CN114580220A - 一种河流多级坝系统关键参数获取方法 - Google Patents

Abstract

一种河流多级坝系统关键参数获取方法，包括以下步骤：1）构建流域污染物的生物地球化学收支模型和污染物输出系数模型；2）获取小流域的污染物入河系数，模拟小流域污染物入河量；3）确定河流流量、滞留时间、多级坝以及河流污染物截留率之间的关系；4）根据面源污染入河初始浓度、截留后预计净化后的浓度，以及单级水坝对污染物的截留率，确定建坝级数；5）根据建坝级数构建多级液压升降坝。本发明的河流多级坝系统关键参数获取方法，提高了对大尺度流域面源污染模拟的精度和对流域面源污染时间尺度的模拟精度；强化河流自净能力以改善水体水质，满足受纳水体污染物排放要求。

Description

一种河流多级坝系统关键参数获取方法

技术领域

本发明涉及小流域面源污染控制和治理技术领域，特别是涉及一种河流多级坝系统关键参数获取方法。

背景技术

随着社会经济的发展，人们为了提高作物产量，提高经济收入，小流域(源头流域)正经历着农业规模不断扩张、集约化和农业生产方式的巨大改变。因此，农业和化肥等生产要素的投入占比增加，大量未被利用的化肥、农药通过降雨径流流失进入河流。此外，农村生活污水、畜禽粪便以及养殖废水也成为我国农村地区水体面源污染的重要来源。这些来源的面源污染物是下游受纳水体，特别是饮用水水源地发生富营养化的主要因素；其机制为：首先，小流域（源头流域）往往接近陆地生态系统，受人类活动影响严重。农业扩张、集约化以及城市化的加剧造成大量污染物涌入河流；其次，小流域降雨-径流驱动的河流水力学负荷小、滞留时间短，水体对污染物截留率低，导致这些污染物进入河流后无法在较短时间内进行吸收降解便被输送至河口，成为引发下游湖库“水华”暴发的关键因素。因此，量化小流域源头面源污染输出，识别污染源贡献，是预防下游水体水质恶化的前提。减少面源污染输出、增强水体对营养盐截留效应，是解决源头河流水体污染，防止下游湖库富营养化的解决方向和技术手段。

对于面源污染的控制和治理，国内外已经集成了许多技术手段。在流域面源输出模拟技术中多数基于年尺度的污染物输出，因此在量化流域污染物输出方面仍存在许多不确定性。在面源污染截留控制技术方面，包括前置库、人工湿地、人工浮床等，这些技术主要通过构建对水体中氮、磷、碳等营养物吸收降解的微生物和水生植物系统，从而提高水体自净能力。然而，这种技术方案往往集中在污染物发生的末端，净化治理效果差，其次，这些技术没有从污染物发生的源头或者迁移转化的过程端进行精准量化污染物的来源以及与污染物截留相关联的关键参数，如：污染物入河量、河流水力学参数、污染物的特定去除速率以及受纳水体的污染物容纳量。一般而言，源头河流的河长较短、水深较浅，水体流速快，滞留时间短，微生物与水生植物无法充分将污染物降解吸收，水体中的泥沙营养物也不易沉淀。因此，流域营养盐（污染物）依然大量且快速地输送到下游水体，造成严重的水质污染。如何精准模拟小流域污染物输出，并提高源头河流对污染物的截留率，为防控水质富营养化等水质问题提供技术方案是本发明的关键技术方法。

发明内容

为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种河流多级坝系统关键参数获取方法，通过流域不同土地利用类型营养盐收支模拟技术与污染物输出系数模拟技术、河道截留技术、河流末端输出模拟技术，针对小流域源头河流水体流速快、滞留时间短、污染严重，模拟不同土地利用类型面源污染入河量，构建河流多级坝湿地系统。

为实现上述目的，本发明提供的河流多级坝系统关键参数获取方法，包括以下步骤：

1）构建流域污染物的生物地球化学收支模型和污染物输出系数模型；

2）获取小流域的污染物入河系数，模拟小流域污染物入河量；

3）确定河流流量、滞留时间、多级坝以及河流污染物截留率之间的关系；

4）根据面源污染入河初始浓度、截留后预计净化后的浓度，以及单级水坝对污染物的截留率，确定建坝级数；

5）根据建坝级数构建多级液压升降坝。

进一步地，所述步骤1），进一步包括，

根据选定的饮用水水源地的源头小流域；

以流域氮磷作为输入源和输出源，构建流域污染物的生物地球化学收支模型和污染物输出系数模型。

进一步地，所述步骤2），进一步包括，

基于逐日降雨量数据，利用降雨-径流的SCS-CN曲线模型模拟小流域日径流量；

结合河口污染物输出实测值，获取小流域的污染物入河系数，模拟小流域污染物入河量。

进一步地，所述步骤3），进一步包括，

根据小流域逐日径流量，确定河流最大来水量；

根据下游水体水质要求及河流最大来水量，确定河流流量、滞留时间、多级坝以及河流污染物截留率之间的关系。

进一步地，所述步骤4），进一步包括，

根据如下公式，确定建坝级数：

，

其中，n为建坝级数，C₀为面源污染入河初始浓度，C_t为截留后预计净化后的浓度，R_i为单级水坝对营养盐的截留率，1≤i≤n。

进一步地，所述单级水坝对营养盐的截留率，由以下公式计算得到：

，

，

，

其中，R为单级坝对污染物的截留率，

代表特定污染物在河流中的吸收速率，t为单级坝的滞留时间，D为深度，L为控制河流长度，W为河流宽度，Q为流量，

为河流最大来水量。

本发明的河流多级坝系统关键参数获取方法，与现有技术相比较，具有如下的技术有点：

（1）本发明基于流域土地利用和生物地球化学收支的面源污染物输出系数，模拟小流域污染物入河量。与国内外现有的面源污染物入河模拟技术相比，细化了不同土地利用类型对小流域面源污染的输出影响，提高了对大尺度流域面源污染模拟的精度。

（2）本发明是基于逐日降雨量评估的不同土地利用类型的污染物入河系数及入河量，揭示了降雨量对流域面源污染不同程度的影响，提高了对流域面源污染时间尺度的模拟精度。

（3）本发明针对河流水体流速快、水深浅，面源污染威胁大的源头小流域，构建了适合于小流域源头河流的多级坝湿地系统。通过多级坝的生态工程措施，改变河流水力参数，包括河流水深、流速、滞留时间，增加了污染物入河被微生物和水生植物降解吸收的时间，促进颗粒污染物的沉降，强化河流自净能力以改善水体水质。

（4）本发明针对河道在最小滞留时间下，污染物排放量、截留率依然满足受纳水体污染物排放要求。

（5）本发明针对小流域多级坝湿地系统采用液压升降坝，其结构简单、成本较低，可任意调节坝高，保障河道系统水流的连续性。

（6）本发明从源头量化了小流域不同土地利用类型造成的河流面源污染，对小流域面源污染物负荷量变化进行情景分析，结合河流污染物截留调控技术，形成系统的小流域面源污染源头控制技术。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本发明的实施例一起，用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为根据本发明的河流多级坝系统关键参数获取方法流程图；

图2为根据本发明的TN（总氮含量）与TP（总磷含量）截留率与水力参数之间关系曲线图；

图3为根据本发明的多级坝系统总氮、总磷去除率示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明河流多级坝系统关键参数获取方法，基于流域土地利用和污染物生物地球化学收支，构建小流域面源污染物入河模拟技术，模拟氮（N）、磷(P) 等污染物入河通量，识别并量化污染源贡献；基于河流水力负荷和污染物去除速率，模拟污染物在河流中的截留效率，识别河流对污染物截留的关键参数；构建河流多级坝湿地系统控制技术，增强河流对面源污染物的截留效应；形成小流域营养盐输送综合模拟技术，模拟并预测不同情景下流域面源污染输出通量，集成小流域面源污染控制技术。

实施例1

图1为根据本发明的河流多级坝系统关键参数获取方法流程图，下面将参考图1，对本发明的河流多级坝系统关键参数获取方法进行详细描述。

首先，在步骤101，构建流域污染物的生物地球化学收支模型和污染物输出系数模型。

本发明实施例中，选择饮用水水源地的源头小流域作为研究区域，构建自主的面源污染模型，包括流域污染物的生物地球化学收支模型和污染物输出系数模型。小流域氮、磷收支，包括流域氮磷输入源（包括化肥输入、大气沉降、作物固氮、畜禽养殖）及输出源（包括作物收获、化肥和畜禽粪便氮的反硝化）。

在步骤102，获取小流域的污染物入河系数，模拟小流域污染物入河量。

本发明实施例中，基于逐日降雨量数据，利用降雨-径流的SCS-CN曲线模型模拟小流域日径流量。结合河口污染物输出实测值，获取小流域的污染物入河系数，模拟小流域污染物入河量。

在步骤103，确定河流流量、滞留时间、多级坝以及河流污染物截留率之间的关系。

本发明实施例中，根据小流域逐日径流量模拟，确定河流最大来水量（Q_max）。根据下游水体水质要求及河流最大来水量（Q_max），确定河流流量 (Q)、滞留时间 (t)、多级坝以及河流污染物截留率之间的关系。

在步骤104，根据获取的面源污染入河初始浓度、截留后预计净化后的浓度以及单级水坝对污染物的截留率，确定建坝级数。

本发明实施例中，建坝级数选择由下式确定：

，式中n为建坝级数；C₀为面源污染（包括氮、磷等污染物）入河初始浓度；C_t为截留后预计净化后的浓度；R_i（1≤i≤n）为单级水坝对营养盐的截留率。

单级坝对污染物的截留率可表达为：

，

，

，

其中，R为单级坝对污染物的截留率；

代表特定污染物在河流中的吸收速率（m/d）；t为单级坝的滞留时间（d）；D为深度(m)；L为控制河流长度（m）；W为河流宽度（m）；Q为流量（m³/s）；

为河流最大来水量（m³/s）。

在步骤105，根据建坝级数，在河道上建造多级液压升降坝。

本发明实施例中，单级坝选用液压升降坝，实现自动调节坝高的目的。在河流较深、流量较大的条件下，抬高坝高；在河流较浅、流量较小时降低坝高，保障河流的连通性。在两级坝之间，根据河流深度、设计种植不同类型的水生植物（包括沉水植物、挺水植物、漂浮植物等），提高污染物去除速率。

实施例2

本发明在浙江省某饮用水水源地的水库汇水小流域，开展了为期2年的逐日降雨-径流和河流污染物输送的观测和模拟研究。研究系统考虑了流域土地利用类型、农业耕作体系组成、化肥施用、家畜粪便、大气沉降、生物固氮和非农业面源输入源，分别估算了不同土地利用类型的小流域营养盐收支。基于逐日降雨量模拟了流域日尺度径流量，明确小流域河流最大来水量。根据实测的河流输出断面营养盐日尺度输出量和径流量，获取了小流域污染物入河系数。根据入河系数模型，模拟了小流域长时间序列的污染物输出量。

根据当地河流降雨量获取河流最大日来水量，获取多级坝系统关键参数，即污染物的吸收速率、河流流速、滞留时间。

结合截留公式，

和

，得到河流对营养盐的截留率。通过改变河流水力参数，例如滞留时间，我们可以根据预想的截留效应设置大坝的控制河长和坝高。

根据公式

以及基于不同河流的水文情况，设置大坝级数。

1、试验点选择：

试验点小流域面积为50-100 km²,主要土地利用类型为林地、农田、村庄，其中农业用地约2000亩，主要农作物为果园。小流域林地坡度范围为30-55°，农田坡度范围为15-25°。

2、试验结果：

根据实测的河口氮磷污染物输出量表明，小流域超过90%的面源污染是由大于20mm降雨事件造成。因此本发明利用大于20mm降雨产径流构建了小流域面源污染入河系数模型，如图2所示，模拟了TN、TP截留率与河流水力参数（HL，即河流深度/河流水力滞留时间）之间的关系。

根据截留率与水力参数之间的关系，在该流域其中一条源头河流设置5级大坝。如表1所示，本试点5级有效大坝高设为0.25-1.0m。单级坝控制河长范围遵循高级数大坝控制河流长度越长，达到的截留效果越好。根据日降雨量模拟流域日最大来水量为25920 m³/d。由截留公式得到随着多级坝的建设，滞留时间急剧增加，TN、TP截留率呈指数增加，如图3所示。TN、TP三级坝滞留时间为3.86天，截留率分别为16.7%和22.3%；五级坝滞留时间增到23.15天，截留率为66.7%和78.1%。多级坝的建设减缓水体流速，有效增加滞留时间，因此多级坝的截留率会越来越高。

根据模型模拟，小流域面源污染造成的河流日均最大氮、磷输入浓度分别为2.47mg/L和1.0mg/L，属于劣Ⅴ类水质。根据多级坝截留公式

，在经过五级坝后，河口输出TN、TP浓度分别为0.43mg/L和0.09mg/L，河道TN和TP截留率达到82%和91%，河口输出水质达到Ⅱ类水标准。

表1源头河流多级坝关键参数及截留效应

注：*来水量为本研究流域日降雨达到最大时的径流量。

本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种河流多级坝系统关键参数获取方法，包括以下步骤：

1）构建流域污染物的生物地球化学收支模型和污染物输出系数模型；

2）获取小流域的污染物入河系数，模拟小流域污染物入河量；

3）确定河流流量、滞留时间、多级坝以及河流污染物截留率之间的关系；

4）根据面源污染入河初始浓度、截留后预计净化后的浓度，以及单级水坝对污染物的截留率，确定建坝级数；

5）根据建坝级数构建多级液压升降坝。

2.根据权利要求1所述的河流多级坝系统关键参数获取方法，其特征在于，所述步骤1），进一步包括，

根据选定的饮用水水源地的源头小流域；

以流域氮磷作为输入源和输出源，构建流域污染物的生物地球化学收支模型和污染物输出系数模型。

3.根据权利要求1所述的河流多级坝系统关键参数获取方法，其特征在于，所述步骤2），进一步包括，

基于逐日降雨量数据，利用降雨-径流的SCS-CN曲线模型模拟小流域日径流量；

结合河口污染物输出实测值，获取小流域的污染物入河系数，模拟小流域污染物入河量。

4.根据权利要求1所述的河流多级坝系统关键参数获取方法，其特征在于，所述步骤3），进一步包括，

根据小流域逐日径流量，确定河流最大来水量；

根据下游水体水质要求及河流最大来水量，确定河流流量、滞留时间、多级坝以及河流污染物截留率之间的关系。

5.根据权利要求1所述的河流多级坝系统关键参数获取方法，其特征在于，所述步骤4），进一步包括，

根据如下公式，确定建坝级数：

，

其中，n为建坝级数，C₀为面源污染入河初始浓度，C_t为截留后预计净化后的浓度，R_i为单级水坝对营养盐的截留率，1≤i≤n。

6.根据权利要求5所述的河流多级坝系统关键参数获取方法，其特征在于，所述单级水坝对营养盐的截留率，由以下公式计算得到：

，

，

，

其中，R为单级坝对污染物的截留率，

代表特定污染物在河流中的吸收速率，t为单级坝的滞留时间，D为深度，L为控制河流长度，W为河流宽度，Q为流量，

为河流最大来水量。

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