CN114331787A - 以提升下游河流水质为目标的水库生态放流量的核算方法 - Google Patents
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Abstract
以提升下游河流水质为目标的水库生态放流量的核算方法，涉及水库生态放流量的核算方法。它是要解决现有的放流量不足、个别断面水质在个别月份不达标，造成河道流量衰减、河流污染严重及河流生态系统脆弱的技术问题。本方法：一、目标河段确定与数据搜集；二、河流水质断面时空变化分析；三、用水文学方法计算最小生态流量；四、水动力和水质模型建立与验证；五、模拟预测；六、比较和确定方案。本发明的方法易于实施，计算结果更加精确，具有操作性。可用于水资源管理技术领域。
Description
技术领域
本发明属于水环境保护和水资源管理技术领域，具体涉及一种以提升下游河流水质为 目标的水库生态放流量的核算方法。
背景技术
生态放流是调度湖库水量、维持河湖基本生态用水需求、保障枯水期生态基流、提高 水体自净能力的重要方法。科学适用的生态放流量是下游河道内生态环境用水需求的基本 保障，而以提升水质为目标的生态放流量方法更是提升水环境质量，维系河流生态环境功 能的关键之举。
在最早有科学家提出了维持河流的最小生态流量的概念基础上，河流生态流量研究主 要包括河流生态需水评价、河流水文情势变化对河流生态系统生物多样性及整体性的影 响、闸坝建设对河流自然水文情势变化的阈值评估等。由于非点源污染强烈的时空变化性， 河流的生态流量并非固定值，最小生态流量不能完全保证下游河道内生态环境用水需求， 在河流个别断面上水质在个别月份不达标，造成河道流量衰减、河流污染严重及河流生态 系统脆弱。因此，如何计算维持河湖基本生态用水需求，改善水流生态系统，明确河流生 态基流与水环境质量的响应关系，实现流域水生态环境的可持续健康发展和管理，已经成 为以提升水质为目标的水库生态放流量方案的一项难题。
发明内容
本发明是要解决现有的放流量不足，个别断面水质在个别月份不达标，造成河道流量 衰减、河流污染严重及河流生态系统脆弱的技术问题，提供一种以提升下游河流水质为目 标的水库生态放流量的核算方法。
本发明的以提升水质为目标的水库生态放流量的核算方法，按照以下步骤进行：
一、目标河段确定与数据搜集：
确定目标河流和上游水库，搜集河流流域各目标河段监测断面的位置、地形、5-10年内各时段的流速、水深、水位、流量、污染物组分和污染物浓度，以及年径流量、多年 平均流量；搜集上游水库的位置、水位和流量数据；
二、河流水质断面时空变化分析：
根据步骤一搜集的污染物组分和污染物浓度，采用单因子评价法确定河流的超标污染 物，并确定超标污染物浓度的时空分布规律，计算出丰水期、平水期、枯水期的超标污染 物浓度，作为超标污染物组分浓度边界输入值；
三、水文学方法计算最小生态流量：
采用水文学法中的Tennant法计算目标河段各断面逐月的生态流量，河道生态流量的 计算公式如下：
WB＝MiNi
式中：WB为河道生态流量(m3/s)；Ni为对应的第i月份的推荐流量百分比；Mi为一年内第i个月多年平均流量(m3/s)；
四、水动力和水质模型建立与验证：
选择二维水质水动力模型MIKE系列软件中的MIKE21模型对目标河段进行水质水动力模拟，建立模型所需的地形、流速、水深、流量、水位数据，进行前处理，导入MIKE 软件，进行网格划分，地形差值，在此基础上，建立水质水动力模型，并进行模拟误差分 析，使模拟相对误差在±30％以内，纳什系数(NSE)>0.5，拟合优度(R2)>0.6；达到 该标准的模型的模拟结果是可靠的；
五、模拟预测：
在水质水动力模型的基础上，以步骤二的丰水期、平水期、枯水期的超标污染物组分 浓度边界输入值作为边界条件，通过WQ-水质模块模拟在不同的水库放流量下，下游河道监测断面的污染物的迁移规律，当断面污染物组分浓度满足该断面的水质目标时，将输入模型的水库放流量作为模拟生态放流量；
六、比较及确定方案：
将模拟生态放流量与步骤三得到的最小生态流量比较，以模拟生态放流量与最小生态 流量中较大者作为水库生态放流量，完成以提升水质为目标的水库生态放流量的核算。
更进一步的，步骤二中所述的筛选河水中的超标污染物，是将河水中实测污染物浓度 与相应类别的水质标准比较，如果浓度超过相应类别的水质标准中对应的浓度值，则为超 标超标污染物。
更进一步地，所述的水质标准为《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)和/或国控断面的饮用水水源水质目标。
更进一步地，步骤三中所述的推荐流量百分比为10％。Tennant法对河流流量状况的 描述中，推荐基流占平均流量的10％时，河流流量状况为差或最差；所以，以占河流10年以上平均径流量的10％作为最小生态流量，即Ni为10％。
更进一步地，步骤三中所述的多年平均流量是指自有监测资料以来的3～70年的平均 流量。统计的年份越长，数据越具有代表性。
更进一步地，步骤四中所述的前处理是指将数据整理成模拟模型所需要的输入格式。
更进一步地，步骤四中所述的水质水动力模拟采用水动力模块及WQ-水质模块中的 对流扩散模块，选取步骤二河流水质分析得出的主要超标污染物浓度指标进行模拟，得到 反映河流水质与放流量之间的响应关系。
更进一步的，步骤四中所述的超标污染物浓度指标为COD、NH3-N和/或TP三个指标。
更进一步的，步骤四中所述的水质水动力模型的基本方程及求解方法如下：
式中：H为水深，H＝h+l，其中l、h分别为水位(m)和水深(m)；
p、q分别为x、y方向上的流通通量(m3/s)；
c为谢才系数；
g为重力加速度(m/s2)；
f为科式力系数；
ρ为水的密度(kg/m3)；
W、Wx、Wy为风速及在x、y方向上的分量(m/s)；
fw为风阻力系数；
τxx、τxy、τyy为有效剪切力分量(N)。
水质模型基本方程及求解方法如下：
式中：Ci为污染物浓度(mg/L)；
U、V为x、y方向上的流速分量(m/s)；
Ex、Ey为x、y方向上的扩散系数；
Ki为污染物降解系数；
Si为污染物底泥释放项。
更进一步的，步骤五中所述的水质目标是指GB3838-2002《地表水环境质量标准》和 /或国控断面的水质目标。
本发明的以提升下游河流水质为目标的水库生态放流量的核算方法，先搜集整理分析 和调查目标河流的水位、流量及水质等相关数据，掌握流域水资源规划相关资料，分析目 标河段的水生态环境现状特征，明确目标流域的水资源禀赋条件和河流生态过程，查明流 域河湖流量和水环境质量的现状特征，确定河流的主要生态功能并分析现存的主要问题； 再明确目标河段污染组分种类及浓度的时空变化特征。如果水库已有生态放流或补水泄放 方案，对比放流方案执行前后各监测断面水质的变化特征,评价水库原有的生态放流方案 对河流水质的改善效果。接着采用MIKE21模型对河流的水动力和水质进行拟合，对相 关参数进行率定。依据丰、平、枯水期具体的生态保护目标，筛选河水中的主要污染组分， 计算在设计工况下各国省控断面水位、流速、水质和生态等特征指标，模拟其沿程输移和 变化过程。揭示河流流量与水环境质量之间的响应关系。再确定各断面地表水的目标水质 标准，根据模型模拟结果反演水库生态放流量，科学测算水库的下泄水量和补水时段。将 模拟生态放流量与现行的最小生态流量比较，以模拟生态放流量与最小生态流量中较大者 作为水库生态放流量，完成以提升水质为目标的水库生态放流量的核算。
本发明的优点如下：
一、本发明采用一种以提升水质为目标的水库生态放流量核算方法，原理清晰、易于 实施，计算结果更加精确。
二、本发明比现有流域管理更加科学准确，更具有操作性。
三、本发明明确放流量与水环境质量的响应关系，相比于传统河流水资源规划或水量 分配带来的生态环境问题，实现了流域内水体的可持续利用与水质的提升。
本发明可用于水资源管理技术领域。
附图说明
图1是实施例1中东辽河主要污染组分浓度时空变化；
图2是实施例1中饮马河主要污染组分浓度时空变化图；
图3是实施例1中东辽河模型计算范围及网格划分图；
图4是实施例1中饮马河模型计算范围及网格划分图。
具体实施方式
采用下面的实施例验证本发明有益效果：
实施例1：中国科学院东北地理与农业生态研究所在东辽河、饮马河流域承担吉林省 生态放流方案设计相关工作，在水环境保护与水资源管理的方面，对二龙山水库和石头口 门水库下游的东辽河和饮马河干流开展水库生态放流量的核算工作。本实施例的以提升水 质为目标的水库生态放流量的核算方法，按照以下步骤进行：
一、目标河段确定与数据搜集：
以东辽河及上游的二龙山水库、饮马河及上游的石头口门水库为目标河流，选定城上 子、周家河口、四双大桥、长吉高速饮马河大桥、新开村、刘珍屯、靠山南楼为水质监测站点，选定二龙山水库、王奔、石头口门水库、德惠为流量监测站点。
搜集的数据如下：
1背景监测断面
1.1位置
城上子(坐标124.6752，43.62618)
周家河口(坐标124.1875，43.71457)
四双大桥(坐标123.7167，43.42126)
长吉高速饮马河大桥(坐标：125.7553，43.98859)
新开村(坐标：新开村125.8283，44.34589)
刘珍屯(坐标：125.7233，44.68736)
靠山南楼(坐标：125.75595，44.86689)
二龙山水库(坐标：124°71′，43°53′)
王奔(坐标：123°25′，43°21′)
石头口门水库(坐标：125°45′43°58′)
德惠(坐标：125°45′，44°31′)
1.2断面流量及水位
二龙山水库、王奔、石头口门水库、德惠2001-2020年流量及水位日尺度数据。
1.3断面污染物浓度
饮马河大桥、新开村、刘珍屯、靠山南楼2017年-2019年COD、TP和NH3-N浓度 的月尺度数据。
二、河流水质断面时空变化分析：
二龙山水库和石头口门水库分别从19年冬季和18年冬季开始对东辽河和饮马河采取 水量调度、生态应急补水泄放计划，东辽河和饮马河的水质得到了明显改善。图1给出了2017-2021年东辽河主要污染组分浓度时空变化情况；图2给出了2017-2021年饮马河主要污染组分浓度时空变化情况。在实施生态补水泄放计划前，2017年10月至2018年9 月，二龙山水库以下城上子、周家河口、四双大桥国控断面劣V类水共12期，石头口门 水库以下饮马河大桥、刘珍屯、靠山南楼国控断面劣V类水共15期；2018年10月至2019 年9月，二龙山水库以下国控断面劣V类水共5期，同比减少58.33％，石头口门水库以 下国控断面劣V类水共11期，同比减少26.67％；生态应急补水泄放计划稳定实施后， 2019年10月至2020年9月，二龙山水库以下水质国控断面劣V类水共2期，同比减少 60％，石头口门水库以下水质国控断面劣V类水共5期，同比减少54.55％。从2017至 2021年，各水质考核断面主要污染物氨氮、COD年平均浓度有明显的下降趋势，尤其在 2018年之后，这种趋势更为显著。
水库的生态应急补水泄放计划切实有效地缓解了下游河流水体污染情况，对消除劣V 类水有着积极的作用。
计算出丰水期、平水期、枯水期的主要超标污染物浓度，作为超标污染物组分浓度边 界输入值，对2015年到2019年饮马河的四个监测断面(饮马河大桥、新开村、刘珍屯、 靠山南楼)和东辽河的三个监测断面(城上子、周家河口、四双大桥)COD、BOD5、NH3-N、 TP和DO这5项评价指标进行单因子评价，发现饮马河和东辽河在2015-2019年存在两种 污染类型，好氧有机物污染(COD、BOD5)和营养盐污染(NH3-N、TP)。2019年饮 马河污染类型与前些年相同但营养盐和好氧有机物污染的比例有所下降，主要污染物为 COD和NH3-N。东辽河流域在2018年同时存在好氧有机物污染和营养盐污染，其余年 份主要为营养盐污染，主要污染物为NH3-N和TP；分别取一年内相应污染物在丰、平、 枯水期每个月的平均值进行计算，作为超标污染物组分浓度边界输入值。
三、水文学方法计算最小生态流量：
采用水文学法中的Tennant法计算目标河段各断面逐月的生态流量，河道生态流量的 计算公式如下：
WB＝MiNi
式中：WB为河道生态流量(m3/s)；Ni为对应的第i月份的推荐流量百分比；Mi为一年内第i个月1956-2019年的平均流量(m3/s)；
将目标河段的生态流量设定8个评价等级，推荐的基流分为汛期和非汛期，以占河流 10年以上平均径流量的10％作为最小生态流量(表1)。
表1 Tennant法对河流流量状况的描述
选取饮马河流域的石头口门水库(坝下)、德惠监测断面1956年-2010年月平均实测径流量和东辽河流域的二龙山水库(坝下)、双山渠首、王奔监测断面1956-2000年月 平均实测径流量分别核算饮马河、东辽河的河道最小生态基流量，核算结果如下：
表2东辽河各监测断面生态基流量(m3/s)
表3饮马河各监测断面生态基流量(m3/s)
四、水动力和水质模型建立与验证：
选择二维水质水动力模型MIKE系列软件中的MIKE21模型对目标河段进行水质水动力模拟，将地形、流速、水深、流量、水位数据整理成模拟模型所需要的输入格式，导 入MIKE软件，进行网格划分，地形差值，东辽河模型计算范围及网格划分图如图3所 示，计算范围为二龙山水库坝下监测断面至下游四双大桥监测断面约210km，计算域内 网格数为100079个；饮马河模型计算范围及网格划分图如图4所示，计算范围为石头口 门水库坝下监测断面至下游靠山南楼监测断面约190km，计算域内网格数为22093个。 在对参数率定成功的基础上，建立水质水动力模型，其中所述的水质水动力模型的基本方 程及求解方法如下：
式中：H为水深，H＝h+l，其中l、h分别为水位(m)和水深(m)；
p、q分别为x、y方向上的流通通量(m3/s)；
c为谢才系数；
g为重力加速度(m/s2)；
f为科式力系数；
ρ为水的密度(kg/m3)；
W、Wx、Wy为风速及在x、y方向上的分量(m/s)；
fw为风阻力系数；
τxx、τxy、τyy为有效剪切力分量(N)。
水质模型基本方程及求解方法如下：
式中：Ci为污染物浓度(mg/L)；
U、V为x、y方向上的流速分量(m/s)；
Ex、Ey为x、y方向上的扩散系数；
Ki为污染物降解系数；
Si为污染物底泥释放项。
对建立水质水动力模型进行模拟误差分析，相对误差在为8％，纳什系数(NSE)＝0.82， 拟合优度(R2)＝0.85；说明该模型的模拟结果是可靠的；
五、模拟
在水质水动力模型的基础上，以步骤二的丰水期、平水期、枯水期的超标污染物组分 浓度边界输入值作为边界条件，通过WQ-水质模块模拟在不同的水库放流量下，下游河道监测断面的污染物的迁移规律，当断面污染物组分浓度满足该断面的水质目标时，将输入模型的水库放流量作为模拟生态放流量；
六、比较
将模拟生态放流量与步骤三得到的最小生态流量比较，二龙山水库在2020年1月、5 月、6月、7月和8月以及石头口门水库在2020年12月和10月的水质均达标，模拟生态 放流量小于最小生态流量，因此以最小生态流量作为最终的水库生态放流量，即水库的生 态下泄水量仍按松辽水利委员会流域规划与政策研究中心编制的《饮马河大中型水库生态 应急补水泄放计划》和《辽河流域大中型水库生态应急补水泄放计划》中的生态下泄水量 进行放流；除水质已经达标的其余月份，模拟生态放流量大于最小生态流量，则以模拟生 态放流量作为最终的水库生态放流量，二龙山水库模拟生态放流方案及原计划的最小生态流量统计表如表1所示，石头口门水库模拟生态放流方案及原计划的最小生态流量统计表如表2所示，二龙山水库和石头口门水库的全年生态放流量相比原计划分别增加722万 m3和1425万m3。
表1二龙山水库模拟生态放流方案及原计划的最小生态流量统计表
表1中，5-8月为农业灌溉供水期，二龙山门水库下泄的灌溉用水量较大，东辽河水质监测断面水质较好，因此可按现有的灌溉供水下泄量进行放流。
表2石头口门水库模拟生态放流方案及原计划的最小生态流量统计表
表2中，石头口门水库灌溉用水户分为饮东灌区和饮西灌区，其中饮西灌区经河道下 泄，灌溉需水量大约占总灌溉需水量的一半，水库按饮西灌区灌溉水量和生态水量的大值 进行放流。由于5-8月饮马河的生态环境需水量均大于引西灌区灌溉供水量，因此水库按 生态环境需水量进行下泄。
按本实施例核算出的最终的水库生态放流量，评估在3种典型年(P＝50％平水年、P＝75％枯水年和P＝90％特枯水年)以及连续三年遭遇P＝75％枯水年、连续两年遭遇P＝90％ 特枯水年，第三年遭遇P＝75％枯水年两种极端情况下的可行性情况。假设水库蓄水期2021 年10月两个水库的库容均达到正常蓄水库容9.40亿m3和4.28亿m3，在现有工程及水任 务条件下，按照预测的不同频率入库水量计算，如果水库连续三年遭遇P＝75％枯水年，2024年10月末二龙山水库库容为2.93亿m3，高于水库死库容2.36亿m3，说明水库可以 保障三年的河道外和生态环境需水；如遇水库连续两年遭遇P＝90％特枯水年，第三年遭 遇P＝75％枯水年的极端情况，水库将运用至死库容，前两年供水和生态流量可以保障， 第三年供水和生态流量遭到破坏。极端情况下，生态放流方案对二龙山水库的供水会产生 一定影响，其他情况下能够保障水库对河道外的供水，因此方案具有可行性。
P＝75％和90％时，由于石头口门水库启动引松入长工程和中部城市引松供水工程， 其在以上两种极端情况下，库容分别下降至3.29亿m3和2.82亿m3，高于水库死库容0.44亿m3，水库可以保障三年的河道外用水和河道内生态环境需水，并仍具有一定的供水能力，说明核算出的水库生态放流方案对石头口门水库对河道外供水的影响较小，因此本实施例的核算方法有效。
Claims (10)
1.以提升水质为目标的水库生态放流量的核算方法，其特征在于该方法按照以下步骤进行：
一、目标河段确定与数据搜集：
确定目标河流和上游水库，搜集河流流域各目标河段监测断面的位置、地形、5-10年内各时段的流速、水深、水位、流量、污染物组分和污染物浓度，以及年径流量、多年平均流量；搜集上游水库的位置、水位和流量数据；
二、河流水质断面时空变化分析：
根据步骤一搜集的污染物组分和污染物浓度，采用单因子评价法确定河流的超标污染物，并确定超标污染物浓度的时空分布规律，计算出丰水期、平水期、枯水期的超标污染物浓度，作为超标污染物组分浓度边界输入值；
三、水文学方法计算最小生态流量：
采用水文学法中的Tennant法计算目标河段各断面逐月的生态流量，河道生态流量的计算公式如下：
WB＝MiNi
式中：WB为河道生态流量，单位为m3/s；Ni为对应的第i月份的推荐流量百分比；Mi为一年内第i个月多年平均流量，单位为m3/s；
四、水动力和水质模型建立与验证：
选择二维水质水动力模型MIKE系列软件中的MIKE21模型对目标河段进行水质水动力模拟，建立模型所需的地形、流速、水深、流量、水位数据，进行前处理，导入MIKE软件，进行网格划分，地形差值，在此基础上，建立水质水动力模型，并进行模拟误差分析，使模拟相对误差在±30％以内，纳什系数NSE>0.5，拟合优度R2>0.6；
五、模拟预测：
在水质水动力模型的基础上，以步骤二的丰水期、平水期、枯水期的超标污染物组分浓度边界输入值作为边界条件，通过WQ-水质模块模拟在不同的水库放流量下，下游河道监测断面的污染物的迁移规律，当断面污染物组分浓度满足该断面的水质目标时，将输入模型的水库放流量作为模拟生态放流量；
六、比较及确定方案：
将模拟生态放流量与步骤三得到的最小生态流量比较，以模拟生态放流量与最小生态流量中较大者作为水库生态放流量，完成以提升水质为目标的水库生态放流量的核算。
2.根据权利要求1所述的以提升水质为目标的水库生态放流量的核算方法，其特征在于步骤二中所述的筛选河水中的超标污染物，是将河水中实测污染物浓度与相应类别的水质标准比较，如果浓度超过相应类别的水质标准中对应的浓度值，则为超标污染物。
3.根据权利要求2所述的以提升水质为目标的水库生态放流量的核算方法，其特征在于所述的水质标准为《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)和/或国控断面的饮用水水源水质目标。
4.根据权利要求1或2所述的以提升水质为目标的水库生态放流量的核算方法，其特征在于步骤三中所述的推荐流量百分比为10％。
5.根据权利要求1或2所述的以提升水质为目标的水库生态放流量的核算方法，其特征在于步骤三中所述的多年平均流量是指自有监测资料以来的3～70年的平均流量。
6.根据权利要求1或2所述的以提升水质为目标的水库生态放流量的核算方法，其特征在于步骤四中所述的前处理是指将数据整理成模拟模型所需要的输入格式。
7.根据权利要求1或2所述的以提升水质为目标的水库生态放流量的核算方法，其特征在于步骤四中所述的超标污染物浓度指标为COD、NH3-N和/或TP指标。
8.根据权利要求1或2所述的以提升水质为目标的水库生态放流量的核算方法，其特征在于步骤四中所述的水质水动力模型的基本方程及求解方法如下：
式中：H为水深，H＝h+l，其中l、h分别为水位和水深，l、h的单位均为m；
p、q分别为x、y方向上的流通通量，p、q的单位均为m3/s；
c为谢才系数；
g为重力加速度，g的单位为m/s2；
f为科式力系数；
ρ为水的密度，ρ的单位为kg/m3；
W、Wx、Wy为风速及在x、y方向上的分量，W、Wx、Wy的单位均为m/s；
fW为风阻力系数；
τxx、τxy、τyy为有效剪切力分量，τxx、τxy、τyy的单位均为N。
9.根据权利要求1或2所述的以提升水质为目标的水库生态放流量的核算方法，其特征在于水质模型基本方程及求解方法如下：
式中：Ci为污染物浓度(mg/L)；
U、V为x、y方向上的流速分量，U、V的单位为m/s；
Ex、Ey为x、y方向上的扩散系数；
Ki为污染物降解系数；
Si为污染物底泥释放项。
10.根据权利要求1或2所述的以提升水质为目标的水库生态放流量的核算方法，其特征在于步骤五中所述的水质目标是指GB3838-2002《地表水环境质量标准》和/或国控断面的水质目标。
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