CN115796439B - 一种改变灌区工程取水量对河流水环境影响的分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改变灌区工程取水量对河流水环境影响的分析方法。包括以下步骤:1)分别收集取水断面取水前后的流量,取水断面取水前的污染物浓度,考核断面到取水断面的距离,集中退水断面到取水断面的距离,灌区渗漏退水单宽流量等资料;2)选择代表性污染物;3)计算取水断面污染物流到下游考核断面的污染物浓度Cx;4)计算改变取水条件对下游考核断面污染物浓度的影响用浓度减小率p;5)据现状下游考核断面污染物浓度C现状与水功能区污染物浓度限值C考核的关系进行取水对河流环境的影响分析,当C现状*(1‑p)未超过C考核时,则认为取水对下游河道污染物浓度的影响小。本发明简单、实用和高效。
Description
技术领域
本发明属于水利工程技术领域,具体为一种改变灌区工程取水量对河流水环境影响的分析方法。
背景技术
取水对河流下游污染物浓度影响程度的评价是开展规划和建设项目水资源论证、环境影响评价的基础。由于灌区作物不同、土壤墒情不同、不同时期及灌溉面积的改变等情况引起取水量的变化,从而影响河流下游污染物的浓度。现在一般是根据污染物迁移转化物理过程构建模型进行评估,水质模型的正确建立依赖于对各种污染物在水体中迁移转化过程的正确认知和定量表达,需要较多的实测数据和相关参数。例如《基于SWAT模型的东北水稻灌区水文及面源污染过程模拟》在多年试验的基础上,运用修正的SWAT模型对其开展了模拟研究。分析过程复杂且工作量巨大。本发明基于物质守恒,提出一种较为简单、实用和高效的分析方法。
发明内容
本发明的目的在于基于以上技术困难,提供一种改变灌区工程取水量对河流水环境影响的分析方法。即评价增加或减少取水量后下游河道断面污染物浓度变化情况。一般下游河道断面选择有具体考核要求的监测断面。
本发明的目的是这样实现的:
一种改变灌区工程取水量对河流水环境影响的分析方法,包括以下步骤:
1)收集资料:分别收集取水断面取水前后的流量Q0、Q'0,取水断面取水前的污染物浓度C0,考核断面到取水断面的距离x,集中退水断面到取水断面的距离x1,灌区渗漏退水单宽流量q0、对应的污染物浓度Cq、渗流系数γ、河段长度l、排水沟长度L及上游到取水断面的距离x2,取水后下游考核断面流量Q2、污染物浓度C2及水功能区污染物浓度限值C考核,河道比降i,实测大断面A,灌区地下水埋深h;
2)选择代表性污染物;
3)计算取水断面污染物流到下游考核断面的污染物浓度Cx,具体公式如下:
式中:取水断面污染物流到下游考核断面的污染物浓度Cx,mg/L;
x为考核断面到取水断面的距离,m;
v为设计流量下河道断面的平均流速,m/s;
C0为水断面取水前的污染物浓度,mg/L;
K为污染物综合衰减系数,s-1;
4)计算改变取水条件对下游考核断面污染物浓度的影响用浓度减小率p:
其中,
分别为方式1和方式2两种取水量下取水断面下泄流量,为步骤1)采集的为已知量(即取水后流量Q′0);
分别为方式1和方式2两种取水量下考核断面流量,为步骤1)采集的已知量;
分别为方式1和方式2两种取水量下取水断面污染物流到下游考核断面的污染物浓度,步骤3)计算获得;
C0为取水断面取水前污染物浓度,为步骤1)采集的已知量;
为方式1考核断面污染物浓度,为步骤1)采集的已知量;
Q1和Q2分别为取水方式1和取水方式2下灌区部分的河道沿程退水量;
m1和m2分别为取水方式1和取水方式2下灌区渗流排水污染物总量;
和/>分别为取水方式1和取水方式2下灌区渗漏退水单宽流量、/>和/>分别为取水方式1和取水方式2对应的灌区污染物浓度,L1和L2分别为取水方式1和取水方式2对应的排水沟长度;
γ为灌区渗漏退水渗流系数,m/s、A1和A2分别为取水方式1和取水方式2下河道实测大断面,m2、l1和l2分别为取水方式1和取水方式2下灌区部分的河段长度,m、和/>分别取水方式1和取水方式2下河道灌区部分的上游地下水埋深,m;
上述各符号中不同上标代表取水方式的不同,上标1表示取水方式1,上标2表示取水方式2;
5)评价取水对下游河道污染物浓度的影响:根据现状下游考核断面污染物浓度C现状与水功能区污染物浓度限值C考核的关系进行取水对河流环境的影响分析,当C现状*(1-p)未超过C考核时,则认为取水对下游河道污染物浓度的影响小。
进一步的,步骤2)中根据下游考核断面监测选择主要污染物和超标风险最大污染物作为代表性污染物。
进一步的,步骤3)中v的计算方法为:计算河道取水后取水断面流速v上和取水后考核断面流速v下;计算v上与v下的平均值得到v;
取水后取水断面流速v上的计算方法为:
v上=Q′0/(t*A上)
取水后考核断面流速v下的计算方法为:
v下=Q2/(t*A下)
其中:Q′0为取水断面取水后的流量,m3;Q2为考核断面取水后的流量,m3;A上为取水断面面积,m2;A下为考核断面面积,m2;t为时间,s。
本发明的优点和有益效果是:
利用质量守恒,采用隐式求解的办法(步骤4)分析取水对下游河道污染物浓度的影响。消除了灌区取水活动不造成影响的区间汇入污染物计算问题以及不同方案间水文条件差异等影响区间污染物消减量的问题。突出灌区取水退水过程,从而解决了区间汇水和污染物输入这部分资料收集、分析计算、建模等工作量大、难度高、效率低等问题。
资料需求量和工作量的减少能大大提高计算可靠性和工作效率。
由于河流区域特征差异明显,实测资料的普适性较差,本方法资料量减少,适应性好,适用于不同方案情景分析。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明流程图;
图2为本发明实施例1示意图。
具体实施方式
实施例一:
一种改变灌区工程取水量对河流水环境影响的分析方法,包括以下步骤:1)收集资料:取水断面取水前后的流量Q0、Q′0,污染物浓度C0,考核断面到取水断面的距离x,集中退水断面到取水断面的距离x1,灌区渗漏退水单宽流量q0、对应的污染物浓度Cq、渗流系数γ、河段长度l、排水沟长度L及上游到取水断面的距离x2,集中退水量Q退,集中退水污染物浓度C退,下游考核断面流量Q2、污染物浓度C2及水功能区污染物浓度限值C考核,河道比降i,实测大断面A,灌区地下水埋深h。
2)选择代表性污染物。根据下游考核断面监测选择主要污染物和超标风险最大污染物作为代表性污染物。
3)求取未增加取水条件下河道污染物综合衰减系数K:并根据《水域纳污能力计算规程》(GB/T25173-2010),选用河流一维模型分析取水对取水断面污染物运移到下游考核断面时的物浓度的影响。河段的污染物浓度按下式计算:
式中:取水断面污染物流到下游考核断面的污染物浓度Cx,mg/L;
x为考核断面到取水断面的距离,m;
v为设计流量下河道断面的平均流速,m/s;
C0为水断面取水前的污染物浓度,mg/L;
K为污染物综合衰减系数,s-1;
v的计算方法为:计算河道取水后取水断面流速v上和取水后考核断面流速v下;计算v上与v下的平均值得到v;
取水后取水断面流速v上的计算方法为:
v上=Q′0/(t*A上)
取水后考核断面流速v下的计算方法为:
v下=Q2/(t*A下)
其中:Q′0为取水断面取水后的流量,m3;Q2为考核断面取水后的流量,m3;A上为取水断面面积,m2;A下为考核断面面积,m2;t为时间,s。
4)计算改变取水条件对下游考核断面污染物浓度的影响用浓度减小率p:
其中,
分别为方式1和方式2两种取水量下取水断面下泄流量,为步骤1)采集的为已知量(即取水后流量Q′0);
分别为方式1和方式2两种取水量下考核断面流量,为步骤1)采集的已知量;
分别为方式1和方式2两种取水量下取水断面污染物流到下游考核断面的污染物浓度,步骤3)计算获得;
C0为取水断面取水前污染物浓度,为步骤1)采集的已知量;
为方式1考核断面污染物浓度,为步骤1)采集的已知量;
Q1和Q2分别为取水方式1和取水方式2下灌区部分的河道沿程退水量;
m1和m2分别为取水方式1和取水方式2下灌区渗流排水污染物总量;
上述公式的推导过程为:
根据质量守恒,取水断面污染物总量与下游考核断面污染物总量之间存在如下关系:
下游断面污染物总量=取水断面污染物总量-区间污染物消减量+区间污染物汇入量
Q2C2=Q0Cx+Qq1Cq1+Qq2Cq2+Q退C退+Q进1C进1+Q进2C进2
其中,Q′0 Cx、Qq1Cq1、Qq2Cq2和Q退C退是取水活动对污染物的影响项;Q进1C进1和Q进2C进2是非取水活动对污染物的影响项。Qq1、Cq1为取水断面到集中退水断面的沿程退水量和污染物浓度,Qq2、Cq2为集中退水断面到下游考核断面的沿程退水量和污染物浓度。
不同取水方案存在如下关系:
对于取水活动对污染物的影响项,下泄污染物总量和区间污染物消减量都产生变化。对于灌区工程取水,集中退水和沿程退水污染物都发生变化。
对于非取水活动对污染物的影响项,考虑人类活动强度很大,按照现有方法和相关评价规范要求,这部分资料收集、分析计算、建模等工作量大、难度高、效率低。由于这些变化因素不是由生产建设项目取水造成的,因此两种取水方案条件下严格一致。即经公式变换可以得到:
因此,改变取水条件对下游考核断面污染物浓度的影响可以用浓度减小率表示为:
令
则改变取水条件对下游考核断面污染物浓度的影响可以用浓度减小率表示为:
其中,取水断面下泄流量为已知量,下游考核断面流量/>为已知量,取水断面污染物流到下游考核断面的污染物浓度/>根据《水域纳污能力计算规程》(GB/T25173-2010),选用河流一维模型分析,取水断面初始污染物浓度C0为已知量,方式1下游考核断面污染物浓度/>为已知量,灌区渗漏退水单宽流量q0、对应的污染物浓度Cq、渗流系数γ、河段长度l、排水沟长度L及地下水埋深h为已知量,实测大断面A为已知量。计算得出浓度减小率p。
在灌溉期内,河道集中退水量包括了灌溉退水和渗流排水,而非灌溉期内,河道集中退水量仅为渗流排水。
考虑到影响渗流排水的主要因素(排水沟间距,深度,土壤水力性质)不发生变化,因而,灌溉退水量为集中退水位置的灌溉期流量与非灌溉期最小流量之差。
考虑到泡田期灌区中水由非饱和状态向饱和状态的过渡,以及土壤饱和后表层渗流和深层渗流的变化过程,采用自由渗流河渠非稳定流公式计算灌区向排水沟的渗出流量过程:
q0=εLμ(G0)′
其中:
式中:q0为灌区渗流排水单宽流量,m2/s;
ε为灌区渗漏量,mm;采用实测资料计算
L为排水沟的间距,m;
μ为土壤给水度;
a为导压系数;
T为计算时段,d;
为相对时间;
(G0)′为河渠流量函数;
α为延迟指数的倒数。
t时刻灌区中面源污染物向排水沟中渗出质量mt为渗出水流量(单宽流量与末级排水沟长度L的乘积)与渗出浓度Ct的乘积:
mt=q0LCt
尽管土壤中面源污染的转化包括了各种物理、化学、生物过程,由于其中绝大多数转化过程可以用一阶动力学方程描述,因此采用综合的一阶动力学系数描述土壤中面源污染物在各种物理、化学以及生物过程综合作用下的浓度衰减:
ct+1=cte-kt
式中:ct和ct+1分别为t和t+1时刻的渗出污染物浓度,mg/L;其中t为0时刻时污染物浓度为C0。
k为综合一阶动力学系数,d-1。
取水方案一下灌区渗流排水污染物总量计算公式如下:
取水方案二下灌区渗流排水污染物总量计算公式如下:
河道沿程退水包括取水断面到集中退水断面和集中退水断面到下游考核断面两部分的沿程退水。
取水断面到集中退水断面的沿程退水,考虑到取水量增加引起灌区水位抬高,污染物浓度不变,采用达西公式计算灌区部分的河道沿程退水过程:
式中:Q为渗流量,m3/s;
γ为渗流系数,反映了土壤的透水性能,m/s;
A为河道的横断面积,m2。
h2、h1分别为灌区上下游地下水埋深,m;
l为灌区渗漏河道长度,m。
取水方案一下灌区部分的河道沿程退水计算公式如下:
取水方案二下灌区部分的河道沿程退水计算公式如下:
由于污染物浓度不变,两种取水方案下灌区部分的河道沿程退水污染物总量计算如下:
5)根据现状下游考核断面污染物浓度C现状与水功能区污染物浓度限值C考核的关系进行取水对河流环境的影响分析,当C现状*(1-p)未超过C考核时,则取水对下游河道污染物浓度的影响很小。
最后应说明的是,以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳布置方案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精神和范围。
Claims (3)
1.一种改变灌区工程取水量对河流水环境影响的分析方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)收集资料:分别收集取水断面取水前后的流量Q0、Q'0,取水断面取水前的污染物浓度C0,考核断面到取水断面的距离x,集中退水断面到取水断面的距离x1,灌区渗漏退水单宽流量q0、对应的污染物浓度Cq、渗流系数γ、河段长度l、排水沟长度L及上游到取水断面的距离x2,取水后下游考核断面流量Q2、污染物浓度C2及水功能区污染物浓度限值C考核,河道比降i,实测大断面A,灌区地下水埋深h;
2)选择代表性污染物;
3)计算取水断面污染物流到下游考核断面的污染物浓度Cx,具体公式如下:
式中:取水断面污染物流到下游考核断面的污染物浓度Cx,mg/L;
x为考核断面到取水断面的距离,m;
v为设计流量下河道断面的平均流速,m/s;
C0为水断面取水前的污染物浓度,mg/L;
K为污染物综合衰减系数,s-1;
4)计算改变取水条件对下游考核断面污染物浓度的影响用浓度减小率p:
其中,
分别为方式1和方式2两种取水量下取水断面下泄流量,为步骤1)采集的为已知量;
分别为方式1和方式2两种取水量下考核断面流量,为步骤1)采集的已知量;
分别为方式1和方式2两种取水量下取水断面污染物流到下游考核断面的污染物浓度,步骤3)计算获得;
C0为取水断面取水前污染物浓度,为步骤1)采集的已知量;
为方式1考核断面污染物浓度,为步骤1)采集的已知量;
Q1和Q2分别为取水方式1和取水方式2下灌区部分的河道沿程退水量;
m1和m2分别为取水方式1和取水方式2下灌区渗流排水污染物总量;
和/>分别为取水方式1和取水方式2下灌区渗漏退水单宽流量、/>和/>分别为取水方式1和取水方式2对应的灌区污染物浓度,L1和L2分别为取水方式1和取水方式2对应的排水沟长度;
γ为灌区渗漏退水渗流系数、A1和A2分别为取水方式1和取水方式2下河道实测大断面、l1和l2分别为取水方式1和取水方式2下灌区部分的河段长度、和/>分别取水方式1和取水方式2下河道灌区部分的上游地下水埋深;
上述各符号中不同上标代表取水方式的不同,上标1表示取水方式1,上标2表示取水方式2;
5)评价取水对下游河道污染物浓度的影响:根据现状下游考核断面污染物浓度C现状与水功能区污染物浓度限值C考核的关系进行取水对河流环境的影响分析,当C现状*(1-p)未超过C考核时,则认为取水对下游河道污染物浓度的影响小。
2.根据权利要求1所述的改变灌区工程取水量对河流水环境影响的分析方法,其特征在于,步骤2)中根据下游考核断面监测选择主要污染物和超标风险最大污染物作为代表性污染物。
3.根据权利要求1所述的改变灌区工程取水量对河流水环境影响的分析方法,其特征在于,步骤3)中v的计算方法为:计算河道取水后取水断面流速v上和取水后考核断面流速v下;计算v上与v下的平均值得到v;
取水后取水断面流速v上的计算方法为:
v上=Q'0/(t*A上)
取水后考核断面流速v下的计算方法为:
v下=Q2/(t*A下)
其中:Q'0为取水断面取水后的流量,m3;Q2为考核断面取水后的流量,m3;A上为取水断面面积,m2;A下为考核断面面积,m2;t为时间,s。
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Non-Patent Citations (1)
Title |
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"水功能区(河段)纳污能力动态分析计算及过程化管控研究";张璇;《中国博士学位论文全文数据库工程科技Ⅰ辑》;第2021年卷(第01期期);第B027-191页 * |
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