CN117494477B - 一种区域磷污染负荷评估方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种区域磷污染负荷评估方法及系统，属于区域磷污染监测技术领域。包括以下步骤：获取待评估区域的基础信息，建立基础资料数据库，构建水文‑水动力‑水质耦合模型构建；基于河网水系、河道断面、水利工程构建一维水动力模型；基于评估区域下垫面情况，构建产汇流模型；根据评估区域子流域、河网分布特征将评估区域划分为N个汇水单元，计算产汇流；构建面源污染产出模型；将计算产出污染物输入到水动力模型，计算河网水质；基于水质模型，输入降雨数据，计算得到所述待评估区域的污染负荷评估值。本发明基于构建的两湖水文‑水动力‑水质模型，开展磷负荷评估，绘制磷污染负荷空间分布图，识别出区域磷源污染风险区。
Description
技术领域
本发明属于区域磷污染监测技术领域，具体涉及一种区域磷污染负荷评估方法及系统。
背景技术
滆湖、长荡湖位于太湖流域上游河网区，两湖区域地势平坦、水系发达、该区域农田施肥量高于作物吸收量，形成土壤磷富余的状况，在强降雨条件下，大量磷素通过地表径流、淋洗等途径向水体迁移，进入周边河流与湖荡，造成磷污染，与此同时，两湖区域是淡水养殖业发达的地区，养殖户为了提高养殖产量，投入了过量的饵料，残饵和养殖过程产生了富含氮磷的废水/泥，随换水和排泥等过程排放到周边河流与湖泊。
在高外源磷污染负荷作用下，滆湖、长荡湖出现了底泥磷态释放、风浪扰动下的底泥再悬浮等内源污染问题。所以需要对滆湖、长荡湖两湖区域的磷污染来源进行数值解析，估算两湖区域磷污染负荷时空分布，计算不同类型污染源对滆湖、长荡湖磷污染的影响，以用于治理两湖区域磷污染。
发明内容
发明目的：为了解决上述问题，本发明提供了一种区域磷污染负荷评估方法及系统。
技术方案：一种区域磷污染负荷评估方法，包括以下步骤：
获取待评估区域的基础信息，建立基础资料数据库；基于所述基础资料数据构建水文-水动力-水质耦合模型；其中，所述基础信息为关于待评估区域的地理位置信息和物理参数；
基于河网水系、河道断面、以及水利工程构建一维水动力模型，并采用一维圣维南方程模拟水动力过程；其中，所述一维水动力模型中指至少包括：实测河道参数、水利工程参数；
基于待评估区域的下垫面分布情况，构建与所述下垫面相适用的产流模型和汇流模型；根据待评估区域的子流域、河网分布特征将待评估区域的划分为N个汇水单元，并计算产流和汇流；
根据下垫面的分布情况构建面源污染产出模型；将所述面源污染产出模型输出的污染物输入到水动力模型，并采用质量守恒方法计算河网水质；
利用水质模型，输入降雨数据，计算得到所述待评估区域的污染负荷评估值。
进一步地，建立基础资料数据库包括以下步骤：
创建模型标准：对待评估区域以模型标准进行命名；所述待评估区域中至少包括：水流路径、水流路径断面、水利工程、以及圩区；所述物理参数包括：长度、宽度、横截面积以及形状；
构建模型网络库：将所述水流路径和水流路径的断面导入预设模型中；于对应的水网节点内插断面，其中，所述水网节点包括：水流路径连接处、水利工程连接处；于预设模型中建立相应水流路径中心线，并以水流路径中心线创建断面；基于待评估区域的水流方向，进行水网的连接；基于待评估区域，于预设模型中建立圩区；
建立模型逻辑库：基于模型网络库中水利工程的调度逻辑进行编写。
进一步地，所述产流模型依据下垫面透水特征进行选择：所述产流模型包括：固定比例径流模型和Green-ampt模型；
所述固定比例径流模型表示为：
式中：P为降雨量，E为蒸发量，S0为初期损失，q为产流量，P、E、S0、q单位均为mm；Ψ为固定径流系数；
所述Green-ampt模型为：根据土壤下渗能力计算产流量：；
式中：F为下渗量，由下渗率fp积分得到；；
其中为下渗能力，单位为mm/hr；为下渗传导率，单位为mm/hr；为初始饱和
差；S为土壤基质吸力，单位为mm；为土壤初始下渗量，单位为mm。
进一步地，所述汇流模型的建模过程如下：
连续性方程：；；
；
式中：V为地表积水量，t表示时间；dsh为子流域水深；为子流域面积；为净雨；为出流量；
曼宁公式：；
式中：W为子流域漫流宽度；n为曼宁糙率系数；为地表蓄滞水深；为子流域宽
度；
合并连续性方程和曼宁公式，得到以下公式：
，解出dsh；
将子流域漫流宽度W、子流域宽度和糙率n合并成一个参数WCON，称为流量演算
参数：；
对每一个时间步长，用有限差分法求解式，净入流和净出流必须在每个时间步长
内进行平均，以脚标和分别表示一个时段水深的初始值和终值，方程变为：
。
进一步地，构建所述水动力模型包括以下步骤：基于产流信息、汇流信息，建立水动力模型基本方程式；
所述水动力模型基本方程式为：
；
；
式中：表示河道宽度，为流量，Z为水位，为过水断面面积，h表示河道水
深，为河底比降，Sf为摩阻比降，表示断面流量，g为重力加速度；
基于所述水动力模型基本方程式计算得到水流流量。
进一步地，构建所述水质模型包括以下步骤：
获取水动力模型输出的水流流量；基于所述水流流量设置水质模拟的边界条件；
选取预定污染物为污染因子；采用水平对流扩散方程计算预定污染物浓度；
所述水平对流扩散方程为：
；
其中：为污染物浓度；为代表性流动区域；u为断面平均流速，D为扩散系数；
x为距离；为水源/水槽条件；
上述方程是一个带有水源项的有效质量守恒方程，其中，
；
式中：kp为TP的降解系数；Cp为TP的浓度；Sp为TP的底泥。
进一步地，计算得到所述待评估区域的污染负荷评估值还包括以下步骤：
产汇流计算时，将评估年份的实况降雨过程作为降雨边界条件；
水动力计算时，评估区域外围采用控制水文测站的水位、流量数据作为水位、流量边界；
水质计算时，将生活及工业点源污染数据作为水质模型的输入边界；生活面源、工业面源污染数据根据汇水单元计算的产汇流过程，结合区域内下垫面分布特征，计算随雨水汇入河道的污染物。
在另一个技术方案中，提供了一种区域磷污染负荷评估系统，用于实现如上述的一种区域磷污染负荷评估方法，所述系统包括：
第一模块，被设置获取待评估区域的基础信息，建立基础资料数据库；基于所述基础资料数据构建水文-水动力-水质耦合模型；其中，所述基础信息为关于待评估区域的地理位置信息和物理参数；
第二模块，被设置基于河网水系、河道断面、以及水利工程构建一维水动力模型，并采用一维圣维南方程模拟水动力过程；其中，所述一维水动力模型中指至少包括：实测河道参数、水利工程参数；
第三模块，被设置基于待评估区域的下垫面分布情况，构建与所述下垫面相适用的产流模型和汇流模型；根据待评估区域的子流域、河网分布特征将待评估区域的划分为N个汇水单元，并计算产流和汇流；
第四模块，被设置根据下垫面的分布情况构建面源污染产出模型；将所述面源污染产出模型输出的污染物输入到水动力模型，并采用质量守恒方法计算河网水质；
第五模块，被设置利用水质模型，输入降雨数据，计算得到所述待评估区域的污染负荷评估值。
有益效果：本发明基于构建的两湖水文-水动力-水质一体化数值模型，适用于与滆湖长荡湖类似的平原水网地区磷负荷评估，绘制磷污染负荷空间分布图，识别出研究区域磷源污染风险区；针对平原水网地区复杂的磷污染来源进行数值解析，估算平原水网地区域磷污染负荷时空分布，计算不同类型污染源对平原水网地区湖泊磷污染的贡献，并在此基础上，提出平原水网地区湖泊水质的治理对策和建议。
附图说明
图1是区域水网模型网络图；
图2是水文-水动力-水质模型范围图；
图3是水动力模拟与水质模拟关系；
图4是水质模型验证结果图；
图5是水质模型验证结果图；
图6是滆湖、长荡湖两湖区域磷污染总量空间分布模拟图；
图7是各小流域入滆湖污染总量模拟图；
图8是各小流域入长荡湖污染总量模拟图。
具体实施方式
实施例1
如图1至8所示，本实施例提供了一种区域磷污染负荷评估方法，本方法以模拟入长荡湖、滆湖的磷污染变化情况为例。所述方法包括以下步骤：
获取待评估区域的基础信息，建立基础资料数据库；基于所述基础资料数据构建水文-水动力-水质耦合模型；其中，所述基础信息为关于待评估区域的地理位置信息和物理参数；
基于河网水系、河道断面、以及水利工程构建一维水动力模型，并采用一维圣维南方程模拟水动力过程；其中，所述一维水动力模型中指至少包括：实测河道参数、水利工程参数；
基于待评估区域的下垫面分布情况，构建与所述下垫面相适用的产流模型和汇流模型；根据待评估区域的子流域、河网分布特征将待评估区域的划分为N个汇水单元，并计算产流和汇流；
根据下垫面的分布情况构建面源污染产出模型；将所述面源污染产出模型输出的污染物输入到水动力模型，并采用质量守恒方法计算河网水质；
利用水质模型，输入降雨数据，计算得到所述待评估区域的污染负荷评估值。
在进一步的实施例中，建立基础资料数据库包括以下步骤：
创建模型标准：对所述待评估区域以模型标准进行命名；所述待评估区域至少包括：河道、河道断面、泵站、水闸、以及堤防；
构建模型网络库：将所述河道、河道断面导入预设模型中；于河道连接处、泵站、水闸连接处内插断面；于预设模型中建立相应河道中心线，并以线创建断面，基于待评估区域的水系、水流方向，进行河网的连接；基于待评估区域，于预设模型中建立圩区；
建立模型逻辑库：基于模型网络库中泵站、水闸的调度逻辑进行编写。
具体说明如下：
1、模型构建标准
区域模型构建过程中需按照一定标准进行，主要包括河道断面命名标准、点命名标准、水利工程(水闸、泵站)命名标准、河段命名标准、堤防命名标准、道路命名标准、多边形命名标准、2D区间命名标准等。具体内容如下：
（1）河道断面命名
①河道断面ID命名
命名规则：河道名称-桩号。示例：澡港河-001+100；澡港河-001+200。
断面桩号：自西向东，自北向南（有测量数据则以测量数据为准）。
②河道断面备注
用户备注1（usertext1）：备注断面数据来源，如实测断面、内插断面，复制断面、概化断面等。
（2）点命名
①实意点（水利工程连接点，流量添加点等）
水利工程连接上下游点ID命名：水利工程名称+上（下）。
示例：**泵站上；**泵站下；
虚拟入流命名：河道名称-虚拟入流-1；示例：江南运河-虚拟入流-1；
水文站点命名：站点名称；示例：常州（三）。
用户备注1（usertext1）：备注水普编码。
②无实意点（只是用于连接作用）
ID命名：河道名称+标号；示例：澡港河-001、澡港河-002。
（3）水利工程(水闸、泵站)命名
水利工程属于连接属性，其名称有上下游节点ID号确定，不需专门命名。
水利工程备注（用于系统展示）：用户备注1（usertext1），备注水利工程名称；用户备注2（usertext2），备注水普编码。
（4）河段的命名
河段属于连接属性，其名称由上下游节点ID号确定，不需专门命名。
河段备注（用于系统展示）：用户备注1（usertext1）：所在河道名称。
（5）堤防的命名
堤防属于线属性，其ID自动命名，不需专门命名。
堤防名称（用于系统展示）写在用户备注1（usertext1）：所在堤防名称。
（6）道路的命名
①道路采用透水墙模拟，属于线属性，命名方式：道路+序号
示例：S342-1；S342-2；
②堤防名称（用于系统展示）写在用户备注1（usertext1）：所在城市-堤防名称。
（7）多边形命名
多边形根据作用分类，主要用于以下两个方面：
①选择功能，通过多边形选择。
②不参与网格化避免小网格。
不透水多边形：主要用于河道连接之间，不参与网格化用于消除小网格。不透水多边形就是普通多边形，区别在于其category属性需要填写void，注此void并无实际意义，只是网格化时告知软件这个多边形内不需要网格化。
ID命名规范：多边形-1
选择多边形：主要用于选择功能，比如选择划分子集水区，子集水区所属于的雨量站等等；
ID命名规范：实际属性-序号（如有按照已有的）；
多边形名称（用于系统展示）写在用户备注1（usertext1）：属性名称。
（8）2D区间命名
①2D区间ID命名：采用本方法名所在地–序号，示例：金坛城区-1；金坛城区-2；
②2D区间名称（用于系统展示）写在用户备注1（usertext1）：同ID（无数字）。
（9）河道分级
依据水利普查数据，对模型中的河道根据等级在备注字段中进行标记。
2、水网模型构建
（1）断面数据导入
河道断面是一维模型计算的基本单元，本方法构建的区域模型中河道断面创建如下：
针对实测断面数据，首先将断面数据整理，从模型“数据导入中心”将河道ID及河道断面数据表导入模型，并对其进行检查和修正，使其垂直与河道中心线。在模型构建过程中，对于河网交叉河道连接处、泵站、水闸连接处需要内插断面。
（2）断面创建于河道连接
河道断面导入模型后，新建break点，对照编制区域的影像或水系底图，建立河道中心线，并以线创建断面，河道断面创建完成后，根据区域水系特点，水流方向，进行河网的连接。
（3）圩区模型创建
研究区域地处平原河网地区，水系复杂同时地形平坦，建筑物以及人身财产易受到洪涝影响。因此，在低洼地区通过修建圩堤以及新建水利工程方式形成圩区。降雨期间，通过圩堤以及闸门，将圩区内外划分开抵挡外部洪水。同时，通过泵站将圩区内部涝水排出，以此来保障人身财产安全。本研究区域内分布着众多圩区。根据资料统计，湖西区圩区总面积约895.4 km2，约占湖西区面积11.89%；武澄锡虞区有圩区总面积约1540.9 km2，约占武澄锡虞区面积37.7%。
3、工程调度模型构建
水网模型构建完成后，对模型中构建的水利工程，包括闸门、泵站以及涵洞的调度逻辑进行编写。区域模型构建完成研究区域模型网络如图1所示。
本实施例研究对象为平原河网区，平原河网区的水文模型特点主要集中表现在产、汇流部分。而平原河网区的产流模型要结合下垫面的不同而确定。本实施例研究对象水动力河道精细化构建，水文汇流不考虑河道汇流，并且汇流区域划分较小，汇流模型可选择单一汇流模型。
（1）下垫面处理和划分
研究范围内的土地利用类型对于模型产水量和汇流时间影响很大，根据太湖流域水资源分区市县级行政分区下垫面资料以及1:10000下垫面电子地图，将下垫面类型合并成四种用地类型：旱地、水田、水面以及建设用地，本次研究范围为太湖流域整个湖西区及武澄锡虞区部分区域。
（2）汇水单元划分
本方法中水文模型水量计算，根据各汇水区上不同的土地类型采用不同水文模型和参数计算出流量过程线，然后叠加整个汇水区上的流量过程线，最后通过汇流路径分配到相关河段。汇水单元的划分需要结合地形、圩区、城市排水规划等资料。具体划分如下：
西部山丘区汇水单元划分原则：首先根据地形通过水文分析，划分出大的汇水区。
局部汇水区如水库汇水区的划分，需要同已有资料进行校核，然后将汇水区分配到水库或者沿程河道。
平原区圩区汇水单元划分原则：汇水区不可跨越圩区，首先确定汇水区范围为圩区的范围边界，然后再进行细化。
农村圩区，依据排涝规划等资料、泰森多边形法等进一步细分汇水单元。
城镇圩区，依据市政管网排水规划等资料、泰森多边形法等进一步细分汇水单元。
平原非圩区汇水单元划分原则：依据排涝规划等资料、现场调研、泰森多边形法等划分集水单元。
用在江苏省太湖地区，下垫面既有硬质地面性质的城市区域，同时还存在透水性好的产流面，如湖西山丘区或农村圩区，因此本次地表产汇流模型计算时，根据下垫面集水单元土地利用类型，选用固定比例径流模型（Fixed）、或初期损失模型Green-Ampt入渗模型进行不同下垫面的产流模拟计算。
所述产流模型依据下垫面透水特征进行选择：所述产流模型包括：固定比例径流模型和Green-ampt模型；
所述固定比例径流模型表示为：
式中：P为降雨量，E为蒸发量，S0为初期损失，q为产流量，P、E、S0、q单位均为mm；Ψ为固定径流系数；
所述Green-ampt模型为：根据土壤下渗能力计算产流量：；
式中：F为下渗量，由下渗率fp积分得到；；
其中为下渗能力，单位为mm/hr；为下渗传导率，单位为mm/hr；为初始饱和
差；S为土壤基质吸力，单位为mm；为土壤初始下渗量，单位为mm。
所述汇流模型的建模过程如下：
连续性方程：；；
式中：V为地表积水量，t表示时间；dsh为子流域水深；为子流域面积；为净雨；为出流量；
曼宁公式：；
式中：W为子流域漫流宽度；n为曼宁糙率系数；为地表蓄滞水深；为子流域宽
度；
合并连续性方程和曼宁公式，得到以下公式：
，解出dsh；
将子流域漫流宽度W、子流域宽度和糙率n合并成一个参数WCON，称为流量演算
参数：；
对每一个时间步长，用有限差分法求解式，净入流和净出流必须在每个时间步长
内进行平均，以脚标和分别表示一个时段水深的初始值和终值，方程变为：
。
在进一步的实施例中，所述构建水动力模型包括以下步骤：基于产流信息、汇流信息，建立水动力模型基本方程式；基于所述水动力模型基本方程式计算得到水流流量。
所述水动力模型基本方程式为：
；
；
式中：表示河道宽度，为流量，Z为水位，为过水断面面积，h表示河道水
深，为河底比降，Sf为摩阻比降，表示断面流量，g为重力加速度。
为反映不同土地利用类型的地表污染物累积冲刷过程，针对研究范围内各小流域的土地使用类型进行分类，主要分成工业、水塘、生活、林地等不同用地类型分别进行模拟，选择TP（总磷）污染物作为主要污染因子，模型中各参数通过率定最终确定。
污染物扩散输移模拟首先需要运行水动力模型，由水动力学模型模拟的结果为水质模拟提供边界条件，水动力模拟与水质模拟的相关关系如图3所示。
采用有限差分法计算和水平对流扩散方程的方法计算污染物浓度。在计算过程中，根据需要调用SMART运算法则、QUICK法则和一阶upwinding法则。
水质模型重点关注总磷这一水质指标，模拟计算总磷的产生和输移扩散过程。
构建所述水质模型包括以下步骤：获取水动力模型输出的水流流量；基于所述水流流量设置水质模拟的边界条件；选取预定污染物为污染因子；采用水平对流扩散方程计算预定污染物浓度；
所述水平对流扩散方程为：
；
其中：为污染物浓度；为代表性流动区域；u为断面平均流速，D为扩散系数；
x为距离为水源/水槽条件；
上述方程是一个带有水源项的有效质量守恒方程，其中，
；式中：kp为TP的降解系数；Cp为TP的浓度；Sp为TP的底泥。
本方法中对水动力模型的验证采用湖西区、武澄锡虞区域内的水文站点所对应的河道断面处，其中湖西区选取旧县、丹阳、丹金闸（闸上游）、丹金闸（闸下游）、河口、南渡、宜兴（西）、大浦口、坊前、黄埝桥、金坛作为验证站点，武澄锡虞区选取常州（三）作为验证站点，选取的站点基本均匀分布于各个片区。验证时段：2016年7月1日00:00～7月10日00:00。验证结果如下：
在模型率定的基础上，开展了模型的验证计算，结果表明，湖西区中的验证点：旧县、丹阳、丹金闸（闸上游）、丹金闸（闸下游）、河口、南渡、宜兴（西）、大浦口、坊前、黄埝桥、金坛，它们的NSE系数分别为：0.83、0.92、0.81、0.88、0.82、0.82、0.94、0.90、0.79、0.74、0.91，相关系数R2分别为：0.93、0.94、0.93、0.89、0.95、0.92、0.95、0.99、0.91、0.88、0.97；武澄锡虞区中的验证点：常州（三）的NSE系数为0.91，相关系数R2为0.94。
有上述数据看出，NSE系数均大于0.7，表明模式质量好或者模拟结果接近观测值的平均值水平，相关系数R2接近于1，表明相关性较好，计算水位序列和实测水位序列峰值水位差小，水动力模型总体结果可信。
本方法中对水质模型的验证采用研究区域2022年9月降雨资料、水质监测资料进行模型验证；在不改变模型参数情况下，输入模型所需的降雨数据，模型验证结果如图4和5所示，结果显示模拟值与实测值吻合较好，平均相对误差约为20%，表明水质模型可以较好反映常州市总磷污染浓度变化。
在进一步的实施例中，计算得到所述待评估区域的污染负荷评估值还包括以下步骤：
产汇流计算时，将评估年份的实况降雨过程作为降雨边界条件；
水动力计算时，评估区域外围采用控制水文测站的水位、流量数据作为水位、流量边界；
水质计算时，将生活及工业点源污染数据作为水质模型的输入边界；生活面源、工业面源污染数据根据汇水单元计算的产汇流过程，结合区域内下垫面分布特征，计算随雨水汇入河道的污染物。
具体说明如下：
模拟计算时，将2021年实况降雨过程作为降雨边界条件；区域外围长江沿线计算边界选取闸内实测流量过程，太湖采用相应实测水位过程；区域内水质计算时，将生活及工业点源污染调查成果作为水质模型的输入边界，生活面源、工业面源等污染状况由水质模型计算获得。根据模拟计算结果，以常州市小流域分布为单元进行常州市长荡湖、滆湖两湖区域磷污染现状评估。
经模拟评估得到以下结果：开展滆湖、长荡湖磷负荷来源模拟与污染负荷评估，估算了区域内点源和面源磷污染物产生量和入湖量，绘制磷污染负荷空间分布图，识别出研究区域磷源污染风险区，如图6至7所示。取得的主要结论如下：
（1）两湖区域磷源污染负荷计算结果表明，区域内磷污染排放总量为272.51 t/a，其中，工业面源占比最大，为75.36 t/a，占27.7%；其次是畜禽源，为59.87 t/a，占22%；第三是生活点源，为55.68 t/a，占20.4%；占比最小为林业面源，占1.2%；其次为水产面源和工业点源，分别占3.3%和5.8%。
（2）两湖区域磷污染负荷空间分布结果表明，区域内磷源排放最大的小流域为湖塘小流域，磷排放量为30.45 t/a，其中，年排放量大于10 t/a的小流域分别为宋剑湖小流域、连山小流域、滆湖北小流域和城区小流域；两湖区域磷污染负荷时间分布结果表明，区域磷源排放最较高的季度为第二季度和第三季度。
（3）两湖区域总磷污染入滆湖总量为65.32t/a，工业源的年入湖量较大，达到了26.45 t，占入湖总量的40.5%，生活源的入湖量次之，为17.80 t，占比27.3%，农业源、林业源、水产及畜禽总磷的年入湖量分别为5.88 t、1.31 t、2.84 t和11.05t，分别占比9%、2%、4%和17%。滆湖周边河道中，武南河、北干河、湟里河、中干河的年总磷入湖量最高，分别达到了18.09 t、12.9t、10.17t、7.49t，分别占入湖总量的27.8%、19.8%、15.6%、11.5%，第三季度各河道的总磷入湖总量最高。
（4）两湖区域总磷污染入长荡湖总量为46.87t/a，畜禽养殖污染的年入湖量较大，达到了19.92 t，占入湖总量的42.5%，生活源的入湖量次之，为11.22 t，占比23.9%，农业源、林业源、水产和工业总磷的年入湖量分别为6.75 t、0.58 t、2.12t和6.29 t，分别占比14.4%、1.2%、4.5%和13.4%。长荡湖周边入湖河道的总磷贡献分析成果来看，大浦港、新河港、白石港的年总磷入湖量最高，分别为14.21 t、10.78t、8.04t，分别占入湖总量的30.3%、23%、17.2%，第三季度各河道的总磷入湖总量最高。
（5）滆湖流域为典型的沿湖污染+社会聚集地污染的复合污染流域类型，其中，滆湖北小流域、礼河小流域、厚余小流域、北干河北小流域均呈现出污染负荷较高的状态，主要污染源为生活点源、工业点源、工业面源；长荡湖流域入湖污染的空间分布呈现出社会聚集地污染负荷类型，其中建昌圩小流域、南天荒小流域、鲍塘圩小流域、新建河小流域、城区小流域、后阳小流域、连山小流域均呈现出污染负荷较高的状态，畜禽养殖、生活点源、工业点源、工业面源污染较为严重。
实施例2
本实施例提供了一种区域磷污染负荷评估系统，用于实现如实施例1所述的一种区域磷污染负荷评估方法，所述系统包括：
第一模块，被设置获取待评估区域的基础信息，建立基础资料数据库；基于所述基础资料数据构建水文-水动力-水质耦合模型；其中，所述基础信息为关于待评估区域的地理位置信息和物理参数；
第二模块，被设置基于河网水系、河道断面、以及水利工程构建一维水动力模型，并采用一维圣维南方程模拟水动力过程；其中，所述一维水动力模型中指至少包括：实测河道参数、水利工程参数；
第三模块，被设置基于待评估区域的下垫面分布情况，构建与所述下垫面相适用的产流模型和汇流模型；根据待评估区域的子流域、河网分布特征将待评估区域的划分为N个汇水单元，并计算产流和汇流；
第四模块，被设置根据下垫面的分布情况构建面源污染产出模型；将所述面源污染产出模型输出的污染物输入到水动力模型，并采用质量守恒方法计算河网水质；
第五模块，被设置利用水质模型，输入降雨数据，计算得到所述待评估区域的污染负荷评估值。
Claims (8)
1.一种区域磷污染负荷评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取待评估区域的基础信息，建立基础资料数据库；基于所述基础资料数据构建水文-水动力-水质耦合模型；其中，所述基础信息为关于待评估区域的地理位置信息和物理参数；
基于河网水系、河道断面、以及水利工程构建一维水动力模型，并采用一维圣维南方程模拟水动力过程；其中，所述一维水动力模型中指至少包括：实测河道参数、水利工程参数；
基于待评估区域的下垫面分布情况，构建与所述下垫面相适用的产流模型和汇流模型；根据待评估区域的子流域、河网分布特征将待评估区域的划分为N个汇水单元，并计算产流和汇流；
根据下垫面的分布情况构建面源污染产出模型；将所述面源污染产出模型输出的污染物输入到水动力模型，并采用质量守恒方法计算河网水质；
利用水质模型，输入降雨数据，计算得到所述待评估区域的污染负荷评估值。
2.如权利要求1所述的一种区域磷污染负荷评估方法，其特征在于，建立基础资料数据库包括以下步骤：
创建模型标准：对待评估区域以模型标准进行命名；所述待评估区域中至少包括：水流路径、水流路径断面、水利工程、以及圩区；所述物理参数包括：长度、宽度、横截面积以及形状；
构建模型网络库：将所述水流路径和水流路径的断面导入预设模型中；于对应的水网节点内插断面，其中，所述水网节点包括：水流路径连接处、水利工程连接处；于预设模型中建立相应水流路径中心线，并以水流路径中心线创建断面；基于待评估区域的水流方向，进行水网的连接；基于待评估区域，于预设模型中建立圩区；
建立模型逻辑库：基于模型网络库中水利工程的调度逻辑进行编写。
3.如权利要求1所述的一种区域磷污染负荷评估方法，其特征在于，所述产流模型依据下垫面透水特征进行选择：所述产流模型包括：固定比例径流模型和Green-ampt模型；
所述固定比例径流模型表示为：；
式中：P为降雨量，E为蒸发量，S0为初期损失，q为产流量，P、E、S0、q单位均为mm；Ψ为固定径流系数；
所述Green-ampt模型为：根据土壤下渗能力计算产流量：；
式中：F为下渗量，由下渗率fp积分得到；；
其中为下渗能力，单位为mm/hr；/>为下渗传导率，单位为mm/hr；/>为初始饱和差；S为土壤基质吸力，单位为mm；/>为土壤初始下渗量，单位为mm。
4.如权利要求1所述的一种区域磷污染负荷评估方法，其特征在于，所述汇流模型的建模过程如下：
连续性方程：；/>；
式中：V为地表积水量，t表示时间；dsh为子流域水深；为子流域面积；/>为净雨；/>为出流量；
曼宁公式：；
式中：W为子流域漫流宽度；n为曼宁糙率系数；为地表蓄滞水深；/>为子流域宽度；
合并连续性方程和曼宁公式，得到以下公式：
，解出dsh；
将子流域漫流宽度W、子流域宽度和糙率n合并成一个参数WCON，称为流量演算参数：；
对每一个时间步长，用有限差分法求解式，净入流和净出流必须在每个时间步长内进行平均，以脚标和/>分别表示一个时段水深的初始值和终值，方程变为：
。
5.如权利要求1所述的一种区域磷污染负荷评估方法，其特征在于，构建所述水动力模型包括以下步骤：基于产流信息、汇流信息，建立水动力模型基本方程式；
所述水动力模型基本方程式为：
；
；
式中：表示河道宽度，/>为流量，Z为水位，/>为过水断面面积，h表示河道水深，/>为河底比降，Sf为摩阻比降，/>表示断面流量，g为重力加速度；
基于所述水动力模型基本方程式计算得到水流流量。
6.如权利要求1所述的一种区域磷污染负荷评估方法，其特征在于，构建所述水质模型包括以下步骤：
获取水动力模型输出的水流流量；基于所述水流流量设置水质模拟的边界条件；
选取预定污染物为污染因子；采用水平对流扩散方程计算预定污染物浓度；
所述水平对流扩散方程为：
；
其中：为污染物浓度；/>为代表性流动区域；u为断面平均流速，D为扩散系数；x为距离；/>为水源/水槽条件。
7.如权利要求1所述的一种区域磷污染负荷评估方法，其特征在于，计算得到所述待评估区域的污染负荷评估值还包括以下步骤：
产汇流计算时，将评估年份的实况降雨过程作为降雨边界条件；
水动力计算时，评估区域外围采用控制水文测站的水位、流量数据作为水位、流量边界；
水质计算时，将生活及工业点源污染数据作为水质模型的输入边界；生活面源、工业面源污染数据根据汇水单元计算的产汇流过程，结合区域内下垫面分布特征，计算随雨水汇入河道的污染物。
8.一种区域磷污染负荷评估系统，用于实现如权利要求1至7任意一项所述的一种区域磷污染负荷评估方法，其特征在于，所述系统包括：
第一模块，被设置获取待评估区域的基础信息，建立基础资料数据库；基于所述基础资料数据构建水文-水动力-水质耦合模型；其中，所述基础信息为关于待评估区域的地理位置信息和物理参数；
第二模块，被设置基于河网水系、河道断面、以及水利工程构建一维水动力模型，并采用一维圣维南方程模拟水动力过程；其中，所述一维水动力模型中指至少包括：实测河道参数、水利工程参数；
第三模块，被设置基于待评估区域的下垫面分布情况，构建与所述下垫面相适用的产流模型和汇流模型；根据待评估区域的子流域、河网分布特征将待评估区域的划分为N个汇水单元，并计算产流和汇流；
第四模块，被设置根据下垫面的分布情况构建面源污染产出模型；将所述面源污染产出模型输出的污染物输入到水动力模型，并采用质量守恒方法计算河网水质；
第五模块，被设置利用水质模型，输入降雨数据，计算得到所述待评估区域的污染负荷评估值。
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|---|---|---|---|
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2023
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