CN114757049A - 流域污水处理厂提标改造的必要性分析验证方法 - Google Patents

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陈杰
张亮
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Abstract

本发明公开了一种流域污水处理厂提标改造的必要性分析验证方法，包括步骤：S1.将污水厂所在流域作为目标区域，构建流域降雨径流模型；S2.验证流域降雨径流模型并修正模型参数；S3.根据设定的水位边界条件以及流域降雨径流模型输出的流量边界条件，构建水动力模型；S4.验证水动力模型并修正水动力参数；S5.基于水动力模型以及水质参数构建水质模型；S6.验证水质模型并修正水质参数；S7.设计污水厂提标改造方案，基于水质模型模拟提标改造方案下的河流水质，对比分析并验证污水厂提标改造的必要性。本发明能够科学地分析流域污水提标改造的必要性，分析效果可靠，适用范围广。

Description

流域污水处理厂提标改造的必要性分析验证方法
技术领域
本发明涉及污水处理领域，具体涉及一种流域污水处理厂提标改造的必要性分析验证方法。
背景技术
近年来，很多地区在水环境治理过程中，未遵循“厂-网-河”一体化的原则，孤立地看待污水处理厂出水指标问题，盲目地将其提高至一级A标、甚至《地表水环境质量标准》(GB 3838)Ⅳ类或III类标准。同时，目前污水厂提标改造研究多集中于工程设计及工艺设计范畴，而对提标改造必要性的论证研究较少。
在一定的治理目标前提下，具体到每一个污水厂，排放标准如何确定、是否需要提标、哪些指标需要提标与流域内水环境特征息息相关。为了深入推进水污染治理工作，提升水环境质量，需对将污水厂放入流域范围进行研究，综合考虑水文情况、河流水量及水质、污染负荷、水环境容量、污水水量及水质、污水厂运行情况等流域水环境特征。这些因素都大大增加了流域污水处理厂提标改造必要性论证的难度。
目前，常用理论计算的入河污染负荷和环境容量来评估流域水环境承载力，用环境容量和污染负荷差值来论证污水厂提标改造的必要性。这种方法存在一定的局限性，主要表现为：(1)对环境容量计算准确性有较高要求，而环境容量计算受污染物降解系数影响较大，而降解系数一般多采用经验参数，准确性难以保证；(2)理论计算方法无法直接得出河道水质，对于水质指标可达性无法直观评估；(3)理论计算一般以枯水期流量代入计算，计算最不利情况下环境容量，多为枯水期均值，而无法描述河道水环境质量的动态变化情况。
同时，考虑到河道水流条件的复杂性，常采用数学模型来模拟其复杂的河道水动力和污染物运移扩散带来的水质变化。目前模型应用较多的是WASP、QUAL2K、EFDC等，主要应用于水量模拟、污染物的模拟预测等领域，模型均用于模拟河流流量、水位、泥沙输送，并没有进行水质的模拟，从而无法科学地分析验证污水厂提标改造的必要性。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供流域污水处理厂提标改造的必要性分析验证方法，能够科学地分析流域污水提标改造的必要性，分析效果可靠，适用范围广。
本发明的流域污水处理厂提标改造的必要性分析验证方法，包括如下步骤：
S1.将污水厂所在流域作为目标区域，构建流域降雨径流模型；
S2.验证流域降雨径流模型并修正模型参数；
S3.根据设定的水位边界条件以及流域降雨径流模型输出的流量边界条件，构建水动力模型；
S4.验证水动力模型并修正水动力参数；
S5.基于水动力模型以及水质参数构建水质模型；其中，所述水质参数包括水质指标、水质边界、污染物降解系数以及扩散参数；
S6.验证水质模型并修正水质参数；
S7.设计污水厂提标改造方案，基于水质模型模拟提标改造方案下的河流水质，对比分析并验证污水厂提标改造的必要性。
进一步，构建流域降雨径流模型，具体包括：根据目标区域的气象数据，建立降雨序列文件和蒸发序列文件；以降雨序列文件和蒸发序列文件为基础数据进行河流水动力模拟，得到流域降雨径流模型。
进一步，所述步骤S2，具体包括：调整流域降雨径流模型中各个子流域参数，使得流域降雨径流模型输出的径流趋近于实际径流；其中，所述子流域参数包括地表储水层最大含水量、土壤或根区储水层最大含水量、土壤中流汇流时间CKIF、坡面流汇流系数CQOF、坡面流产流临界值TOF以及坡面流汇流时间CK12。
进一步，所述步骤S3，具体包括：建立目标区域的河网文件和断面文件，以河网文件和断面文件为基础数据生成目标区域的基本数值模型，在基本数值模型中设置水工结构物、水位流量边界、底部阻力参数、初始参数以及求解格式，得到目标区域的水动力模型。
进一步，所述步骤S4，具体包括：将资料时段内的入流流量、出流水位输入水动力模型中，输出模拟水位和流量；调整水动力模型的参数，使得水动力模型输出的模拟水位和流量趋近于资料时段内实测的水位数据和断面流量。
进一步，所述步骤S6，具体包括：将现状条件下的水质边界条件输入水质模型中，输出河道水质；调整水质模型中扩散系数、初始条件以及衰减系数，使得水质模型输出的河道水质趋近于河道断面实测水质。
进一步，所述步骤S7，具体包括：
将现状条件下的河道控制断面水质达标情况作为方案一；
将水质模型模拟常规污染治理措施下的河道控制断面水质达标情况作为方案二；
将水质模型模拟常规污染治理措施和污水厂提标改造条件下的河道控制断面水质达标情况作为方案三；
判断方案一、方案二以及方案三的控制断面水质达标情况，若方案一及方案二的控制断面水质均不达标，而方案三的河道控制断面水质达标，则污水厂有必要提标改造。
进一步，在水动力模型的构建过程中，通过控制空间步长以及时间步长，来提高水动力模型的稳定性与精度，具体包括：
a.确定水动力模型对应的克朗数Cr：
Figure BDA0003625807840000031
其中，g为重力加速度，D为水深，θ为流速，Δt为时间步长，Δx为空间步长；
b.调整时间步长以及空间步长，使得克朗数Cr小于设定值α。
本发明的有益效果是：本发明公开的一种流域污水处理厂提标改造的必要性分析验证方法，将污水厂放入流域范围进行研究，综合考虑水文情况、河流水量及水质、污染负荷、水环境容量、污水水量及水质、污水厂运行情况等流域水环境特征，针对河网复杂的水流特性，构建水动力模型与水质模型，可以确定污染源汇入点流量和浓度，得到河流各断面的水位过程线及污染物浓度的过程线，为河流污水厂排水标准的确定、提标改造方案的设计以及流域水环境治理项目的实施提供了决策依据。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的方法流程示意图；
图2为本发明的流域水系图；
图3(a)为本发明的COD水质达标的评估分析图；
图3(b)为本发明的NH3-N水质达标的评估分析图；
图3(c)为本发明的TP水质达标的评估分析图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明，如图所示：
本发明的流域污水处理厂提标改造的必要性分析验证方法，包括如下步骤：
S1.将污水厂所在流域作为目标区域，构建流域降雨径流模型；其中，通过分析污水厂的位置及所在河道规模，确定其上下游水位影响范围，并划分流域范围，可以得到模拟区域，该模拟区域即为目标区域，如图2所示；
S2.验证流域降雨径流模型并修正模型参数；
S3.根据设定的水位边界条件以及流域降雨径流模型输出的流量边界条件，构建水动力模型；
S4.验证水动力模型并修正水动力参数；
S5.基于水动力模型以及水质参数构建水质模型；其中，所述水质参数包括水质指标、水质边界、污染物降解系数以及扩散参数；
S6.验证水质模型并修正水质参数；
S7.设计污水厂提标改造方案，基于水质模型模拟提标改造方案下的河流水质，对比分析并验证污水厂提标改造的必要性。
本实施例中，步骤S1中，构建流域降雨径流模型，具体包括：根据目标区域的气象数据，建立降雨序列文件和蒸发序列文件；以降雨序列文件和蒸发序列文件为基础数据进行河流水动力模拟，得到流域降雨径流模型。其中，将降雨序列文件和蒸发序列文件输入到MIKE11水动力模拟软件，MIKE11调用降雨径流模块(NAM)进行河流水动力模拟，得到流域降雨径流模型。所述降雨径流模块(NAM)用于连续降雨径流模拟，并且可以与水动力模块(HD)进行耦合，为一维水动力模型提供流量边界。
本实施例中，所述步骤S2，具体包括：调整流域降雨径流模型中各个子流域参数，使得流域降雨径流模型输出的径流趋近于实际径流；也即是，通过上述操作，使得模拟出来的径流与实际径流拟合较好。其中，所述子流域参数包括地表储水层最大含水量、土壤或根区储水层最大含水量、土壤中流汇流时间CKIF、坡面流汇流系数CQOF、坡面流产流临界值TOF以及坡面流汇流时间CK12。
本实施例中，所述步骤S3，具体包括：建立目标区域的河网文件和断面文件，以河网文件和断面文件为基础数据生成目标区域的基本数值模型，在基本数值模型中设置水工结构物、水位流量边界、底部阻力参数、初始参数以及求解格式，得到目标区域的水动力模型。其中，水位流量边界即为流域降雨径流模型输出的流量边界条件；将河网文件和断面文件输入到MIKE11水动力模拟软件，由MIKE11调用水动力模块(HD)生成目标区域的基本数值模型，进而得到一维水动力模型；所述水动力模块(HD)主要用于计算河道流量和水位；通过采用一维非恒定流运动的圣维南方程组来计算流量与水位，其中，方程组利用Abbott-Ionescu六点隐式有限差分格式离散控制方程组，该格式在每一个网格点不同时计算水位和流量，按顺序交替计算水位或流量，分别称为h点和Q点。
具体地，通过GIS软件将目标区域范围内的河道中心线，存成shp文件格式，然后在MIKE11中建立河网文件，描述河流干流和支流对河流名称、起止点里程、河流流向、河流类型及河流连接信息等。河道断面文件采用实测断面数据，本次实测数据为每200m一个断面，概化断面共计103个，多为不规则的梯形断面；再在基本数值模型中设置水工结构物，包括堰和闸等。本次案例河道仅有溢流堰，根据实际高程设置。概述前述的所有信息，可以在河网中显示断面、水工建筑物等的相对位置，并结合以上信息定义计算点等。
本实施例中，所述步骤S4，具体包括：将资料时段内的入流流量、出流水位输入水动力模型中，输出模拟水位和流量；调整水动力模型的参数，使得水动力模型输出的模拟水位和流量趋近于资料时段内实测的水位数据和断面流量。也即是，根据资料时段内实测的断面流量和水位数据对水动力模型进行验证，并修正水动力模型参数，使得模型的拟合精度达到目标要求。
将河网上游处设置为流量边界，将下游入江口处设置为水位边界，其他点源排放口设置为点源边界，污水厂概化为点源边界。
一维水动力模型的准确计算往往依赖于经验对参数的确定，水动力参数设置主要设置河床糙率，河床糙率值设置全域值和局部值，对于简单的河网而言，可以给出一个统一的模型参数，即全域值，也就是说河网中每个断面处的糙率都一样。但是对于复杂的河网中某些河段的模型参数可能与其他河段不一样，这就需要细化参数赋值，即局部值。本次案例模型中设置全域值。
通过实测水文或者流量的率定，可大大提高模型参数的可靠度。本案例校核断面实测多年平均流量1.28m3/s，模型计算流量1.22m3/s，较实测流量偏小0.06m3/s，误差为5％，在可接受范围。
本实施例中，步骤S5中，基于水动力模型以及水质参数构建水质模型；其中，将水动力模型输出的河道流量和水位以及水质参数输入到MIKE11中，并由MIKE11调用水质模块(AD)生成水质模型。所述水质模块(AD)用于求解污染物质的一维对流扩散过程。所述水质模型为一维稳态水质模型，水质模块能够准确计算污染物的较大浓度梯度过程，主要采用一维对流扩散基本方程进行计算。
水质指标：根据案例河道主要污染物，计算选取COD、NH3-N以及TP共3个水质指标；
水质边界：上游水质边界采用实测水质，下游入江口可不设置水质边界；
污染物降解系数：参考国内条件类似河流的降解系数设置初值，并根据河道断面实测水质数据进行率定，经过反复调试参数，最终确定参数取值。COD衰减系数值为0.007h-1，NH3-N衰减系数值为0.006h-1，TP衰减系数值为0.004h-1。
扩散参数：参考国内同类型河流的扩散参数设置初值，并根据河道断面实测水质数据进行率定，经过反复调试参数，最终确定参数取值。模型纵向扩散系数取7m2·s-1。
本实施例中，所述步骤S6，具体包括：将现状条件下的水质边界条件输入水质模型中，输出河道水质；调整水质模型中扩散系数、初始条件以及衰减系数，使得水质模型输出的河道水质趋近于河道断面实测水质。也即是，根据水质模型计算水质与河道断面实测水质参数对比，验证水质模型，通过不断调试水质模型扩散系数、初始条件和衰减系数，直到水质拟合精度达到要求。
本实施例中，所述步骤S7，具体包括：
将现状条件下的河道控制断面水质达标情况作为方案一；
将水质模型模拟常规污染治理措施下的河道控制断面水质达标情况作为方案二；
将水质模型模拟常规污染治理措施和污水厂提标改造条件下的河道控制断面水质达标情况作为方案三；
判断方案一、方案二以及方案三的控制断面水质达标情况，若方案一及方案二的控制断面水质均不达标，而方案三的河道控制断面水质达标，则污水厂有必要提标改造。
本实施例中，在水动力模型的构建过程中，通过控制空间步长以及时间步长，来提高水动力模型的稳定性与精度，具体包括：
a.确定水动力模型对应的克朗数Cr：
Figure BDA0003625807840000081
其中，g为重力加速度，D为水深，θ为流速，Δt为时间步长，Δx为空间步长；
b.调整时间步长以及空间步长，使得克朗数Cr小于设定值α。调整时间步长就是调整模型的计算间隔，调整空间步长就是调整模型中网格点之间的距离；通过不断调整时间步长以及空间步长，使得克朗数Cr小于10，此时水动力模型较为稳定。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种流域污水处理厂提标改造的必要性分析验证方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1.将污水厂所在流域作为目标区域，构建流域降雨径流模型；
S2.验证流域降雨径流模型并修正模型参数；
S3.根据设定的水位边界条件以及流域降雨径流模型输出的流量边界条件，构建水动力模型；
S4.验证水动力模型并修正水动力参数；
S5.基于水动力模型以及水质参数构建水质模型；其中，所述水质参数包括水质指标、水质边界、污染物降解系数以及扩散参数；
S6.验证水质模型并修正水质参数；
S7.设计污水厂提标改造方案，基于水质模型模拟提标改造方案下的河流水质，对比分析并验证污水厂提标改造的必要性。
2.根据权利要求1所述的流域污水处理厂提标改造的必要性分析验证方法，其特征在于：构建流域降雨径流模型，具体包括：根据目标区域的气象数据，建立降雨序列文件和蒸发序列文件；以降雨序列文件和蒸发序列文件为基础数据进行河流水动力模拟，得到流域降雨径流模型。
3.根据权利要求1所述的流域污水处理厂提标改造的必要性分析验证方法，其特征在于：所述步骤S2，具体包括：调整流域降雨径流模型中各个子流域参数，使得流域降雨径流模型输出的径流趋近于实际径流；其中，所述子流域参数包括地表储水层最大含水量、土壤或根区储水层最大含水量、土壤中流汇流时间CKIF、坡面流汇流系数CQOF、坡面流产流临界值TOF以及坡面流汇流时间CK12。
4.根据权利要求1所述的流域污水处理厂提标改造的必要性分析验证方法，其特征在于：所述步骤S3，具体包括：建立目标区域的河网文件和断面文件，以河网文件和断面文件为基础数据生成目标区域的基本数值模型，在基本数值模型中设置水工结构物、水位流量边界、底部阻力参数、初始参数以及求解格式，得到目标区域的水动力模型。
5.根据权利要求1所述的流域污水处理厂提标改造的必要性分析验证方法，其特征在于：所述步骤S4，具体包括：将资料时段内的入流流量、出流水位输入水动力模型中，输出模拟水位和流量；调整水动力模型的参数，使得水动力模型输出的模拟水位和流量趋近于资料时段内实测的水位数据和断面流量。
6.根据权利要求1所述的流域污水处理厂提标改造的必要性分析验证方法，其特征在于：所述步骤S6，具体包括：将现状条件下的水质边界条件输入水质模型中，输出河道水质；调整水质模型中扩散系数、初始条件以及衰减系数，使得水质模型输出的河道水质趋近于河道断面实测水质。
7.根据权利要求1所述的流域污水处理厂提标改造的必要性分析验证方法，其特征在于：所述步骤S7，具体包括：
将现状条件下的河道控制断面水质达标情况作为方案一；
将水质模型模拟常规污染治理措施下的河道控制断面水质达标情况作为方案二；
将水质模型模拟常规污染治理措施和污水厂提标改造条件下的河道控制断面水质达标情况作为方案三；
判断方案一、方案二以及方案三的控制断面水质达标情况，若方案一及方案二的控制断面水质均不达标，而方案三的河道控制断面水质达标，则污水厂有必要提标改造。
8.根据权利要求1所述的流域污水处理厂提标改造的必要性分析验证方法，其特征在于：在水动力模型的构建过程中，通过控制空间步长以及时间步长，来提高水动力模型的稳定性与精度，具体包括：
a.确定水动力模型对应的克朗数Cr：
Figure FDA0003625807830000021
其中，g为重力加速度，D为水深，θ为流速，Δt为时间步长，Δx为空间步长；
b.调整时间步长以及空间步长，使得克朗数Cr小于设定值α。
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