CN117401734B - 一种通过水力停留时间调节库区磷含量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过水力停留时间调节库区磷含量的方法，该方法包括：构建水库单元稳态系统箱式模型，通过计算水库单元的入库、出库和其它来水的磷元素通量，得到水库单元对磷元素的净通量；然后计算水库单元对磷元素的滞留率；同时，计算水库单元的水力停留时间；最后建立不同水期的水力停留时间与磷元素滞留率的相关性曲线，以此确定水库单元的水力停留时间调控参考值。本发明能够通过管理水库的运行方式来调节库区及下游河道的磷含量，有助于水库及下游河道的水生态健康以及水资源的可持续利用。

Description

一种通过水力停留时间调节库区磷含量的方法

技术领域

本发明涉及流域水环境管理、水环境健康、水生态平衡技术领域，尤其涉及一种通过水力停留时间调节库区磷含量的方法。

背景技术

流域内梯级水库的建设通常会导致河道流速下降，水力停留时间延长和悬浮颗粒物沉积，进而对磷的输送产生强烈的干扰。而磷作为水生生物生长的必要元素，其含量的突然增加或减少会造成水体富营养化、有害藻类爆发等，进而导致一系列水生态、水环境、水安全问题，严重制约区域经济和社会的可持续发展。因此，合理管控流域内梯级水库的磷含量对于水库及下游河道的水生态健康和水资源的可持续利用有着重要意义。

目前，人为控制磷元素点源或非点源的输入是库区及下游河道磷含量管理的常用方法，然而这种方法通常会消耗大量的人力、物力和财力，尤其对于农业活动等造成的面源污染。此外，人工直接管理难以对库区已出现的磷污染或者磷限制问题进行快速解决。因此，研究人员开始尝试通过调整水库的运行来调控库区和下游河道的磷含量。例如，一些研究应用“环境流量”法管理水库的下泄流量来调控库区和下游河道的营养物质含量，然而，这种方法具有一定的局限性。一方面，过大的流量变化可能淹没泛滥平原和河岸土壤，这会导致营养物质和有机物转移到河流中，反而加剧了水环境问题；另一方面，不同区域水库的运行情况差异较大，仅考虑流量变化的方法不具有普适性。

因此，有必要提出一种通过水力停留时间调节库区磷含量的方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明所要解决的是：现有通过人工直接管理和间接调整水库运行方式来调控库区磷含量的方法均具有一定的局限性。

为了解决上述问题，本发明提供了一种通过水力停留时间调节库区磷含量的方法，具体步骤包括：

S1：构建水库单元稳态系统箱式模型：获取研究区水库单元的水文资料和水质资料，构建水库单元生源要素输送通量的稳态系统箱式模型，即水库生源要素的入库通量、出库通量和净通量是守恒的，通过计算水库单元的河流输入、输出磷通量和其它来水磷通量，确定水库单元对磷元素的净通量；

S2：计算水库单元对磷元素的滞留率：结合S1计算的水库单元磷元素入库通量和净通量，计算水库单元对磷元素的滞留率；

S3：计算水库单元的水力停留时间：获取研究区内水库单元的库容数据，结合S1所获的水文资料，计算水库单元的水力停留时间；

S4：建立水力停留时间与磷滞留率的相关性曲线：根据S2和S3的计算结果，以水库单元的水力停留时间为横坐标，水库单元对磷的滞留率为纵坐标，建立水力停留时间与磷滞留率的相关性曲线；

S5：水库单元中磷含量的调控：以S4步骤拟合的相关性曲线过横轴的零点为水力停留时间参考数值，调整流域内水库单元的水力停留时间，以实现水库单元对磷元素的滞留或释放。

S1中，水库单元稳态系统箱式模型的计算公式如公式(1)所示：

W_E＝W_out–W_in–W_o (1)

式中：W_E为水库对磷元素的净通量，t/m；W_in为河流输入磷通量，t/m；W_out为河流输出磷通量，t/m；W_o为其它来水磷通量，t/m；其中，其它来水磷通量主要为支流的汇入，忽略了气态物质的输入和输出。

磷元素在某个时段内通过某个断面通量可通过公式(2)计算：

W＝k∫C(t)×Q(t)×dt (2)

式中：W为生源要素通量，t；C(t)为t时刻生源要素浓度，mg/L；Q(t)为t时刻流量，m³/s；k为单位换算系数。

进一步地，由于实际工作中一般无法实现对水质浓度的连续监测，只能获得一定时段内的代表值，根据实际条件，研究工作中对各个断面生源要素的监测频率可为每月1次；因此，采用公式(3)计算磷元素的月通量(W_mi)：

W_mi＝100×C_i×Q_i (3)

式中：W_mi为第i个月的磷输送通量，t/m；C_i为第i个月的磷浓度监测值，mg/L；Q_i为第i个月的月径流量，10⁸m³。

进一步地，S2中，水库单元对磷元素滞留率的计算公式如公式(4)所示：

E＝-W_E/(W_in+W_o)×100 (4)

式中：E(％)为相对滞留率。

进一步地，S3中，水库的水力停留时间(HRT)的计算公式如公式(5)所示：

HRT＝V/(86400×Q) (5)

式中：HRT为水力停留时间，day；V为水库正常库容，m³；Q为水库下泄流量，m³/s。

实施本发明，具有如下有益效果：

1、本发明的通过水力停留时间调节库区磷含量的方法，综合考虑了水库自身的物理特性以及水文变化情况，以水力停留时间作为调控参考指标，可以更好的通过管理水库的运行方式来调节库区及下游河道的磷含量；

2、本发明的通过水力停留时间调节库区磷含量的方法具有通用性，且操作简单易行，可广泛应用于其它流域水库单元磷含量的调控。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的通过水力停留时间调节库区磷含量的方法的流程示意图；

图2为本发明具体实施例提供的研究流域梯级水库水力停留时间和总磷滞留率的相关性曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

请参见图1，图1为本发明提供的通过水力停留时间调节库区磷含量的方法的流程示意图；本发明提供了一种通过水力停留时间调节库区磷含量的方法，具体步骤包括：

S1：构建水库单元稳态系统箱式模型：获取研究区水库单元的水文资料和水质资料，构建水库单元生源要素输送通量的稳态系统箱式模型，即水库生源要素的入库通量、出库通量和净通量是守恒的，通过计算水库单元的河流输入、河流输出磷通量和其它来水磷通量，确定水库单元对磷元素的净通量；

在本方案的一个具体实施方式中，其它来水磷通量主要考虑支流的汇入，忽略了气态物质的输入和输出。

磷元素在某个时段内通过某个断面通量可通过公式(2)计算：

W＝k∫C(t)×Q(t)×dt (2)

式中：W为生源要素通量，t；C(t)为t时刻生源要素浓度，mg/L；Q(t)为t时刻流量，m³/s；k为单位换算系数。

由于实际工作中一般无法实现对水质浓度的连续监测，只能获得一定时段内的代表值，根据实际条件，研究工作中对各个断面生源要素的监测频率可为每月1次；因此，采用公式(3)计算磷元素的月通量(W_mi)：

W_mi＝100×C_i×Q_i (3)

式中：W_mi为第i个月的磷输送通量，t/m；C_i为第i个月的磷浓度监测值，mg/L；Qi为第i个月的月径流量，10⁸m³。

水库单元稳态系统箱式模型的计算公式如公式(1)所示：

W_E＝W_out–W_in–W_o (1)

式中：W_E为水库对磷元素的净通量，t/m；W_in为河流输入磷通量，t/m；W_out为河流输出磷通量，t/m；W_o为其它来水磷通量，t/m；。

S2：计算水库单元对磷元素的滞留率：结合S1计算的水库单元磷元素入库通量和净通量，计算水库单元对磷元素的滞留率；

水库单元对磷元素滞留率的计算公式如公式(4)所示：

E＝-W_E/(W_in+W_o)×100 (4)

式中：E(％)为相对滞留率。

S3：计算水库单元的水力停留时间：获取研究区内水库单元的库容数据，结合S1所获的水文资料，计算水库单元的水力停留时间；

水库的水力停留时间(HRT)的计算公式如公式(5)所示：

HRT＝V/(86400×Q) (5)

式中：HRT为水力停留时间，day；V为水库正常库容，m³；Q为水库下泄流量，m³/s。

S4：建立水力停留时间与磷滞留率的相关性曲线：根据S2和S3的计算结果，以水库单元的水力停留时间为横坐标，水库单元对磷的滞留率为纵坐标，建立水力停留时间与磷滞留率的相关性曲线；

S5：水库单元中磷含量的调控：以S4步骤拟合的相关性曲线过横轴的零点为水力停留时间参考数值，调整流域内水库单元的水力停留时间，以实现水库单元对磷元素的滞留或释放。

下面采用具体实施例来具体解释本申请的技术方案：

具体实施例

现以我国长江上游干流梯级水库群为实例，长江上游干流梯级水库群是中国最大的水电基地，目前已建成12座水电站。根据研究目的和水文站位置，将梯级水库群共分为8个水库单元，分别为苏洼龙水库、梨园-阿海水库群、金安桥水库、龙开口水库、鲁地拉-观音岩-金沙水库群、乌东德水库、白鹤滩水库和溪洛渡-向家坝水库群。然而考虑到苏洼龙、乌东德和白鹤滩水库为新建水库，其内部对物质的生物化学循环可能还处于不稳定状态，因此采用其它5个水库单元进行分析计算。

第一步：构建水库单元的稳态系统箱式模型：

1、收集所研究水库单元入库和出库的水文资料，确定研究区域内汇入的较大支流。此实例中研究的长江上游干流流域支流(流域面积>20000km²)有定曲、雅砻江和牛栏江。

2、收集所研究水库单元入库和出库，以及支流的水质数据，其源自于2021年11月-2022年10月研究期间每月上旬定期监测的结果。根据公式(1)计算长江上游干流各水库单元在研究期间的入库、出库和其它水量的磷元素逐月月通量(W_mi)：

W_mi＝100×C_i×Q_i (1)

式中：W_mi为第i个月磷元素输送通量，t/m；C_i为第i个月的磷元素浓度监测值，mg/L；Q_i为第i个月的月径流量，10⁸m³。

3、根据公式(2)，计算得到长江上游干流各水库单元的磷净通量：

W_E＝W_out-W_in–W_o (2)

式中：W_E为水库对磷元素的净通量，t/m；W_in为河流输入磷通量，t/m；W_out为河流输出磷通量，t/m；W_o为其它来水磷通量，t/m。

第二步：计算各水库单元对磷元素的滞留率：

计算长江上游干流各水库单元对磷元素滞留率，计算公式如公式(3)所示：

E＝-W_E/(W_in+W_o)×100 (3)

式中：E(％)为相对滞留率。

第三步：计算各水库单元的水力停留时间：

收集长江上游干流梯级水库的库容资料，结合水文数据，计算各水库单元的水力停留时间(HRT)，计算公式如公式(4)所示：

计算各水库单元的水力停留时间(HRT)，计算公式如公式(4)所示：

HRT＝V/(86400×Q) (4)

式中：HRT为水力停留时间，day；V为水库正常库容，m³；Q为水库下泄流量，m³/s。

其中，对于所研究的梨园-阿海水库群、鲁地拉-观音岩-金沙水库群和溪洛渡-向家坝水库群的水力停留时间，可以分别计算各水库的水力停留时间，然后进行相加。

第四步：建立水力停留时间与磷滞留率的相关性曲线：

将上述水文年分为汛期和非汛期，其中汛期为2022年6月-10月，非汛期为2021年11月-2022年5月。分别建立汛期和非汛期逐月水力停留时间和总磷滞留率的相关性曲线，结果如图2所示。

结果表明，虽然非汛期时总磷滞留率与各水库单元水力停留时间无明显关系，但汛期时，总磷滞留率与水力停留时间呈明显正相关(R²＝0.422)，估算如下：

E_TP(％)＝0.189×ln(HRT+1.682)–0.387

因此，在汛期时，当水力停留时间大于5.3天时，长江上游干流梯级水库群能够明显滞留总磷；而当水力停留时间小于5.3天时，长江上游干流梯级水库群则释放总磷。因此，通过改变各水库单元的水力停留时间来调控水库及下游河道磷浓度具有可行性。

本发明提出了一种通过水力停留时间调节库区磷含量的方法，既考虑了不同水库自身物理特性的差异，又兼顾了流量的变化，具有一定的普适性，从而为流域内梯级水库磷含量的管理提供了新的思路。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (5)

1.一种通过水力停留时间调节库区磷含量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：构建水库单元稳态系统箱式模型：

获取研究区水库单元的水文资料和水质资料，构建水库单元生源要素输送通量的稳态系统箱式模型，即水库生源要素的入库通量、出库通量和净通量是守恒的，通过计算水库单元的河流输入、输出磷通量和其它来水磷通量，确定水库单元对磷元素的净通量；

S2：计算水库单元对磷元素的滞留率：

结合S1计算的水库单元磷元素入库通量和净通量，计算水库单元对磷元素的滞留率；

S3：计算水库单元的水力停留时间：

获取研究区内水库单元的库容数据，结合S1所获的水文资料，计算水库单元的水力停留时间；

S4：建立水力停留时间与磷滞留率的相关性曲线：

根据S2和S3的计算结果，以水库单元的水力停留时间为横坐标，水库单元对磷的滞留率为纵坐标，建立水力停留时间与磷滞留率的相关性曲线；

S5：水库单元中磷含量的调控：

以S4步骤拟合的相关性曲线过横轴的零点为水力停留时间参考数值，调整流域内水库单元的水力停留时间，以实现水库单元对磷元素的滞留或释放。

2.根据权利要求1所述的通过水力停留时间调节库区磷含量的方法，其特征在于，所述S1中，水库单元稳态系统箱式模型的计算公式如公式(1)所示：

W_E ＝W_out–W_in–W_o (1)

式中：W_E为水库对磷元素的净通量，t/m；W_in为河流输入磷通量，t/m；W_out为河流输出磷通量，t/m；W_o为其它来水磷通量，t/m；其中，其它来水磷通量为支流的汇入，忽略了气态物质的输入和输出；

磷元素在某个时段内通过某个断面通量可通过公式(2)计算：

W＝k∫C(t)×Q(t)×dt (2)

式中：W为生源要素通量，t；C(t)为t时刻生源要素浓度，mg/L；Q(t)为t时刻流量，m³/s；k为单位换算系数。

3.根据权利要求2所述的通过水力停留时间调节库区磷含量的方法，其特征在于，采用公式(3)计算磷元素的月通量：

W_mi＝100×C_i×Q_i (3)

式中：W_mi为第i个月的磷输送通量，t/m；C_i为第i个月的磷浓度监测值，mg/L；Q_i为第i个月的月径流量，10⁸m³。

4.根据权利要求3所述的通过水力停留时间调节库区磷含量的方法，其特征在于，所述S2中，水库单元对磷元素滞留率的计算公式如公式(4)所示：

E＝-W_E/(W_in+W_o)×100 (4)

式中：E％为相对滞留率。

5.根据权利要求4所述的通过水力停留时间调节库区磷含量的方法，其特征在于，所述S3中，水库的水力停留时间的计算公式如公式(5)所示：

HRT＝V/(86400×Q) (5)

式中：HRT为水力停留时间，day；V为水库正常库容，m³；Q为水库下泄流量，m³/s。