫斯科河引水工程，我国的福州市城区内河引水冲污工程、杭州市钱塘江引水入西湖工程、成都市府南河综合整治工程、上海市苏州河综合调水工程等均利用引水改善河道水动力条件，增加水体复氧量，提高了水体自净能力，对修复水环境起了重要作用。然而，究竟引入多大流量对污染物治理效果最好，这一直是该工程措施的主要技术瓶颈。引入流量太大，不仅浪费宝贵水资源，增加工程投资，而且对防洪和天然河道冲刷造成不利影响，引入流量太小，对水环境的改善效果不明显。通过对河流自然属性、污染物排放沿程分布、潮流特性以及引水流量对水动力条件和污染物运移的影响研究发现，某一引水流量下，污染物浓度能够降到最低，再增加引水流量，并不能继续降低污染物浓度，换言之，调水冲污工程存在一个最优引水流量。
从包括中国专利在内的有关资料检索表明，目前国内外尚无河口叶脉状河网干流最优引水流量确定方法的相关报道。
发明内容
(1)要解决的技术问题
平原地区河网，特别是河口人口密集的城市河网，因大量污水排入河道，且水动力不足，河网流速缓慢，水流流动性差，导致污染物常滞留在河道中无法顺利排出，造成水体黑臭，加上潮流的逆向作用和纵横交错的复杂边界条件，使得水环境治理成为突出的技术难题。本发明要解决的主要技术问题是：根据河网特点、潮径流条件及污染物分布，确定调水冲污的最优流量，以获取河网污染物治理的最佳效果。
(2)技术方案
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：河口叶脉状河网干流最优引水流量确定方法，其特征是：其特征是：河口叶脉状河网最优引水流量确定方法分五部分，一是调查收集河网平面分布及河流几何特征，确定河网干流加权坡降、加权河宽；二是确定口门断面关键水力要素，包括潮差与最大涨潮和落潮单宽流量关系、口门最大水深、最小水深、最大涨潮流速和最大落潮流速；三是确定干流污染源氨氮最大平均排放浓度和排放流量沿程分布规律及峰值；五是确定干流最优引水冲污流量及相应最大平均氨氮浓度。
河网干流加权坡降、加权河宽由下式确定：
干流加权坡降
Figure BDA0003058733360000031
干流加权河宽
Figure BDA0003058733360000032
其中Lms为干流总计算河长，lms(i)为干流第i段河长(m)，rsms(i)为干流第i段坡降(单位：百分之一)，rbms(i)为干流第i段河宽，nms为干流总分段数。
口门断面关键水力要素由以下各式确定口门最大潮差：TRMAXms0＝SLmax-SLmin (3)其中SLmax为口门最高潮位，单位m，SLmin为口门最低潮位，单位m涨潮口门系数：
Figure BDA0003058733360000033
B0为口门净宽，单位m。
口门最大涨潮单宽流量：
Figure BDA0003058733360000034
qrmax单位m3/s·m，g为重力加速度，取9.81m/s2。
口门最大涨潮流量：Qrmax＝qrmax×B0(6)Qrmax单位m3/s。
落潮口门系数：
Figure BDA0003058733360000035
口门最大落潮单宽流量：
Figure BDA0003058733360000041
qemax单位m3/s·m。
口门最大落潮流量：Qemax＝qemax×B0(9)
Qemax单位m3/s。
口门最大水深：
Hmax0＝SLmax-SLb0 (10)
其中SLb0为口门河床平均底高程，单位m。
口门最小水深：
Hmin0＝SLmin-SLb0 (11)
口门最大涨潮流速：
Figure BDA0003058733360000042
vrmax单位m/s。
口门最大落潮流速：
Figure BDA0003058733360000043
vemax单位m/s。
潮区界断面涨潮最大水深：
Hmax1＝η×[SLmax-(SLb0+LTRMAXms×RSms)] (14)
LTRMAXms为干流潮区界距干流口门距离m，η为沿程阻力系数，取0.6532。
干流污染源氨氮最大平均排放浓度沿程分布方程：
Canms＝Ams1×Li 3+Ams2×Li 2+Ams3×Li+Ams4 (15)
式中Li为干流各污染源距口门距离，单位m。系数Ams1、Ams2、Ams3、Ams4通过原型观测取得的污染物排放分布实测值，经一元三次方程回归分析确定。
干流污染源氨氮最大平均排放浓度出现的位置：
Figure BDA0003058733360000051
干流污染源氨氮最大平均排放浓度：
CMAXanms＝Ams1×LMAXCms 3+Ams2×LMAXCms 2+Ams3×LMAXCms+Ams4 (17)
干流污染源氨氮排放流量沿程分布方程：
Qanms＝Bms1×Li 3+Bms2×Li 2+Bms3×Li+Bms4 (18)
式中Li为干流各污染源距口门距离，单位m。系数Bms1、Bms2、Bms3、Bms4通过原型观测取得的污染物排放流量分布实测值，经一元三次方程回归分析确定。
干流污染源氨氮沿程最大排放流量出现的位置：
Figure BDA0003058733360000052
干流污染源氨氮沿程最大排放流量：
QMAXanms＝Bms1×LMAXQms 3+Bms2×LMAXQms 2+Bms3×LMAXQms+Bms4 (20)
最优引水冲污流量由下式确定
Figure BDA0003058733360000053
其中系数C1optimum由下式确定
Figure BDA0003058733360000054
λ为潮力与污染物相互作用影响因子，取0.1756
系数C2optimum由下式确定：
Figure BDA0003058733360000061
其中C3optimum为径流等于0时，干流氨氮最大平均浓度，初设时可取枯季干流氨氮最大平均浓度，
Figure BDA0003058733360000062
为河流特性与污染物相互作用影响因子，取92.271。
最优引水流量下干流氨氮最大平均浓度：
ANCmax＝C1optimum×Qad 2+C2optimum×Qad+C3optimum (24)
以上公式适用条件：河流天然坡降0～1.25‰，河宽6～52.9m，潮差2.3～3.0m。
(3)本发明的有益效果
河网水体黑臭和富营养化所造成的严重污染，不仅影响社会文明进步和生态环境，而且降低生活质量，甚至直接威胁人民身体健康，阻碍社会经济环境高质量发展。对河网水体进行治理修复，是社会经济发展、城市景观品质和生态环境建设的迫切需要。引进外部清洁水源来改善河道水质，是一种投资少、成本低、见效快的处理工程。调水冲污结合河网和潮流的自然流动规律和污染源沿程分布排放特点，提出最优引水流量，可创造河网优势水动力条件，激发水体运动能力，加快污染物运移，保证水体上下水层之间的持续频繁交流，强化河流自净能力，对安全生态水系建设和健康河流具有重要意义。
附图说明
以下结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。
图1是本发明河道平面布置图
图中干流南大塘排涝渠1，支流后山溪2，支流古溪溪3，支流后岗溪4
具体实施方式
实施例1：
第一步：调查收集河网平面分布及河流几何特征，确定河网干流加权坡降、加权河宽
根据干流南大塘排涝渠25个实测断面河流几何特征，见表1。
表1干流南大塘排涝渠实测河流几何特征
序号 断面名称 断面桩号 平均河宽 河床平均底高程
1 ndt1 0-303 16 -1.07
2 干4源 0-219.38 46.4 -1.04
3 ndt2 0-137 68.1 -1.17
4 ndt3 0+000 27.7 -1.04
5 ndt4 0+368 27.9 -0.86
6 ndt5 0+639 18.2 -0.76
7 干3源 0+660.67 18 -0.77
8 ndt6 0+849 18 -0.68
9 ndt7 1+284 16 -0.55
10 ndt8 1+574 16 -0.51
11 干2源 1+664.69 16 -0.51
12 ndt9 1+819 16 -0.49
13 ndt10 2+155 16 -0.46
14 ndt11 2+346 14 -0.43
15 干1源 2+608.24 14 -0.19
16 ndt12 2+686 14 -0.1
17 ndt13 3+018 14 0.21
18 ndt14 3+058 6 0.26
19 ndt15 3+190 6 0.32
20 ndt16 3+305 6 0.45
21 ndt17 3+436.5 6 0.55
22 ndt18 3+565 6 0.66
23 支1源 3+673.37 6 0.74
24 ndt19 3+690 6 0.75
25 ndt20 3+798 6 0.85
根据(1)式计算干流南大塘排涝渠加权坡降RSms＝0.046818，根据(2)式计算干流加权河宽RBms＝17.701m。
第二步：确定口门断面关键水力要素
根据式(3)式计算口门最大潮位差
TRMAXms0＝SLmax-SLmin＝2.877-(-0.118)＝2.995(m)
根据(4)式计算涨潮口门系数
Figure BDA0003058733360000081
根据(5)式计算口门最大涨潮单宽流量：
Figure BDA0003058733360000082
根据(6)式计算口门最大涨潮流量：
Qrmax＝qrmax×B0＝4.432×11.2＝49.638(m3/s)
根据(7)式计算落潮口门系数：
Figure BDA0003058733360000083
根据(8)式计算口门最大落潮单宽流量：
Figure BDA0003058733360000084
根据(9)式计算口门最大落潮流量：
Qemax＝qemax×B0＝2.411×11.2＝27.003(m3/s)
根据(10)式计算口门最大水深为
Hmax0＝SLmax-SLb0＝2.877-(-1.07)＝3.947(m)
根据(11)式计算口门最小水深为
Hmin0＝SLmin-SLb0＝-0.118-(-1.07)＝0.952(m)
根据(12)式计算口门最大涨潮流速
Figure BDA0003058733360000091
根据(13)式计算口门最大落潮流速
Figure BDA0003058733360000092
根据(14)式计算潮区界断面涨潮最大水深
Hmax1＝η×[SLmax-(SLb0+LTRMAXms×RSms)]
＝0.6532×[2.877-(-1.07+5691×0.046818/100)]
＝0.6532×[2.877-1.594]＝0.6532×1.283＝0.838(m)
根据原型观测资料表2中技术数据，通过一元三次方程回归分析，确定式(15)中干流污染源氨氮最大平均排放浓度方程各系数，即Ams1
＝2.5448，Ams2＝-17.159，Ams3＝30.119，Ams4＝20.337
表2干流南大塘排涝渠沿程污染源排放浓度分布
断面桩号 排放浓度(mg/l) 污染源距始点距离(km) 排放浓度沿程密度(mg/l·km)
0-219.38 20 3.89275 27.22295875
0+660.67 20 3.01225 26.5582206
1+664.69 20 2.00868 29.87036263
2+608.24 20 1.06513 37.55410138
3+673.37 20 0 20
得到干流南大塘排涝渠污染源氨氮最大平均排放浓度沿程变化规律如下：
Canms＝Ams1×Li 3+Ams2×Li 2+Ams3×Li+Ams4
＝2.5448×Li 3-17.159×Li 2+30.119×Li+20.337
根据式(16)确定干流南大塘排涝渠污染源氨氮最大平均排放出现位置为
Figure BDA0003058733360000101
CMAXanms＝Ams1×Lms 3+Ams2×Lms 2+Ams3×Lms+Ams4
＝2.5448×LMAXCms 3-17.159×LMAXCms 2+30.119×LMAXCms+20.337
＝2.5448×1.1963-17.159×1.1962+30.119×1.196+20.337＝36.168(mg/l·km)
干流峰值位于上游首个污染源排放点下游1.196km处，即距口门2.792km，干流污染源最大排放密度CMAXanms＝36.168mg/l·km。
根据原型观测资料表3中技术数据，通过一元三次方程回归分析，确定式(17)中干流污染源氨氮排放流量方程各系数，
表3干流南大塘排涝渠沿程氨氮最大平均浓度污染源排放流量分布
断面桩号 排放流量(m<sup>3</sup>/s) 污染源距始点距离(km) 排放流量沿程密度(m<sup>3</sup>/s·km)
0-219.38 0.05 3.89275 0.068057397
0+660.67 0.05 3.01225 0.066395551
1+664.69 0.05 2.00868 0.074675907
2+608.24 0.05 1.06513 0.093885253
3+673.37 0.05 0 0.05
即Bms1＝0.0064，Bms2＝-0.0429，Bms3＝0.0753，Bms4＝0.0508，得到干流南大塘排涝渠污染源氨氮沿程排放最大流量变化规律如下：
Qanms＝0.0064×Li 3-0.0429×Li 2+0.0753×Li+0.0508
干流南大塘排涝渠污染源氨氮沿程排放最大流量峰值位置：
Figure BDA0003058733360000102
氨氮沿程排放最大流量：
QMAXanms＝Bms1×LMAXQms 3+Bms2×LMAXQms 2+Bms3×LMAXQms+Bms4
＝0.0064×1.23-0.0429×1.22+0.0753×1.2+0.0508
＝0.09044(m3/s·km)
系数C1optimum：
Figure BDA0003058733360000111
已知枯季干流南大塘排涝渠最大平均氨氮浓度C3optimum为19.059(mg/l)
系数C2optimum：
Figure BDA0003058733360000112
干流最优引水冲污流量关系由下式确定：
Figure BDA0003058733360000113
则在最优引水流量条件下，干流南大塘排涝渠相应最大平均氨氮浓度
ANCmax＝C1optimum×Qoptimum 2+C2optimum×Qoptimum+C3optimum
＝3.102×2.3732-14.725×2.373+19.059＝1.584(mg/l)
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (5)

1.一种河口叶脉状河网干流最优引水流量确定方法。其特征是：河口叶脉状河网干流最优引水流量确定方法分四部分，一是调查收集河网平面分布及河流几何特征，确定河网干流加权坡降、加权河宽；二是确定口门断面关键水力要素，包括潮差与最大涨潮和落潮单宽流量关系、口门最大水深、最小水深、最大涨潮流速和最大落潮流速；三是确定干流污染源氨氮最大平均排放浓度和排放流量沿程分布规律及峰值；四是确定干流最优引水冲污流量及相应最大平均氨氮浓度。
2.根据权利要求1所述的河口叶脉状河网干流最优引水流量确定方法，其特征是：河网干流加权坡降、加权河宽由下式确定
干流加权坡降
Figure FDA0003058733350000011
干流加权河宽
Figure FDA0003058733350000012
其中Lms为干流总计算河长，lms(i)为干流第i段河长(m)，rsms(i)为干流第i段坡降(单位：百分之一)，rbms(i)为干流第i段河宽，nms为干流总分段数。
3.根据权利要求1所述的河口叶脉状河网干流最优引水流量确定方法，其特征是：口门断面关键水力要素由以下各式确定
口门最大潮差：TRMAXms0＝SLmax-SLmin (3)
其中SLmax为口门最高潮位，单位m，SLmin为口门最低潮位，单位m。涨潮口门系数：
Figure FDA0003058733350000021
B0为口门净宽，单位m。
口门最大涨潮单宽流量：
Figure FDA0003058733350000022
qrmax单位m3/s·m，g为重力加速度，取9.81m/s2。
口门最大涨潮流量：Qrmax＝qrmax×B0(6)Qrmax单位m3/s。
落潮口门系数：
Figure FDA0003058733350000023
口门最大落潮单宽流量：
Figure FDA0003058733350000024
qemax单位m3/s·m。
口门最大落潮流量：Qemax＝qemax×B0 (9)
Qemax单位m3/s。
口门最大水深：
Hmax0＝SLmax-SLb0 (10)
其中SLb0为口门河床平均底高程，单位m。
口门最小水深：
Hmin0＝SLmin-SLb0 (11)
口门最大涨潮流速：
Figure FDA0003058733350000025
vrmax单位m/s。
口门最大落潮流速：
Figure FDA0003058733350000031
vemax单位m/s。
潮区界断面涨潮最大水深：
Hmax1＝η×[SLmax-(SLb0+LTRMAXms×RSms)] (14)
LTRMAXms为干流潮区界距干流口门距离m，η为沿程阻力系数，取0.6532。
4.根据权利要求1所述的河口叶脉状河网干流最优引水流量确定方法，其特征是：干流污染源氨氮最大平均排放浓度和排放流量沿程分布规律及峰值位置由以下各式确定
干流污染源氨氮最大平均排放浓度沿程分布方程：
Canms＝Ams1×Li 3+Ams2×Li 2+Ams3×Li+Ams4 (15)
式中Li为干流各污染源距口门距离，单位m。系数Ams1、Ams2、Ams3、Ams4通过原型观测取得的污染物排放分布实测值，经一元三次方程回归分析确定。
干流污染源氨氮最大平均排放浓度出现的位置：
Figure FDA0003058733350000032
干流污染源氨氮最大平均排放浓度：
CMAXanms＝Ams1×LMAXCms 3+Ams2×LMAXCms 2+Ams3×LMAXCms+Ams4 (17)
干流污染源氨氮排放流量沿程分布方程：
Qanms＝Bms1×Li 3+Bms2×Li 2+Bms3×Li+Bms4 (18)
式中Li为干流各污染源距口门距离，单位m。系数Bms1、Bms2、Bms3、Bms4通过原型观测取得的污染物排放流量分布实测值，经一元三次方程回归分析确定。
干流污染源氨氮沿程最大排放流量出现的位置：
Figure FDA0003058733350000041
干流污染源氨氮沿程最大排放流量：
QMAXanms＝Bms1×LMAXQms 3+Bms2×LMAXQms 2+Bms3×LMAXQms+Bms4 (20)。
5.根据权利要求1所述的河口叶脉状河网干流最优引水流量确定方法，其特征是：最优引水冲污流量由下式确定
Figure FDA0003058733350000042
其中系数C1optimum由下式确定：
Figure FDA0003058733350000043
λ为潮力与污染物相互作用影响因子，取0.1756
系数C2optimum由下式确定：
Figure FDA0003058733350000044
其中C3optimum为径流等于0时，干流氨氮最大平均浓度，初设时可取枯季干流氨氮最大平均浓度，
Figure FDA0003058733350000045
为河流特性与污染物相互作用影响因子，取92.271。
最优引水流量下干流氨氮最大平均浓度
ANCmax＝C1optimum×Qad 2+C2optimum×Qad+C3optimum (24)
以上公式适用条件：河流天然坡降0～1.25‰，河宽6～52.9m，潮差2.3～3.0m。
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