CN113688522A - 流域生态水文及生态补水调控方法 - Google Patents

流域生态水文及生态补水调控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种流域生态水文及生态补水调控方法，其包括以下步骤：S1：计算流域内的污染量、S2：建立河道糙率n与可净化植被在淹没条件下的关系模型、S3：根据流域内防洪要求的粗糙率ni，计算流域内植被的最优种植面积Xi、S4：根据最优种植面积Xi计算植物的蒸发量，最优种植面积中种植的植物的水净化量、S5：计算流域内河道水面的蒸发量E0、雨水资源量W和流域内的河段槽蓄量V、S6：计算流域的缺水量、S7：根据缺水量利用上游的供水枢纽进行开闸供水，实现流域内的补水调控。本发明从多个角度对流域内的水资源进行分析，解决流域内生态廊道的水资源短缺、廊道生态过程阻滞和耗竭与功能板结等问题。

Description

流域生态水文及生态补水调控方法
技术领域
本发明涉及生态治理技术领域，具体涉及一种流域生态水文及生态补水调控方法。
背景技术
在水资源短缺地区，往往经历了长时间高强度用水以及水生态空间的挤占。而且在海河流域，尤其是河流的平原区，如华北平原腹地，长时间的高强度用水，不仅导致河道干涸消失，还伴随着较明显的地下水水位下降。当前大多数处于如此境地的河流，已经很难看到流动的水体。上下游径流关系断裂、左右岸水文过程终止。在水资源短缺的大清河流域，开展生态水文过程调控的目的是充分发挥有限水资源的生态功能，以实现河流生态廊道功能的适度恢复。
从既定的适度恢复目标来说，在流域水资源极度短缺的情况下，实现目标的唯一出路是实施生态补水，且要解决净化湿地生态耗水、蒸散发以及河流贯通所需水量之间的竞争性问题。需要对流域内的下游生态水文及生态补水进行合理的调控。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种能充分发挥有限水资源的生态功能的流域生态水文及生态补水调控方法。
为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：
提供一种流域生态水文及生态补水调控方法，其包括以下步骤：
S1：计算流域内的污染量，污染量包括产生的COD总量、氨氮污染量和TP污染量；
S2：建立河道糙率n与可净化植被在淹没条件下的关系模型；
S3：根据流域内防洪要求的粗糙率ni，计算流域内植被的最优种植面积Xi；
S4：根据最优种植面积Xi计算植物的蒸发量，最优种植面积中种植的植物的水净化量；
S5：计算流域内河道水面的蒸发量E0、雨水资源量W和流域内的河段槽蓄量V；
S6：根据植物的蒸发量、植物的水净化量、蒸发量E0、雨水资源量W和河段槽蓄量V计算流域的缺水量：缺水量＝(雨水资源量W+河段槽蓄量V+植物的水净化量)-(植物的蒸发量+蒸发量E0+污染量)；
S7：根据缺水量利用上游的供水枢纽进行开闸供水，实现流域内的补水调控。
进一步地，流域内的污染量的计算方法包括：
A1：计算流域内工业污染物中产生的COD总量A1、氨氮污染量B1和TP污染量C1；
A2：计算农村居民生活污染源的污染物总量L：L＝Qk×10-2；
则农村居民生活污染源的COD总量A2＝La2；
氨氮污染量B2＝Lb2；
TP污染量C2＝Lc2；
其中，Q为农村生活污染源的污水产生总量，k为污染物浓度，a2为污染物总量L中COD总量的比例，b2为污染物总量L中氨氮污染量的比例，c2为污染物总量L中TP污染量的比例；
A3：计算农村散排生活污水污染负荷S：S＝α3×P2×L3×365；
则农村散排生活污水中的COD总量A3＝Sa3；
氨氮污染量B3＝Sb3；
TP污染量C3＝Sc3；
其中，α3为农村散排生活污水的入河系数，P2为非集中排水区人口数，L3为农村人均污染物排放量；a3为农村散排生活污水污染负荷S中COD总量的比例，b3为农村散排生活污水污染负荷S中的氨氮污染量比例，c3为农村散排生活污水污染负荷S中的TP污染量比例；
A4：计算农田径流污染负荷H：H＝α5×A×L5；
则农田径流污染中的COD总量A4＝Ha4；
氨氮污染量B4＝Hb4；
TP污染量C4＝Hc4；
其中，a4为农田径流污染负荷H中的COD总量比例，b4为农田径流污染负荷H中的氨氮污染量比例，c4为农田径流污染负荷H中的TP污染量比例；α5为农田径流入河系数，A为耕地面积，L5为单位耕地面积污染物排放量；
A5：分别计算流域内的COD总量A：A＝A1+A2+A3+A4；
氨氮污染量B＝B1+B2+B3+B4；
TP污染量C＝C1+C2+C3+C4。
进一步地，关系模型为：
n＝0.092U-0.33(y/hv)-0.51(E/a)0.3
其中，U为流域内水流的平均流速，E为流域内植被的水平投影面积，a为渠道水平投影面积，hv为流域内种植的植被的平均高度，y为流域的水深。
进一步地，流域内河道水面的蒸发量E0的计算方法为：
Figure BDA0003229872970000031
其中，Δ为饱和水汽压曲线的坡度；γ为温度常数；
Figure BDA0003229872970000032
Qn为水体吸收的净太阳辐射值，L为蒸发或凝结潜热；ρw为水的密度；Ea为由气温求得的水面蒸发。
进一步地，雨水资源量W的计算方法为：W＝FHψα，其中，F为汇水面积；H为流域内年平均降雨量；ψ为综合径流系数；α为季节折减系数。
进一步地，河段槽蓄量V的计算方法为：
Figure BDA0003229872970000041
V＝∑ΔV
Ai为流域内某一条河流的首端面面积，Aj流域内某一条河流的末端面面积Lij为两端面间距离。
本发明的有益效果为：本发明从多个角度对流域内的水资源进行分析，结合流域内生态自身的净化能力，计算流域内水资源的缺乏情况，再利用调水功能对流域内的水资源进行调节，用最少的资源解决流域内生态廊道的水资源短缺、廊道生态过程阻滞和耗竭与功能板结等问题。将经济发展与生态环境相结合，对流域内的水量和水质进行研究，在有限水资源条件下，获得更多的生态用水，发挥出更大的生态效益。
附图说明
图1为流域生态水文及生态补水调控方法的流程图。
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。
如图1所示，本方案的流域生态水文及生态补水调控方法包括以下步骤：
S1：计算流域内的污染量，污染量包括产生的COD总量、氨氮污染量和TP污染量；包括：
A1：计算流域内工业污染物中产生的COD总量A1、氨氮污染量B1和TP污染量C1；本方案以河北省大清河文安和霸州段主干河段为例，作为研究对象，说明本方案的实施例。
工业污染主要来源于污水处理厂的入河排污口，依据省水利厅等部门牵头参与的限制纳污红线管理，严格控制入河排污总量。开展水功能区纳污能力分年度控制目标。自2016年起，每两年开展一次水功能达标状况评估。加强入河排污口管理，开展全省入河排污口水质及水量现状调查，2016年底前，完成入河排污口管理数据库更新，制定入河排污口优化和规范化建设方案；2017年底前，开展入河排污口优化和规范化建设，并封堵所有非法设置的入河排污口。加强集中污水处理厂的截留纳管建设，逐步减少直接入河排污口。
依据河北省地方标准《大清河流域水污染物排放标准》(DB13 2795-2018)，根据大清河流域水污染特点和环境保护要求，将大清河流域划分为核心控制区、重点控制区和一般控制区。其中，研究区域涉及霸州市、大城县、固安县和文安县(史各庄镇、滩里镇、文安镇、新镇镇、左各庄镇)等均属一般控制区，按一般控制区排放限值污染负荷排放，其中：化学需氧量40mg/L、氨氮2.0mg\L、总氮15mg/L、总磷0.4mg/L。
根据2014年环境统计数据，霸州市和文安县共有规模以上工业企业204家，废水排放量达1986.84万t，COD排放量1581.98t，氨氮排放量47.40t，TP污染排放量50t。
A2：计算农村居民生活污染源的污染物总量L：L＝Qk×10-2；
则农村居民生活污染源的COD总量A2＝La2；
氨氮污染量B2＝Lb2；
TP污染量C2＝Lc2；
其中，Q为农村生活污染源的污水产生总量，k为污染物浓度，a2为污染物总量L中COD总量的比例，b2为污染物总量L中氨氮污染量的比例，c2为污染物总量L中TP污染量的比例。
A3：计算农村散排生活污水污染负荷S：S＝α3×P2×L3×365；
则农村散排生活污水中的COD总量A3＝Sa3；
氨氮污染量B3＝Sb3；
TP污染量C3＝Sc3；
其中，α3为农村散排生活污水的入河系数，P2为非集中排水区人口数，L3为农村人均污染物排放量；a3为农村散排生活污水污染负荷S中COD总量的比例，b3为农村散排生活污水污染负荷S中的氨氮污染量比例，c3为农村散排生活污水污染负荷S中的TP污染量比例；
A4：计算农田径流污染负荷H：H＝α5×A×L5；
则农田径流污染中的COD总量A4＝Ha4；
氨氮污染量B4＝Hb4；
TP污染量C4＝Hc4；
其中，a4为农田径流污染负荷H中的COD总量比例，b4为农田径流污染负荷H中的氨氮污染量比例，c4为农田径流污染负荷H中的TP污染量比例；α5为农田径流入河系数，A为耕地面积，L5为单位耕地面积污染物排放量；
A5：分别计算流域内的COD总量A：A＝A1+A2+A3+A4；
氨氮污染量B＝B1+B2+B3+B4；
TP污染量C＝C1+C2+C3+C4。
S2：建立河道糙率n与可净化植被在淹没条件下的关系模型；关系模型为：
n＝0.092U-0.33(y/hv)-0.51(E/a)0.3
其中，U为流域内水流的平均流速，E为流域内植被的水平投影面积，a为渠道水平投影面积，hv为流域内种植的植被的平均高度，y为流域的水深。
S3：根据流域内防洪要求的粗糙率ni，计算流域内植被的最优种植面积Xi；
对于某一河道断面而言，河床及岸滩的表层阻水特性差异(受床沙组成及河道植被分布的影响)是其综合糙率产生空间异变的根本原因。在同一个河段内，河道水生植被繁茂程度的不同可导致综合糙率n在0.03～0.22间变化。因此，当植被较为繁茂时，水流阻力主要来自植物，糙率受植被的影响显著。河道内布置大量水生植物会增大河道糙率，影响河流的防洪功能。本实施例考虑水生植被分布情况与河道断面淹没特点对河道综合糙率的影响，根据大清河防洪规划对糙率的要求，以及河道糙率与植被面积的关系，根据《大清河流域防洪规划》，为保障大清河及赵王新河的泄洪能力，目标河段糙率要求处于0.03～0.035之间。
S4：根据最优种植面积Xi计算植物的蒸发量，最优种植面积中种植的植物的水净化量；
S5：计算流域内河道水面的蒸发量E0、雨水资源量W和流域内的河段槽蓄量V；流域内河道水面的蒸发量E0的计算方法为：
Figure BDA0003229872970000071
其中，Δ为饱和水汽压曲线的坡度；γ为温度常数；
Figure BDA0003229872970000072
Qn为水体吸收的净太阳辐射值，L为蒸发或凝结潜热；ρw为水的密度；Ea为由气温求得的水面蒸发。
雨水资源量W的计算方法为：W＝FHψα，其中，F为汇水面积；H为流域内年平均降雨量；ψ为综合径流系数；α为季节折减系数。
河段槽蓄量V的计算方法为：
Figure BDA0003229872970000081
V＝∑ΔV
Ai为流域内某一条河流的首端面面积，Aj流域内某一条河流的末端面面积
Lij为两端面间距离。
S6：根据植物的蒸发量、植物的水净化量、蒸发量E0、雨水资源量W和河段槽蓄量V计算流域的缺水量：缺水量＝(雨水资源量W+河段槽蓄量V+植物的水净化量)-(植物的蒸发量+蒸发量E0+污染量)；
S7：根据缺水量利用上游的供水枢纽进行开闸供水，实现流域内的补水调控。
本发明从多个角度对流域内的水资源进行分析，结合流域内生态自身的净化能力，计算流域内水资源的缺乏情况，再利用调水功能对流域内的水资源进行调节，用最少的资源解决流域内生态廊道的水资源短缺、廊道生态过程阻滞和耗竭与功能板结等问题。将经济发展与生态环境相结合，对流域内的水量和水质进行研究，在有限水资源条件下，获得更多的生态用水，发挥出更大的生态效益。

Claims (6)

1.一种流域生态水文及生态补水调控方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：计算流域内的污染量，污染量包括产生的COD总量、氨氮污染量和TP污染量；
S2：建立河道糙率n与可净化植被在淹没条件下的关系模型；
S3：根据流域内防洪要求的粗糙率ni，计算流域内植被的最优种植面积Xi；
S4：根据最优种植面积Xi计算植物的蒸发量，最优种植面积中种植的植物的水净化量；
S5：计算流域内河道水面的蒸发量E0、雨水资源量W和流域内的河段槽蓄量V；
S6：根据植物的蒸发量、植物的水净化量、蒸发量E0、雨水资源量W和河段槽蓄量V计算流域的缺水量：缺水量＝(雨水资源量W+河段槽蓄量V+植物的水净化量)-(植物的蒸发量+蒸发量E0+污染量)；
S7：根据缺水量利用上游的供水枢纽进行开闸供水，实现流域内的补水调控。
2.根据权利要求1所述的流域生态水文及生态补水调控方法，其特征在于，所述流域内的污染量的计算方法包括：
A1：计算流域内工业污染物中产生的COD总量A1、氨氮污染量B1和TP污染量C1；
A2：计算农村居民生活污染源的污染物总量L：L＝Qk×10-2；
则农村居民生活污染源的COD总量A2＝La2；
氨氮污染量B2＝Lb2；
TP污染量C2＝Lc2；
其中，Q为农村生活污染源的污水产生总量，k为污染物浓度，a2为污染物总量L中COD总量的比例，b2为污染物总量L中氨氮污染量的比例，c2为污染物总量L中TP污染量的比例；
A3：计算农村散排生活污水污染负荷S：S＝α3×P2×L3×365；
则农村散排生活污水中的COD总量A3＝Sa3；
氨氮污染量B3＝Sb3；
TP污染量C3＝Sc3；
其中，α3为农村散排生活污水的入河系数，P2为非集中排水区人口数，L3为农村人均污染物排放量；a3为农村散排生活污水污染负荷S中COD总量的比例，b3为农村散排生活污水污染负荷S中的氨氮污染量比例，c3为农村散排生活污水污染负荷S中的TP污染量比例；
A4：计算农田径流污染负荷H：H＝α5×A×L5；
则农田径流污染中的COD总量A4＝Ha4；
氨氮污染量B4＝Hb4；
TP污染量C4＝Hc4；
其中，a4为农田径流污染负荷H中的COD总量比例，b4为农田径流污染负荷H中的氨氮污染量比例，c4为农田径流污染负荷H中的TP污染量比例；α5为农田径流入河系数，A为耕地面积，L5为单位耕地面积污染物排放量；
A5：分别计算流域内的COD总量A：A＝A1+A2+A3+A4；
氨氮污染量B＝B1+B2+B3+B4；
TP污染量C＝C1+C2+C3+C4。
3.根据权利要求1所述的流域生态水文及生态补水调控方法，其特征在于，所述关系模型为：
n＝0.092U-0.33(y/hv)-0.51(E/a)0.3
其中，U为流域内水流的平均流速，E为流域内植被的水平投影面积，a为渠道水平投影面积，hv为流域内种植的植被的平均高度，y为流域的水深。
4.根据权利要求1所述的流域生态水文及生态补水调控方法，其特征在于，所述流域内河道水面的蒸发量E0的计算方法为：
Figure FDA0003229872960000031
其中，Δ为饱和水汽压曲线的坡度；γ为温度常数；
Figure FDA0003229872960000032
Qn为水体吸收的净太阳辐射值，L为蒸发或凝结潜热；ρw为水的密度；Ea为由气温求得的水面蒸发。
5.根据权利要求1所述的流域生态水文及生态补水调控方法，其特征在于，所述雨水资源量W的计算方法为：W＝FHψα，其中，F为汇水面积；H为流域内年平均降雨量；ψ为综合径流系数；α为季节折减系数。
6.根据权利要求1所述的流域生态水文及生态补水调控方法，其特征在于，所述河段槽蓄量V的计算方法为：
Figure FDA0003229872960000033
V＝∑ΔV
Ai为流域内某一条河流的首端面面积，Aj流域内某一条河流的末端面面积Lij为两端面间距离。
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