CN113420512B - 一种计算跨界河流水功能区水质达标率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计算跨界河流水功能区水质达标率的方法，包括S1、计算上游入境来水的超标水质浓度；S2、根据收集的跨界河流的河道大断面和水文水质实测数据，构建跨界河流水质数学模型，对河道糙率和污染物综合降解系数进行率定；S3、基于跨界河流水质数学模型，模拟上游超标水质浓度在下游水功能区控制断面产生的浓度；S4、计算扣除上游超标水质影响后的下游水功能区控制断面浓度；S5、基于下游水功能区控制断面的目标水质浓度，评价下游水功能区是否达标；S6、根据逐月水质是否达标评价结果，采用频次法计算下游水功能区水质达标率。

Description

一种计算跨界河流水功能区水质达标率的方法

技术领域

本发明属于水质达标检测的技术领域，具体涉及一种计算跨界河流水功能区水质达标率的方法。

背景技术

水功能区限制纳污红线是最严格水资源管理制度的三条红线之一，为水功能区监督管理提供了有力抓手，为河流湖库水环境改善提供了有力支撑。水功能区限制纳污红线的核心内容为考核水功能区水质达标率，其计算方法为首先将水功能区某月实测水质浓度和目标水质浓度进行对比，以判断该月水质是否达标，最后用达标的月份数量除以评价的月份总数即为水功能区水质达标率。

不同于一般的江河湖泊，跨界河流由于涉及上下游多个行政区域，其下游水功能区水质浓度除了受到下游行政区域内污染负荷输入的影响，还受到上游入境来水水质的显著影响。若跨界河流采用上述水功能区水质达标率计算方法则存在明显不合理之处。当上游入境来水水质浓度超过跨界河流省界水质断面控制目标时，若在分析下游水功能区某月水质是否达标时仍采用实测水质浓度，则掩盖了上游水质超标对下游水功能区水质造成的影响，无法合理计算下游水功能区水质达标率，夸大了下游行政区域对下游水功能区水污染的责任。

我国跨界河流众多，当前的跨界河流水功能区水质达标率计算存在明显不足，亟需提出可剔除上游入境来水影响的跨界河流水功能区水质达标率计算方法，为跨界河流水功能区限制纳污红线考核、生态补偿协议制定等水资源保护工作提供科学支撑。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种计算跨界河流水功能区水质达标率的方法，以解决或改善上述的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种计算跨界河流水功能区水质达标率的方法，其包括以下步骤：

S1、计算上游入境来水的超标水质浓度；

S2、根据收集的跨界河流的河道大断面和水文水质实测数据，构建跨界河流水质数学模型，对河道糙率和污染物综合降解系数进行率定；

S3、基于跨界河流水质数学模型，模拟上游超标水质浓度在下游水功能区控制断面产生的浓度；

S4、计算扣除上游超标水质影响后的下游水功能区控制断面浓度；

S5、基于下游水功能区控制断面的目标水质浓度，评价下游水功能区是否达标；

S6、根据逐月水质是否达标评价结果，采用频次法计算下游水功能区水质达标率。

进一步地，S1中计算上游入境来水的超标水质浓度，包括：

C_{上游超标水质}＝C_{上游实测水质}-C_{上游目标水质}

其中，C_{上游超标水质}为上游入境来水的超标水质浓度；C_{上游实测水质}为上游入境来水的实测浓度，C_{上游目标水质}为省界断面水质目标浓度。

进一步地，S2中构建跨界河流水质数学模型，包括：

S2.1、构建跨界河流一维水质模型控制方程组；

其中，A为河流过水断面面积，Q为过水断面流量，q_l为侧向入流，V为过水断面流速，g为重力加速度，z为水位，R为水力半径，n为河道糙率，C为污染物浓度，D为扩散系数，k为污染物综合降解系数，t为时间，x为横坐标。

S2.2、设定方程组的边界条件，包括河流上游断面的流量和水质数据以及下游断面的水位数据；

S2.3、设定方程组的初始条件，包括河流的初始流量和初始水质浓度；

S2.4、根据跨界河流水质数学模型的模拟值和实测值的数据拟合情况，率定模型关键参数，包括河道糙率、污染物综合降解系数。

进一步地，S3中基于跨界河流水质数学模型，模拟上游超标水质浓度在下游水功能区控制断面产生的浓度，包括：

基于跨界河流水质数学模型，以上游超标水质浓度为跨界河流水质数学模型的上边界浓度，假定下游污染负荷为零，模拟计算下游水功能区控制断面处的浓度，浓度即为上游超标水质浓度在下游水功能区控制断面产生的浓度。

进一步地，S4中计算扣除上游超标水质影响后的下游水功能区控制断面浓度，包括：

下游水功能区控制断面的实测水质浓度减去上游超标水质浓度在下游水功能区控制断面产生的浓度，即为扣除上游超标水质影响后的下游水功能区控制断面浓度：

C_{扣除上游影响后的下游浓度}＝C_{下游实测水质浓度}-C_{上游超标水质产生的浓度}

其中，C_{扣除上游影响后的下游浓度}为扣除上游超标水质影响后的下游水功能区控制断面浓度；C_{下游实测水质浓度}为下游水功能区控制断面的实测水质浓度；C_{上游超标水质产生的浓度}为上游超标水质浓度在下游水功能区控制断面产生的浓度。

进一步地，S5中评价下游水功能区是否达标，包括：

若某月C_{扣除上游影响后的下游浓度}≤C_{下游目标水质浓度}，则对应的某月水功能区水质达标，其中，C_{下游目标水质浓度}为下游水功能区控制断面的目标水质浓度；

若某月C_{扣除上游影响后的下游浓度}＞C_{下游目标水质浓度}，则对应的某月水功能区水质不达标。

进一步地，S6中根据逐月水质是否达标评价结果，采用频次法计算下游水功能区水质达标率，包括：

其中，FD为下游水功能区水质达标率，FG为水质达标月份个数，FN为评价月份总数。

本发明提供的计算跨界河流水功能区水质达标率的方法，具有以下有益效果：

本发明建立一维跨界河流水质数学模型，识别上游入境来水对下游水功能区水质的影响，提出跨界河流水功能区水质达标率计算方法，为跨界河流水功能区监督监管提供了有力技术支撑。

本发明可修正跨界河流水功能区水质达标率考核，采用本发明提出的水功能区水质达标率计算方法，可对目前的跨界河流水功能区水质达标率考核进行修正。

本发明可为生态补偿协议制定提供定量化依据，可有效区分上下游行政区域对下游水功能区水质污染所应承担的责任，可为跨界河流生态补偿协议制定提出定量化的支撑依据。

附图说明

图1为计算跨界河流水功能区水质达标率的方法的流程图。

图2为计算跨界河流水功能区水质达标率的招苏台河昌图县境内水功能区划示意图。

图3为计算跨界河流水功能区水质达标率的方法的各控制断面COD浓度模拟值与实测值对比。

图4为计算跨界河流水功能区水质达标率的方法的各控制断面NH₃-N浓度模拟值与实测值对比。

图5为计算跨界河流水功能区水质达标率的方法的上游入境来水的COD超标水质浓度。

图6为计算跨界河流水功能区水质达标率的方法的上游入境来水的NH₃-N超标水质浓度。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

根据本申请的第一个实施例，参考图1，本方案的计算跨界河流水功能区水质达标率的方法，包括步骤：

S1、计算上游入境来水的超标水质浓度；

S2、根据收集的跨界河流的河道大断面和水文水质实测数据，构建跨界河流水质数学模型，对河道糙率和污染物综合降解系数进行率定；

S3、基于跨界河流水质数学模型，模拟上游超标水质浓度在下游水功能区控制断面产生的浓度；

S4、计算扣除上游超标水质影响后的下游水功能区控制断面浓度；

S5、基于下游水功能区控制断面的目标水质浓度，评价下游水功能区是否达标；

S6、根据逐月水质是否达标评价结果，采用频次法计算下游水功能区水质达标率。

本实施例提出了基于水质数学模型的跨界河流水功能区水质达标率计算方法，扣除了上游入境来水对下游水功能区水质浓度的影响，弥补了常规计算方法的不足，可为跨界河流水功能区纳污红线考核和水资源保护等工作提供科学支撑。

根据本申请的第二个实施例，本实施例将对第一个实施例的步骤进行详细描述，具体包括：

S1、计算上游入境来水的超标水质浓度；上游入境来水的实测浓度减去省界断面水质目标浓度，即为上游入境来水的超标水质浓度：

C_{上游超标水质}＝C_{上游实测水质}-C_{上游目标水质} (1)

其中，C_{上游超标水质}为上游入境来水的超标水质浓度，mg/L；C_{上游实测水质}为上游入境来水的实测浓度，mg/L；C_{上游目标水质}为省界断面水质目标浓度。

S2、构建跨界河流水质数学模型。

收集跨界河流的河道大断面以及水文水质等实测数据，构建跨界河流水质数学模型，对河道糙率和污染物综合降解系数进行率定。

其中，模型构建具体包括：

S2.1、构建跨界河流一维水质模型控制方程组；

其中，A为河流过水断面面积，Q为过水断面流量，q_l为侧向入流，V为过水断面流速，g为重力加速度，z为水位，R为水力半径，n为河道糙率，C为污染物浓度，D为扩散系数，k为污染物综合降解系数，t为时间，x为横坐标。

S2.2、设定方程组的边界条件，包括河流上游断面的流量和水质数据以及下游断面的水位数据；

S2.3、设定方程组的初始条件，包括河流的初始流量和初始水质浓度；

S2.4、根据跨界河流水质数学模型的模拟值和实测值的数据拟合情况，率定模型关键参数，包括河道糙率、污染物综合降解系数。

S3、模拟上游超标水质浓度在下游水功能区控制断面产生的浓度。

采用构建的跨界河流水质数学模型，以上游超标水质浓度为模型上边界浓度，假定下游污染负荷为零，模拟计算下游水功能区控制断面处的浓度，该浓度即为上游超标水质浓度在下游水功能区控制断面产生的浓度。

S4、计算扣除上游超标水质影响后的下游水功能区控制断面浓度。

下游水功能区控制断面的实测水质浓度减去上游超标水质浓度在下游水功能区控制断面产生的浓度，即为扣除上游超标水质影响后的下游水功能区控制断面浓度：

C_{扣除上游影响后的下游浓度}＝C_{下游实测水质浓度}-C_{上游超标水质产生的浓度} (3)

其中，C_{扣除上游影响后的下游浓度}为扣除上游超标水质影响后的下游水功能区控制断面浓度，mg/L；C_{下游实测水质浓度}为下游水功能区控制断面的实测水质浓度，mg/L；C_{上游超标水质产生的浓度}为上游超标水质浓度在下游水功能区控制断面产生的浓度，mg/L。

S5、评价下游水功能区是否达标，采用C_{扣除上游影响后的下游浓度}评价下游水功能区是否达标：

若C_{扣除上游影响后的下游浓度}≤C_{下游目标水质浓度}，则水功能区水质达标 (4)

若C_{扣除上游影响后的下游浓度}>C_{下游目标水质浓度}，则水功能区水质不达标

即若某月C_{扣除上游影响后的下游浓度}≤C_{下游目标水质浓度}，则该月水功能区水质达标，其中，C_{下游目标水质浓度}为下游水功能区控制断面的目标水质浓度；

若某月C_{扣除上游影响后的下游浓度}＞C_{下游目标水质浓度}，则该月水功能区水质不达标。

S6、计算下游水功能区水质达标率，根据逐月水质是否达标评价结果，采用频次法计算下游水功能区水质达标率：

其中，FD表示下游水功能区水质达标率，FG表示水质达标月份个数，FN表示评价月份总数。

本发明若上游入境来水水质浓度满足省界断面水质控制目标，则评价下游水功能区控制断面是否达标时可直接采用控制断面的实测水质浓度。反之，则应扣除上游水质超标部分对下游水功能区水质造成的影响，而如何定量化计算此影响是跨界河流水功能区水质达标率计算方法的核心。水质数学模型作为水体污染物输移扩散过程的数学化表达，可定量模拟污染物在河道中的浓度变化过程。

根据本申请的第三个实施例，本实施例基于招苏台河案例，验证本发明的准确性和适用性。

招苏台河是辽河的主要支流之一，是吉林省和辽宁省之间的跨省界河流。招苏台河发源于吉林省四平市，招苏台河干流及其支流条子河由四平市流入辽宁省昌图县，最后在昌图县通江口镇汇入辽河干流。昭苏台河干线总长213km，流域面积4583km²,昌图县境内干线长度为158km，流域面积为3004km²。招苏台河流域年均降雨量为601mm,年均气温为7.3℃。

参考图2和表1，招苏台河昌图县境内有一级水功能区4个，分别为招苏台河吉辽缓冲区、招苏台河昌图开发利用区、条子河昌图开发利用区，其中招苏台河昌图开发利用区有招苏台河黑岗农业用水区和招苏台河黄酒馆农业用水区两个二级水功能区，条子河昌图开发利用区的二级水功能区为条子河林家农业用水区。

表1招苏台河水功能区划情况

构建招苏台河的跨界河流水质数学模型

为准确刻画招苏台河污染物迁移转化过程，识别上游超标水质浓度在下游水功能区控制断面产生的浓度，本发明构建基于HEC-RAS模型的招苏台河水质数学模型。HEC-RAS是一款主要用于河流一维恒定流和非恒定流模拟的水动力与水质模拟软件，已成功应用于国内外很多河流的水动力和水质模拟研究。

(1)边界条件和污染源概化。

模型的上边界位置为招苏台河干流和支流条子河进入昌图县时的省界断面，分别为张家桥断面和东义和屯断面，上边界条件为省界断面的逐日流量和逐月水质实测数据。模型的下边界位置为招苏台河入辽河干流断面，下边界条件为断面处的逐日实测水位数据。根据招苏台河昌图县境内的入河排污口和支流等污染负荷数据，将污染负荷概化为6个入河位置，这些位置的边界条件为实测流量和水质数据。

(2)水质模拟指标选取。水功能区水质双因子考核时的水质指标为COD和NH₃-N，因此选取COD和NH₃-N作为水质模型模拟指标。

(3)模型参数率定。根据实测数据情况，选取2017年1月-12月作为模型的率定期。需率定的参数主要有河道糙率和污染物综合降解系数。率定的断面为各个水功能区控制断面，即老曲家店、七家子、大四家子、林家、陈家屯。通过对比河道水位的模拟值和实测值，最终确定河道主槽的糙率为0.027，河道滩地的糙率为0.018。根据控制断面水质实测浓度和模拟浓度对比情况，最终确定COD和NH₃-N的综合降解系数分别为0.17d^-1和0.13d^-1。

各控制断面在模型率定期内COD、NH₃-N模拟值与实测值对比情况见图3和图4。从图可知，招苏台河水质数学模型的COD、NH₃-N模拟值与实测值拟合良好，模型准确反映了COD和NH₃-N在河流中的迁移转化过程。

招苏台河水功能区水质达标率计算

(1)上游入境来水的超标水质浓度。

招苏台河入境省界断面张家桥、支流条子河入境省界断面东义和屯的水质目标均为Ⅳ类，取Ⅳ类水质的上限值作为水质目标浓度。根据第二个实施例中的式(1)计算2017年上游入境来水的超标水质浓度，结果见图5和图6。由图可知，条子河的东义和屯断面NH₃-N浓度全年12个月均超标，COD浓度大部分月份也存在超标；招苏台河干流的张家桥断面COD和NH₃-N分别有4个月和6个月超标。招苏台河干流和条子河入境水质均存在超标现象，其中条子河NH₃-N超标现象最为严重。

(2)上游超标水质产生的浓度和扣除上游影响后的水质浓度。采用构建的招苏台河水质数学模型，以图5和图6中的上游超标水质浓度为模型上边界浓度，并且假定下游污染负荷为零，模拟计算上游超标水质浓度在下游水功能区控制断面产生的浓度，然后按照式(2)计算扣除上游超标水质影响后的下游水功能区控制断面浓度。以1月份为例，结果见表2。

表2招苏台河2017年1月份各控制断面浓度

(3)水功能区水质达标率。按照式(3)评价控制断面是否达标，然后按照式(4)计算各水功能区的年度水质达标率，结果见表3。由表可知，采用本方法计算得到2017年招苏台河吉辽缓冲区、招苏台河黑岗农业用水区、招苏台河黄酒馆农业用水区、条子河吉辽缓冲区和条子河林家农业用水区的水质达标率分别为100.0％、33.3％、33.3％、100.0％、91.7％，而常规计算方法得到的水质达标率分别为50.0％、33.3％、33.3％、0.0％、8.3％。与常规计算方法相比，本发明提出的计算方法在剔除上游入境来水对下游水功能区水质浓度的影响后，计算得到的招苏台河吉辽缓冲区、条子河吉辽缓冲区、条子河林家农业用水区的达标率有所提高。

表3不同计算方法下的招苏台河2017年水功能区水质达标率对比

本发明建立了基于水质数学模型的跨界河流水功能区水质达标率计算方法，以招苏台河为典型案例计算了其水功能区水质达标率，可得：

(1)基于水质数学模型的跨界河流水功能区水质达标率计算方法。该方法包括计算上游入境来水的超标水质浓度、构建跨界河流水质数学模型、模拟上游超标水质浓度在下游水功能区控制断面产生的浓度、计算扣除上游超标水质影响后的下游水功能区控制断面浓度、评价下游水功能区是否达标、计算下游水功能区水质达标率等5个关键步骤。该方法有效扣除了上游入境超标水质对下游水功能区水质浓度的影响，合理计算了下游水功能区水质达标率。

(2)招苏台河水功能区水质达标率计算。采用本发明提出的达标率计算方法，计算了招苏台河2017年招苏台河吉辽缓冲区、招苏台河黑岗农业用水区、招苏台河黄酒馆农业用水区、条子河吉辽缓冲区和条子河林家农业用水区等5个水功能区的水质达标率，分别为100.0％、33.3％、33.3％、100.0％、91.7％，高于常规计算方法得到的50.0％、33.3％、33.3％、0.0％、8.3％。本方法剔除了上游吉林省入境超标水质对下游辽宁省水功能区水质达标率的影响，可为两省关于招苏台河开展生态补偿、联防联治等水资源保护工作提供科学支撑。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (5)

1.一种计算跨界河流水功能区水质达标率的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、计算上游入境来水的超标水质浓度；

S2、根据收集的跨界河流的河道大断面和水文水质实测数据，构建跨界河流水质数学模型，对河道糙率和污染物综合降解系数进行率定；

S3、基于跨界河流水质数学模型，模拟上游超标水质浓度在下游水功能区控制断面产生的浓度；

S4、计算扣除上游超标水质影响后的下游水功能区控制断面浓度；

S5、基于下游水功能区控制断面的目标水质浓度，评价下游水功能区是否达标；

S6、根据逐月水质是否达标评价结果，采用频次法计算下游水功能区水质达标率；

S1中计算上游入境来水的超标水质浓度，包括：

C_{上游超标水质}＝C_{上游实测水质}-C_{上游目标水质}

其中，C_{上游超标水质}为上游入境来水的超标水质浓度；C_{上游实测水质}为上游入境来水的实测浓度，C_{上游目标水质}为省界断面水质目标浓度；

所述S2中构建跨界河流水质数学模型，包括：

S2.1、构建跨界河流一维水质模型控制方程组；

其中，A为河流过水断面面积，Q为过水断面流量，q_l为侧向入流，V为过水断面流速，g为重力加速度，z为水位，R为水力半径，n为河道糙率，C为污染物浓度，D为扩散系数，k为污染物综合降解系数，t为时间，x为横坐标；

S2.2、设定方程组的边界条件，包括河流上游断面的流量和水质数据以及下游断面的水位数据；

S2.3、设定方程组的初始条件，包括河流的初始流量和初始水质浓度；

S2.4、根据跨界河流水质数学模型的模拟值和实测值的数据拟合情况，率定模型关键参数，包括河道糙率、污染物综合降解系数。

2.根据权利要求1所述的计算跨界河流水功能区水质达标率的方法，其特征在于，所述S3中基于跨界河流水质数学模型，模拟上游超标水质浓度在下游水功能区控制断面产生的浓度，包括：

基于跨界河流水质数学模型，以上游超标水质浓度为跨界河流水质数学模型的上边界浓度，假定下游污染负荷为零，模拟计算下游水功能区控制断面处的浓度，浓度即为上游超标水质浓度在下游水功能区控制断面产生的浓度。

3.根据权利要求1所述的计算跨界河流水功能区水质达标率的方法，其特征在于，所述S4中计算扣除上游超标水质影响后的下游水功能区控制断面浓度，包括：

下游水功能区控制断面的实测水质浓度减去上游超标水质浓度在下游水功能区控制断面产生的浓度，即为扣除上游超标水质影响后的下游水功能区控制断面浓度：

C_{扣除上游影响后的下游浓度}＝C_{下游实测水质浓度}-C_{上游超标水质产生的浓度}

其中，C_{扣除上游影响后的下游浓度}为扣除上游超标水质影响后的下游水功能区控制断面浓度；C_{下游实测水质浓度}为下游水功能区控制断面的实测水质浓度；C_{上游超标水质产生的浓度}为上游超标水质浓度在下游水功能区控制断面产生的浓度。

4.根据权利要求3所述的计算跨界河流水功能区水质达标率的方法，其特征在于，所述S5中评价下游水功能区是否达标，包括：

若某月C_{扣除上游影响后的下游浓度}≤C_{下游目标水质浓度}，则对应的某月水功能区水质达标，其中，C_{下游目标水质浓度}为下游水功能区控制断面的目标水质浓度；

若某月C_{扣除上游影响后的下游浓度}＞C_{下游目标水质浓度}，则对应的某月水功能区水质不达标。

5.根据权利要求1所述的计算跨界河流水功能区水质达标率的方法，其特征在于，所述S6中根据逐月水质是否达标评价结果，采用频次法计算下游水功能区水质达标率，包括：

其中，FD为下游水功能区水质达标率，FG为水质达标月份个数，FN为评价月份总数。

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