CN113689099A - 基于水量构成的环状河网水系水质考核断面污染负荷贡献率确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于水量构成的环状河网水系水质考核断面污染负荷贡献率确定方法。首先，根据研究区河网水系的水量来源情况，定义降雨、排污、引水等各种水量构成要素；其次，计算各个水质考核断面处各水量构成要素的水量占比；然后，收集点源废污水及污染物排放量，计算各类点源污染物的水量加权平均浓度，同时利用水文模型和污染负荷模型，计算各类土地利用的产水量及污染负荷，计算面源污染物平均浓度；最后，计算水质考核断面的污染物负荷贡献率。本发明解决了水流流向不定地区污染负荷贡献率计算难题，易于在具有同类往复流水文特征地区的污染溯源研究中推广应用。
Description
技术领域
本发明属于环境管理技术领域，尤其涉及基于水量构成的环状河网水系水质考核断面污染负荷贡献率确定方法。
背景技术
水质考核断面指为评价监测河段两岸污染源对水体水质影响状况，以控制污染物排放而设置的采样断面，断面设置以改善水环境质量为核心，满足流域水污染防治目标任务考核和城市水环境质量排名等当前环境管理的需求。通过量化各地区(或污染控制单元)污染排放量对水质考核断面的污染负荷贡献率，有利于辨识关键产污区，明确污染治理方向和重点，对于提出更具针对性的污染控制对策及水环境治理方案具有重要意义。
污染负荷贡献率计算通常采用以下两种方法，第一种方法需要逐个将各污染控制单元的污染物排放量设置为0，利用水量水质模型预测不同计算方案各水质考核断面处的污染负荷，通过与正常排放方案的污染负荷进行对比，统计某个污染控制单元的污染负荷贡献率，即一次计算只能得到一个污染控制单元的贡献率，该方法存在条件设置繁琐、计算效率低、研究周期长的缺点。第二种方法直接采用水质考核断面处的水量构成与相应污染物浓度的乘积作为污染负荷贡献率，该方法物理概念明确，一次计算能够得到全部污染控制单元对各水质考核断面的贡献率，对于污染控制单元数量较多的地区或流域，其计算效率远高于第一种方法，但是该方法的难点在于确定考核断面各种水量来源占比。
流域水系通常呈网状，故将这种网状水系结构称作河网。根据河网的形态特征，可分为树状河网和环状河网，如图2所示。在地形高程变化较大的山地和丘陵地区，流域上游水系通常有干流和支流之分，支流如树枝，干流如树干，故整个流域水系结构如树枝到树干的结构，这种河系称之为树状河网；在平原地区，河道水系纵横交错，水流没有固定流向，水系呈环形结构，这种水系称之为环状河网，流域下游的平原地区水系通常呈现环状河网特征。对于树状河网，支流逐渐向干流汇集，河道下游断面的水量必然是上游来流汇集的结果，因此，水量构成可通过计算各支流流量占干流流量的比例得到。但对于环状河网，特别是水利工程众多，又受潮汐影响的地区，河道水流受区域和边界的降雨、潮汐、闸泵运行方式及供水、用水、耗水、排水的影响，导致河道水流流向不定，水流来源、去向及运动特征非常复杂，水质考核断面的水量构成通常难以确定。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中环状河网水系水质考核断面受水流来源复杂、去向及运动特征复杂而难以确定污染负荷贡献率的缺陷，本发明提供一种基于水量构成的环状河网水系水质考核断面污染负荷贡献率确定方法。
技术方案：一种基于水量构成的环状河网水系水质考核断面污染负荷贡献率确定方法，包括以下步骤：
(1)确定研究区的水量构成要素，包括多个降雨径流、废水排放、引水；
(2)构建河网水量构成模型，视各种水量构成要素为保守物质，计算各水质考核断面的水量构成要素的水量占比；
(3)采集所有废水排放污染负荷及废水量，计算各类废水排放污染物的加权平均浓度；利用水文模型和污染负荷模型，计算各类降雨径流污染负荷、废水量及土地利用的产水量，计算降雨径流污染物的加权平均浓度；获取引水污染物的加权平均浓度；
(4)由各水量构成要素的水量占比及污染物的加权平均浓度，计算各水量构成要素的污染物对研究区水质考核断面的贡献率。
进一步地，步骤(2)中，将研究区的降水和蒸发的气象条件及土地利用条件输入水文模型，计算出各类土地利用的产水量，将所述土地利用的产水量作为降雨径流的水量构成要素；将收集到的废水排放量作为废水排放的水量构成要素；将研究区以外的调水水量作为引水的水量构成要素；
由水量构成模型计算各水量构成要素在水质考核断面处的水量占比，记为φi j，φi j为第i种水量构成要素在第j个水质考核断面处的水量占比。
进一步地，步骤(1)中，定义降雨径流为面源，废水排放为点源，面源的分类包括农村居民生活污染、种植业污染、养殖业污染、城镇地表径流污染；点源的分类包括直排工业污染源、污水处理厂以及其它未接管生活源。
进一步地，步骤(3)中，面源污染物加权平均浓度根据各类面源污染物负荷总量除以废水量及各类土地利用产水量计算得到；点源污染物加权平均浓度根据各类点源污染物负荷总量除以相应废水量计算得到；
计算公式为：
式中，
为第i种水量构成要素的污染物加权平均浓度，mg/L；WLi为第i种水量构成要素的污染物负荷，t/a，由资料收集或污染负荷模型计算得到；Wi为第i种水量构成要素的水量，万m3/a，由资料收集或水文模型预测获得；m为面源及点源污染的种类数量，其中，面源为4种，点源为3种。
进一步地，步骤(3)中，引水的污染物加权平均浓度由水质监测数据确定。
进一步地，步骤(4)中，各水量构成要素的污染物对研究区水质考核断面的贡献率的计算方法为：
式中：
为第i种水量构成要素污染物对第j个水质考核断面的负荷贡献率；
为第i 种水量构成要素在第j个水质考核断面处的水量占比；
为第i种水量构成要素的污染物加权平均浓度，mg/L；n为水量构成要素的数量。
进一步地，步骤(2)中，河网水量构成模型的构建方法为：以水质模型为基础，将各种水量构成要素视为保守物质，不考虑转化和归趋过程，模型结果表示为各种水源的比例，设有n个河流，河流L1、L2……Ln-1对应流量分别为q1、q2……qn-1，这n-1 条河流的流量都流向河流Ln，即河流Ln的水量由河流L1、L2……Ln-1的水量构成，因此，Ln的流量为q＝q1+q2+……+qn-1，各水量占比分别为L1：q1/q、L2：q2/q……Ln-1：q n-1/q；假定随同水流一起进入河流的保守物质浓度均为1.0，则河流Ln中的各保守物质浓度分别为L1：q1/q、L2：q2/q……Ln-1：qn-1/q；根据河流中的保守物质浓度确定各水量构成要素的水量占比。
有益效果：本发明的基于水量构成的环状河网水系水质考核断面污染负荷贡献率确定方法，相比较现有技术，通过定义降雨、排污、引水等各种水量构成要素，将水量构成计算问题转化为保守物质浓度计算问题，计算各个水质考核断面处各种水量构成要素的水量占比，同时结合水文模型和污染负荷模型统计出各类污染物的平均浓度，综合水量构成及污染物平均浓度成果，计算水质考核断面的污染物负荷贡献率，克服了水流流向不定的复杂环状河网地区污染负荷贡献率计算难题，对具有同类往复流水文特征地区的污染溯源研究具有应用价值。
附图说明
图1(a)为带河网编号的水量构成计算原理示意图；
图1(b)为带流量和浓度的水量构成计算原理示意图；
图2树状河网及环状河网结构示意图；
图3是A市镇级行政区划图；
图4是A市国考及省考断面分布图；
图5是A市河网水系概化图。
图6为A市污染负荷贡献率图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
本实施例以中国东部某市(A市)为例，进行水质考核断面的污染负荷贡献率分析。图3为A市镇级行政区划图，该地区地势低平，水利工程众多，加之受潮汐影响，导致河道水流流向不定，属于典型的环状河网水系。该市有3个国考断面、8个省考断面，其空间分布情况如图4所示。对A市气象、水文、水系、水利工程、土地利用、污染源、水质监测等基础资料进行整理、分析和概化，构建了该地区河网水量水质数学模型，水系概化图如图5所示。
基于水量构成的环状河网水系水质考核断面污染负荷贡献率确定方法，包括以下步骤：
(1)确定A市的水量构成要素
以行政区作为污染控制单元，将A市7个镇级行政区(A1镇～A7镇)的污染排放分别定义为7种水量构成要素，将与A市相邻的B市、C市及流域内其它地区污染排放分别定义为3种水量构成要素。污染排放既包含面源(降雨径流)，也包含点源(废水排放)。面源包括农村居民生活污染、种植业污染、养殖业污染、城镇地表径流污染四类，点源包括直排工业污染源、污水处理厂以及其它未接管生活源三类。此外，将该地区从外部的引水设置为1种水量构成要素。
(2)计算各水量构成要素的水量占比
构建河网水量构成模型，以水质模型为基础，区别在于前者将各种水量构成视为保守物质，不考虑其转化和归趋过程，此外，模型计算结果表示为各种水源的比例。如果考虑了所有水量来源，那么任何一个模型对象的各种来水组分之和等于1.0。图1为水量构成计算的基本原理示意图。
如图1(a)所示，假设有L1、L2、L3、L4四条河流，河流L1、L2、L3对应流量分别为q1、q2、q3，这三条河流的流量都流向河流L4，即河流L4的水量由河流L1、L2、 L3的水量构成，因此，其流量为q＝q1+q2+q3，水量构成分别为L1：q1/q、L2：q2/q、L3： q3/q。
如图1(b)所示，假设保守物质C1随同水流进入河流L1，该物质随水流运动过程中没有降解。类似地有保守物质C2、C3随同水流进入河流L2、L3，假定各河流的保守物质浓度均为1.0。这3种保守物质在汇合处充分掺混后进入河流L4，那么，河流L4中保守物质C1、C2、C3的浓度分别为q1/q、q2/q、q3/q。保守物质的浓度与携带该物质的水量比例大小完全相等。因此，只要定义不同水源的保守物质种类，采用水质模型计算各河流的保守物质浓度随时间的变化过程，就可以得到各河段的水量构成情况。
根据上述水量构成要素定义，假定A市7个镇级行政区、B市、C市、其它地区的污水排放、外部引水各含有浓度为1.0的11种保守物质，按照前述水量构成计算方法，采用已构建的河网水量构成模型，计算11种保守物质在水质考核断面处的浓度过程，即11种水量构成要素在水质考核断面处的水量占比，记为
为第i种水量构成要素在第j个水质考核断面处的水量占比。
(3)计算水量加权平均浓度
面源污染物加权平均浓度根据各类面源污染物负荷总量除以废水量及各类土地利用产水量计算得到，各类降雨径流污染负荷、废水量及土地利用的产水量通过水文模型和污染负荷模型计算得到,水文模型和污染负荷模型是开展流域/区域产汇流模拟和污染负荷计算的专业数学模型，种类很多，根据研究区气象、水文、土壤、地形、污染源等特征进行选用；点源污染物加权平均浓度根据各类点源污染物负荷总量除以相应废水量计算得到，废水排放污染负荷及废水量由采集得到；引水的污染物加权平均浓度由水质监测数据确定。
污染物加权平均浓度的计算公式为：
式中，
为第i种水量构成要素的污染物加权平均浓度，mg/L；WLi为第i种水量构成要素的污染物负荷，t/a，由资料收集或污染负荷模型计算得到；Wi为第i种水量构成要素的水量，万m3/a，由资料收集或水文模型预测获得；m为面源及点源污染的种类数量，其中，面源为农村居民生活污染、种植业污染、养殖业污染、城镇地表径流污染 4种，点源为直排工业污染源、污水处理厂以及其它未接管生活源3种。
(4)污染负荷贡献率计算
由各水量构成要素的水量占比及污染物的加权平均浓度，计算各水量构成要素的污染物对研究区水质考核断面的贡献率，计算方法为：
式中：
为第i种水量构成要素污染物对第j个水质考核断面的负荷贡献率；
为第i种水量构成要素在第j个水质考核断面处的水量占比；
为第i种水量构成要素的污染物加权平均浓度，mg/L；n为水量构成要素的数量。
经对A市各考断面的实验研究得到结果如下：
以总磷为例，按照公式(2)，统计A市7个镇级行政区、相邻的B市和C市、其它地区、外部引水总磷对3个国考断面和8个省考断面的污染负荷贡献率，结果如表1和图6所示。
表1各行政区对水质考核断面总磷负荷贡献率
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于水量构成的环状河网水系水质考核断面污染负荷贡献率确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)确定研究区的水量构成要素，包括多个降雨径流、废水排放、引水；
(2)构建河网水量构成模型，视各种水量构成要素为保守物质，计算各水质考核断面的水量构成要素的水量占比；
(3)采集所有废水排放污染负荷及废水量，计算各类废水排放污染物的加权平均浓度；利用水文模型和污染负荷模型，计算各类降雨径流污染负荷、废水量及土地利用的产水量，计算降雨径流污染物的加权平均浓度；获取引水污染物的加权平均浓度；
(4)由各水量构成要素的水量占比及污染物的加权平均浓度，计算各水量构成要素的污染物对研究区水质考核断面的贡献率。
2.根据权利要求1所述的基于水量构成的环状河网水系水质考核断面污染负荷贡献率确定方法，其特征在于，步骤(2)中，将研究区的降水和蒸发的气象条件及土地利用条件输入水文模型，计算出各类土地利用的产水量，将所述土地利用的产水量作为降雨径流的水量构成要素；将收集到的废水排放量作为废水排放的水量构成要素；将研究区以外的调水水量作为引水的水量构成要素；
由水量构成模型计算各水量构成要素在水质考核断面处的水量占比，记为
为第i种水量构成要素在第j个水质考核断面处的水量占比。
3.根据权利要求1所述的基于水量构成的环状河网水系水质考核断面污染负荷贡献率确定方法，其特征在于，步骤(1)中，定义降雨径流为面源，废水排放为点源，面源的分类包括农村居民生活污染、种植业污染、养殖业污染、城镇地表径流污染；点源的分类包括直排工业污染源、污水处理厂以及其它未接管生活源。
4.根据权利要求2所述的基于水量构成的环状河网水系水质考核断面污染负荷贡献率确定方法，其特征在于，步骤(3)中，面源污染物加权平均浓度根据各类面源污染物负荷总量除以废水量及各类土地利用产水量计算得到；点源污染物加权平均浓度根据各类点源污染物负荷总量除以相应废水量计算得到；
计算公式为：
式中，
为第i种水量构成要素的污染物加权平均浓度，mg/L；WLi为第i种水量构成要素的污染物负荷，t/a，由资料收集或污染负荷模型计算得到；Wi为第i种水量构成要素的水量，万m3/a，由资料收集或水文模型预测获得；m为面源及点源污染的种类数量，其中，面源为4种，点源为3种。
5.根据权利要求1至4任一所述的基于水量构成的环状河网水系水质考核断面污染负荷贡献率确定方法，其特征在于，步骤(3)中，引水的污染物加权平均浓度由水质监测数据确定。
6.根据权利要求1至4任一所述的基于水量构成的环状河网水系水质考核断面污染负荷贡献率确定方法，其特征在于，步骤(4)中，各水量构成要素的污染物对研究区水质考核断面的贡献率的计算方法为：
式中：
为第i种水量构成要素污染物对第j个水质考核断面的负荷贡献率；
为第i种水量构成要素在第j个水质考核断面处的水量占比；
为第i种水量构成要素的污染物加权平均浓度，mg/L；n为水量构成要素的数量。
7.根据权利要求1至4任一所述的基于水量构成的环状河网水系水质考核断面污染负荷贡献率确定方法，其特征在于，步骤(2)中，河网水量构成模型的构建方法为：以水质模型为基础，将各种水量构成要素视为保守物质，不考虑转化和归趋过程，模型结果表示为各种水源的比例，设有n个河流，河流L1、L2……Ln-1对应流量分别为q1、q2……qn-1，这n-1条河流的流量都流向河流Ln，即河流Ln的水量由河流L1、L2……Ln-1的水量构成，因此，Ln的流量为q＝q1+q2+……+qn-1，各水量占比分别为L1：q1/q、L2：q2/q……Ln-1：qn-1/q；假定随同水流一起进入河流的保守物质浓度均为1.0，则河流Ln中的各保守物质浓度分别为L1：q1/q、L2：q2/q……Ln-1：qn-1/q；根据河流中的保守物质浓度确定各水量构成要素的水量占比。
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