CN117391316A - 一种蓄洪区水质净化能力的预评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种蓄洪区水质净化能力的预评估方法，包括：（1）获取蓄洪区湿地功能分区的规划植被类型及种植面积；（2）分别预测湿地功能分区种植各规划植被类型时的日平均水力负荷；（3）根据蓄洪区近年水质监测数据，获得正常工况和极端工况下的水质指标值；（4）以蓄洪区出口断面目标水质作为水质指标目标值，分别预测正常工况和极端工况下污染物应达到的去除率；（5）分别获取蓄洪区在各场景下的预测参数集；（6）分别将各场景下的预测参数集与蓄洪区设计规范要求进行比较，判断蓄洪区水质净化目标是否可达。本发明可科学预测蓄洪区的水质净化能力，预测结果可用来指导和/或优化蓄洪区的农业生产等建设。
Description
技术领域
本申请属于生态环境评估技术领域，特别涉及一种蓄洪区水质净化能力的预评估方法。
背景技术
蓄洪区除作为超标准洪水调蓄场所外，往往还需要考虑生物多样性营造和水质净化功能。然而，蓄洪区多为农业生产区，通过蓄洪区湿地与生态农业相结合，能否在不影响农业生产的情况下同时兼顾水质净化功能，是蓄洪区湿地与农业生产有效结合所面临的重要挑战。因此，科学评估湿地与生态农业结合后蓄洪区水质净化能力能否达标，即蓄洪区能否同时发挥水质净化功能，对蓄洪区建设具有重要意义。
发明内容
本申请的目的是提供一种蓄洪区水质净化能力的预评估方法，本申请能科学地预测蓄洪区的水质净化能力，从而指导蓄洪区农业生产的建设和/或优化。
本申请提供的一种蓄洪区水质净化能力的预评估方法，包括：
（1）从蓄洪区种植规划中获取蓄洪区湿地功能分区的规划植被类型及种植面积；
（2）分别预测湿地功能分区种植各规划植被类型时的日平均水力负荷，包括：预先划蓄洪区定气温条件；根据各气温条件下湿地功能分区种植各规划植被类型时的水力负荷设计值，预测各气温条件下湿地功能分区种植各规划植被类型时的日平均水处理量，并计算湿地功能分区种植各规划植被类型时的完整年日平均水处理量，从而预测湿地功能分区种植各规划植被类型时的日平均水力负荷值；
（3）根据蓄洪区近3~5年水质监测数据，获得水质指标的月均最大值和最大月均值，分别作为正常工况和极端工况下蓄洪区的水质指标值；
（4）以蓄洪区出口断面目标水质作为水质指标目标值，分别预测正常工况和极端工况下污染物应达到的去除率；
（5）分别获取蓄洪区在各场景下的预测参数集，所述预测参数集至少包括湿地功能分区的日平均水力负荷值以及蓄洪区污染物应达到的去除率；所述场景包括湿地功能分区种植不同规划植被时的正常工况和极端工况；
（6）分别将各场景下的预测参数集与蓄洪区的设计规范要求进行比较，参数均满足设计规范要求的场景，其水质净化目标可达；部分参数满足或所有参数均不满足设计规范要求的场景，其水质净化目标不可达。
进一步的，湿地功能分区包括多田湿地区，沼泽湿地区，林草湿地区中的一种或多种。
在一些具体实施方式中，步骤（2）进一步包括：
2.1 根据蓄洪区所在地气温预先划定气温条件；
2.2根据蓄洪区规划数据，分别获取各气温条件下湿地功能分区种植各规划植被类型时的水力负荷设计值P ij ，从而预测各气温条件下湿地功能分区种植各规划植被类型时的日平均水处理量；
2.3 根据日平均水处理量，计算湿地功能分区种植各规划植被类型时的完整年日平均水处理量；
2.4 根据完整年日平均水处理量，预测湿地功能分区种植各规划植被类型时的日平均水力负荷值；
其中，i代表规划植被类型；j代表气温条件；P ij 代表气温条件j下种植规划植被类型i时的水力负荷设计值；W ij 代表气温条件j下种植规划植被类型i时的日平均水处理量，A i 代表湿地功能分区规划植被类型i的种植面积；表示湿地功能分区种植规划植被类型i时完整年的日平均水处理量；J表示气温条件数量；tj表示一年中气温条件j对应的天数；T表示一年的总天数；P i 表示湿地功能分区种植规划植被类型i的日平均水力负荷值。
在一些具体实施方式中，气温条件包括寒冷气温，中等气温和适宜气温。
进一步的，寒冷气温对应的气温<5℃，所述中等气温对应的气温为5℃~15℃，所述适宜气温对应的气温>15℃。
在一些具体实施方式中，水质指标包括氨氮和总磷。
在一些具体实施方式中，预测参数集还包括水力停留时间和污染物面积负荷。
在一些具体实施方式中，水力停留时间的预测为：
根据湿地功能分区的有效容积V和设计流量Q，计算湿地功能分区的水力停留时间T=V/Q，其中，T单位：d；V单位：m 3 ；Q单位：m 3 /d。
在一些具体实施方式中，污染物面积负荷的预测为：
根据蓄洪区的设计流量Q，表面积A，进水污染物浓度S 0和出水污染物浓度S 1，计算污染物面积负荷，其中，N单位：g/m 2·d；Q单位：m 3 /d；S 0和S 1单位：g/m 3；A单位：m 2；进水污染物浓度S 0采用对应工况下的水质指标值，出水污染物浓度S 1采用水质指标目标值。
与现有技术相比，本申请具有如下优点和有益效果：
本申请可科学预测不同场景下蓄洪区的水质净化能力，具体的，可有效预测不同场景下蓄洪区水质净化目标是否可达，预测结果可用来指导和/或优化蓄洪区的农业生产等建设。本申请方法具有科学性和可操作性。
附图说明
图1所示为本申请方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
下面将参照图1提供本申请预评估方法的具体实施步骤，包括：
（1）根据蓄洪区的种植规划，获取蓄洪区中湿地功能分区的规划植被类型及种植面积；湿地功能分区可选择蓄洪区中所有或部分的湿地功能分区。
本实施例中蓄洪区的湿地功能分区有多田湿地区，沼泽湿地区和林草湿地区，其中林草湿地区通过泵站引排水，考虑到其长期作为净化型湿地能耗较大，故本实施例不考虑其水质净化能力，仅考虑多田湿地区和沼泽湿地区的水质净化能力。
从蓄洪区的种植规划中可获得各湿地功能分区规划种植的植被类型。对各湿地功能分区，其规划植被类型可以为一种或多种，实际种植植被从规划植被类型中进行选择。将湿地功能分区的规划植被类型及对应的种植面积作为评估参数。本实施例中根据蓄洪区的种植规划，多田湿地区的规划植被类型有普通水稻和高杆水稻，种植面积为194hm2；沼泽湿地区的规划植被类型仅有普通水稻，种植面积为340hm2。湿地功能分区的评估参数数据列于表1。
表1 多田湿地区和沼泽湿地区的评估参数数据
（2）分别预测湿地功能分区种植各规划植被类型时的日平均水力负荷。
本步骤进一步包括：对湿地功能分区分别执行如下：
2.1 根据蓄洪区所在地气温预先划定气温条件；
本实施例中划定了三个气温条件：当j=1，表示寒冷气温，对应的气温<5℃；当j=2，表示中等气温，对应的气温为5℃~15℃；当j=3，表示适宜气温，对应的气温>15℃。
2.2 根据蓄洪区规划数据，分别获取各气温条件下湿地功能分区种植各规划植被类型时的水力负荷设计值P ij ，从而预测各气温条件下湿地功能分区种植各规划植被类型时的日平均水处理量；
2.3 根据日平均水处理量，计算湿地功能分区种植各规划植被类型时的完整年日平均水处理量；
2.4 根据完整年日平均水处理量，预测湿地功能分区种植各规划植被类型时的日平均水力负荷值；
上述，i代表规划植被类型；j代表气温条件；P ij 代表气温条件j下种植规划植被类型i时的水力负荷设计值；W ij 代表气温条件j下种植规划植被类型i时的日平均水处理量，A i 代表湿地功能分区规划植被类型i的种植面积；表示湿地功能分区种植规划植被类型i时完整年的日平均水处理量；J表示气温条件数量；tj表示一年中气温条件j对应的天数；T表示一年的总天数；P i 表示湿地功能分区种植规划植被类型i的日平均水力负荷值。
湿地功能分区的水处理能力与气温条件以及所种植植被类型相关。本实施例中，寒冷气温下，多田湿地区和沼泽湿地区种植普通水稻时，水力负荷设计值为0.004m3/（m2·d），根据水力负荷设计值预测多田湿地区和沼泽湿地区种植普通水稻时的日平均水处理量，分别为0.8万m3和1.4万m3。中等气温下，多田湿地区和沼泽湿地区种植普通水稻时，水力负荷设计值为0.008m3/（m2·d），根据水力负荷设计值预测多田湿地区和沼泽湿地区种植普通水稻时的日平均水处理量，分别为1.6万m3和2.7万m3。适宜气温下，多田湿地区和沼泽湿地区种植普通水稻时，水力负荷设计值均为0.02m3/（m2·d），根据水力负荷设计值预测多田湿地区和沼泽湿地区种植普通水稻时的日平均水处理量，分别为3.9万m3和6.8万m3。
则在多田湿地区和沼泽湿地区种植普通水稻时，多田湿地区和沼泽湿地区一个完整年的日平均水处理量分别为2.7万m3和3.4万m3；预测出多田湿地区和沼泽湿地区的日平均水力负荷值，分别为0.014m3/（m2·d）和0.01m3/（m2·d）。多田湿地区和沼泽湿地区种植普通水稻时的水力负荷值和日平均水处理量数据列于下表2。
表2 多田湿地区和沼泽湿地区种植普通水稻时的数据
本实施例中，寒冷气温下，多田湿地区种植高杆水稻时，水力负荷设计值为0.012m3/（m2·d），根据水力负荷设计值预测多田湿地区种植高杆水稻时的日平均水处理量为2.3万m3。中等气温下，多田湿地区种植高杆水稻时，水力负荷设计值为0.048m3/（m2·d），根据水力负荷设计值预测多田湿地区种植水稻时的日平均水处理量为9.3万m3。适宜气温下，多田湿地区远期种植高杆水稻时，水力负荷设计值为0.212m3/（m2·d），根据水力负荷设计值预测多田湿地区种植高杆水稻时的日平均水处理量为41万m3。
则在多田湿地区种植高杆水稻时，多田湿地区一个完整年的日平均水处理量为16.3万m3，预测出多田湿地区的日平均水力负荷值为0.084m3/（m2·d）。将多田湿地区种植高杆水稻时的水力负荷值和日平均水处理量数据列于下表3。
表3 多田湿地区和沼泽湿地区远期的水力负荷值数据
（3）获取蓄洪区近n年水质监测数据，根据水质监测数据获得近n年水质指标的月均最大值max（WQ m ）和最大月均值max（WQ ym ），将月均最大值和最大月均值分别作为正常工况和极端工况下蓄洪区的水质指标值；n优选3~5；本实施例中水质指标包括氨氮和总磷但不限于氨氮和总磷。
需要说明的是，y代表年份，m代表月份，m=1，2，...，12，则WQ m 表示近n年中n个m月份的水质指标平均值，WQ ym 表示y年份m月份的水质指标平均值。具体的，月均最大值的计算为：先获取近n年各月份的水质指标值，将相同月份的水质指标值取平均，获得各相同月份的水质指标平均值WQ m ，最终获得12个水质指标平均值WQ m ，取其中最大值max（WQ m ）即月均最大值。最大月均值的计算为：分别计算近n年共12n个月份的水质指标平均值WQ ym ，取其中最大值max（WQ ym ）。
（4）以蓄洪区出口断面目标水质作为水质指标目标值，根据正常工况和极端工况下蓄洪区的水质指标值，分别预测正常工况和极端工况下污染物应达到的去除率。
应达到的去除率指达到水质指标目标值的去除率，具体的，正常工况下污染物应达到的去除率为，极端工况下污染物应达到的去除率为/>。
本实施例中取蓄洪区近3年水质监测数据，计算出近3年氨氮的月均最大值为2.47mg/L，则正常工况下氨氮2.47mg/L，蓄洪区出口断面氨氮水质参考标准为地表IV类水标准，即目标水质中氨氮目标值为1.50mg/L，则正常工况下氨氮污染物的去除率应达到39%。同样的，根据蓄洪区近3年水质监测数据，计算出近3年总磷的月均最大值为0.29mg/L，则正常工况下总磷0.29mg/L，蓄洪区出口断面总磷水质参考标准为III类水标准，即目标水质中总磷目标值为0.20mg/L，则正常工况下总磷污染物的去除率应达到31%。
本实施例中取蓄洪区近3年水质监测数据，计算出近3年氨氮的最大月均值为4.08mg/L，则极端工况下氨氮4.08mg/L，蓄洪区出口断面氨氮水质参考标准为地表IV类水标准，即目标水质中氨氮目标值为1.50mg/L，则极端工况下氨氮污染物的去除率应达到63.2%。同样的，根据蓄洪区近3年水质监测数据，计算出近3年总磷的最大月均值为0.40mg/L，则极端工况下总磷0.40mg/L，蓄洪区出口断面总磷水质参考标准为III类水标准，即目标水质中总磷目标值为0.20mg/L，则极端工况下总磷污染物的去除率应达到50%。
（5）分别获取蓄洪区在各场景下的预测参数集，所述预测参数集至少包括湿地功能分区的日平均水力负荷值以及蓄洪区污染物应达到的去除率；所述场景包括湿地功能分区种植不同规划植被时的正常工况和极端工况。
本实施例中，预测参数集还包括湿度功能分区的水力停留时间以及蓄洪区的和污染物面积负荷。水力停留时间和污染物面积负荷参照《CJJT 54-2017污水自然处理工程技术规程》标准进行预测，具体的，根据湿地功能分区的有效容积V和设计流量Q计算湿地功能分区的水力停留时间T=V/Q，其中，T单位：d；V单位：m 3 ；Q单位：m 3 /d；根据蓄洪区的设计流量Q，表面积A，进水污染物浓度S 0和出水污染物浓度S 1，计算污染物面积负荷，其中，N单位：g/m 2·d；Q单位：m 3 /d；S 0和S 1单位：g/m 3；A单位：m 2。本申请中，进水污染物浓度S 0采用对应工况下的水质指标值，出水污染物浓度S 1采用水质指标目标值。
本实施例中，多田湿地区和沼泽湿地区均种植普通水稻时，在正常工况下，氨氮进水水质为2.47mg/L，氨氮出水水质要求1.50mg/L，总磷进水水质为0.29mg/L，出水水质要求为0.20mg/L，多田湿地区和沼泽湿地区的日平均水力负荷值分别为0.014m3/（m2·d）和0.01m3/（m2·d），多田湿地区和沼泽湿地区的水力停留时间分别为6.43天和9天，氨氮面积负荷计算值为0.014g/（m2·d），总磷面积负荷计算值为0.0013（m2·d），氨氮去除率为39%，总磷去除率为31%。
本实施例中，多田湿地区和沼泽湿地区均种植普通水稻时，在极端工况下，氨氮进水水质为4.08mg/L，氨氮出水水质要求为1.50mg/L，总磷进水水质为0.40mg/L，总磷出水水质要求为0.20mg/L，多田湿地区和沼泽湿地区的日平均水力负荷值分别为0.014m3/（m2·d）和0.01m3/（m2·d），多田湿地区和沼泽湿地区的水力停留时间分别为6.43天和9天，氨氮面积负荷计算值0.030g/（m2·d），总磷面积负荷计算值为0.0023（m2·d），氨氮去除率为63.2%，总磷去除率为50%。
本实施例中，多田湿地区种植高杆水稻且沼泽湿地区均种植普通水稻时，在正常工况下，氨氮进水水质为2.47mg/L，氨氮出水水质要求为1.50mg/L，总磷进水水质为0.29mg/L，总磷出水水质要求为0.20mg/L，多田湿地区和沼泽湿地区的水力负荷值分别为0.084m3/（m2·d）和0.01m3/（m2·d），多田湿地区和沼泽湿地区的水力停留时间分别为4.29天和9天，氨氮表面负荷计算值0.08g/（m2·d），总磷表面负荷计算值为0.008（m2·d），氨氮去除率为39%，总磷去除率为31%。
本实施例中，多田湿地区种植高高杆水稻且沼泽湿地区均种植普通水稻时，极端工况下，氨氮进水水质为4.08mg/L，氨氮出水水质要求为1.50mg/L，总磷进水水质为0.40mg/L，总磷出水水质要求为0.20mg/L，多田湿地区和沼泽湿地区的水力负荷值分别为0.084m3/（m2·d）和0.01m3/（m2·d），多田湿地区和沼泽湿地区的水力停留时间分别为4.29天和9天，氨氮表面负荷计算值0.22g/（m2·d），总磷表面负荷计算值为0.017（m2·d），氨氮去除率为63.2%，总磷去除率为50%。
（6）分别将各场景下的预测参数集与蓄洪区的设计规范要求进行比较，参数均满足设计规范要求的场景，其水质净化目标可达；部分参数满足或所有参数均不满足设计规范要求的场景，其水质净化目标不可达。
本实施例中，蓄洪区的设计规范要求为：水力停留时间大于4天，水力负荷值小于0.15m3/（m2·d），氨氮面积负荷小于0.8g/（m2·d），总磷面积负荷小于0.08g/（m2·d），氨氮去除率为15%~40%，总磷去除率为20%~50%。因此，正常工况下的两个场景均满足设计规范要求，但极端工况下氨氮和总磷的去除率不满足设计规范要求。
本申请预评估方法可对蓄洪区水质净化能力进行科学且全面的预评估，预评估结果可用来指导和/或优化蓄洪区的建设。特别的，本申请设计了不同场景，对蓄洪区不同场景下的水质净化能力进行预评估，具体的，预评估水质净化目标是否可达；当有场景下的水质净化目标预评估为不可达，则可进一步对蓄洪区当前的设计规划方案进行优化，之后再重复上述步骤，直至所有场景下水质净化目标均可达。
故可针对氨氮和总磷的去除率不达标来设计优化方案，例如：将各湿地功能分区分为3~4级，延长水在湿地功能分区中的净化时间，同时依然满足水力负荷和污染物面积负荷。
注意，上述仅为本申请的较佳实施例及所运用的技术原理。本领域技术人员会理解，本申请不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本申请的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明，但是本申请不仅仅限于以上实施例，在不脱离本申请的构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，均属于本申请的保护范畴。
Claims (9)
1.一种蓄洪区水质净化能力的预评估方法，其特征是，包括：
（1）从蓄洪区种植规划中获取蓄洪区湿地功能分区的规划植被类型及种植面积；
（2）分别预测湿地功能分区种植各规划植被类型时的日平均水力负荷，包括：预先划蓄洪区定气温条件；根据各气温条件下湿地功能分区种植各规划植被类型时的水力负荷设计值，预测各气温条件下湿地功能分区种植各规划植被类型时的日平均水处理量，并计算湿地功能分区种植各规划植被类型时的完整年日平均水处理量，从而预测湿地功能分区种植各规划植被类型时的日平均水力负荷值；
（3）根据蓄洪区近3~5年水质监测数据，获得水质指标的月均最大值和最大月均值，分别作为正常工况和极端工况下蓄洪区的水质指标值；
（4）以蓄洪区出口断面目标水质作为水质指标目标值，分别预测正常工况和极端工况下污染物应达到的去除率；
（5）分别获取蓄洪区在各场景下的预测参数集，所述预测参数集至少包括湿地功能分区的日平均水力负荷值以及蓄洪区污染物应达到的去除率；所述场景包括湿地功能分区种植不同规划植被时的正常工况和极端工况；
（6）分别将各场景下的预测参数集与蓄洪区的设计规范要求进行比较，参数均满足设计规范要求的场景，其水质净化目标可达；部分参数满足或所有参数均不满足设计规范要求的场景，其水质净化目标不可达。
2.如权利要求1所述的一种蓄洪区水质净化能力的预评估方法，其特征是：
所述湿地功能分区包括多田湿地区，沼泽湿地区，林草湿地区中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的蓄洪区水质净化能力的预评估方法，其特征是；
步骤（2）进一步包括：
2.1 根据蓄洪区所在地气温预先划定气温条件；
2.2根据蓄洪区规划数据，分别获取各气温条件下湿地功能分区种植各规划植被类型时的水力负荷设计值P ij ，从而预测各气温条件下湿地功能分区种植各规划植被类型时的日平均水处理量；
2.3 根据日平均水处理量，计算湿地功能分区种植各规划植被类型时的完整年日平均水处理量；
2.4 根据完整年日平均水处理量，预测湿地功能分区种植各规划植被类型时的日平均水力负荷值；
其中，i代表规划植被类型；j代表气温条件；P ij 代表气温条件j下种植规划植被类型i时的水力负荷设计值；W ij 代表气温条件j下种植规划植被类型i时的日平均水处理量，A i 代表湿地功能分区规划植被类型i的种植面积；表示湿地功能分区种植规划植被类型i时完整年的日平均水处理量；J表示气温条件数量；tj表示一年中气温条件j对应的天数；T表示一年的总天数；P i 表示湿地功能分区种植规划植被类型i的日平均水力负荷值。
4.如权利要求1或2所述的蓄洪区水质净化能力的预评估方法，其特征是：
所述气温条件包括寒冷气温，中等气温和适宜气温。
5.如权利要求4所述的蓄洪区水质净化能力的预评估方法，其特征是：
所述寒冷气温对应的气温<5℃，所述中等气温对应的气温为5℃~15℃，所述适宜气温对应的气温>15℃。
6.如权利要求1所述的蓄洪区水质净化能力的预评估方法，其特征是：
所述水质指标包括氨氮和总磷。
7.如权利要求1所述的蓄洪区水质净化能力的预评估方法，其特征是；
所述预测参数集还包括水力停留时间和污染物面积负荷。
8.如权利要求7所述的蓄洪区水质净化能力的预评估方法，其特征是；
所述水力停留时间的预测为：
根据湿地功能分区的有效容积V和设计流量Q，计算湿地功能分区的水力停留时间T=V/Q，其中，T单位：d；V单位：m 3 ；Q单位：m 3 /d。
9.如权利要求7所述的蓄洪区水质净化能力的预评估方法，其特征是；
所述污染物面积负荷的预测为：
根据蓄洪区的设计流量Q，表面积A，进水污染物浓度S 0和出水污染物浓度S 1，计算污染物面积负荷，其中，N单位：g/m 2·d；Q单位：m 3 /d；S 0和S 1单位：g/m 3；A单位：m 2；进水污染物浓度S 0采用对应工况下的水质指标值，出水污染物浓度S 1采用水质指标目标值。
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