WO2023087995A1 - 一种分汊河道分流比与分污比及其演变规律的研究方法 - Google Patents

一种分汊河道分流比与分污比及其演变规律的研究方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分汊河道分流比与分污比及其演变规律的研究方法，包括步骤：分汊河道所在流域水文信息的调查；不同保证率下流域河道流量的计算；水环境数学模型的构建；分汊河道分流比规律的分析；分汊河道分污比规律的分析；分汊河道分流比和分污比演变规律的分析。本发明针对目前分汊河道分污比、分流比和分污比演变规律研究不足的现状，提出了一种解析分汊河道分流比与分污比及其演变规律的研究方法，为防洪排涝、生态补水、污染物总量控制、水环境保护、水生态修复等环境管理政策的制定提供科学依据。

Description

一种分汊河道分流比与分污比及其演变规律的研究方法 技术领域
本发明涉及防洪排涝、污染物总量控制、水环境保护、水生态修复等领域，特别是一种研究分汊河道分流比和分污比及两者之间演变关系的研究方法。
背景技术
分汊型河道是平原河流地貌中的一种，河床中因心滩、沙洲造成河床分汊，就好像树木的主躯干和分支一样，主躯干是主流，两个分支则是分汊流，分流比是指某一分支河道流量占主干河道流量的百分比。分污比是指分支河道某一种污染物通量占干流污染物通量的百分比。
分汊河道分流比和分污比及其演变规律的研究是研究平原河网内污染物迁移转化及分汊河道中微生物群落及功能变化规律的重要组成部分和基础。
前人有研究过分汊河道分流比的情况，但是对于分汊河道分污比的研究较少，更没有针对分流比与分污比的演变规律的研究。
整个流域是一个整体，不能只研究流域中分汊河道这一局部，而是要建立整个流域的模型来研究分汊型河道的分流比和分污比及其演变规律。
研究流域内分汊型河道的分流比和分污比及其演变规律可以为水污染物总量控制提供科学依据，由于不同的水体有不同的功能要求，水体接收过多的污染物会造成水体功能丧失、水生态破坏等一系列后果，因此我们要对流域内点源和面源污染物的排放位置和排放量进行合理的规划，以达到社会、经济和生态的和谐统一的目标。
发明内容
本发明针对分汊河口分污比以及其和分流比的演变规律研究不足这一现状，提供一种分析流域内分汊河道分流比和分污比，并分析分流比和分污比演变规律的方法，为流域污染物总量控制、水资源保护、水生态修复提供理论和技术支撑。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种分汊河道分流比与分污比及其演变规律的研究方法，包括以下几个步骤。
步骤1，分汊河道所在流域水文信息的调查，包括以下两个方面的信息：1.河网分布情况和河道断面情况和污染源情况，2.水位站的实际水位信息、流量站的实际流量信息和雨量站的实际逐年逐日降雨信息。
步骤2，不同保证率下流域河道流量的计算，包含以下2个步骤。
步骤21，根据步骤1中收集得到的所有雨量站30年以上的降雨量资料，对每个雨量站进行分析，计算出得到各个雨量站的多年平均值、C V值、最大年降雨量、最大年降雨量出现年份、最小年降雨量、最小年降雨量出现年份和丰枯极值比。
步骤22，计算每个年份的流域内年均降雨量，绘制流域内年均降雨量P-Ⅲ频率分布曲线图，根据曲线得到不同保证率下的年均降水量和典型年，再根据月降雨量、流域面积和径流系数，计算得到各个典型年流域月总径流量及各个支流月径流量，计算公式为：径流量＝流域面积×降雨量×径流系数。
步骤3，水环境数学模型的构建，包含以下2个步骤。
步骤31，水环境数学模型的模拟，用步骤1中搜集到的河网和断面信息加入水环境数学模型，将步骤22中计算到的支流月径流量作为上游边界条件，将步骤1中调查到的两个分汊河道最下游的逐月水位作为下游边界条件。
步骤32，水环境数学模型的率定和验证，将在步骤1收集到的某一年模型河网、断面和边界数据输入模型进行计算，在分汊河道所有水位站(非边界)和流量站处将计算结果与水位站的全年水位信息和流量站的全年流量信息进行对比，若水动力计算结果和实测结果的绝对误差在5％以内，则模型水动力率定成功，并运用此模型进行水质预测，若水质计算结果与实测结果的误差在5％以内，则模型可以准确用于模拟和预测，可以继续下一步骤；若模型计算结果与实测结果的绝对误差大于等于5％，则需回到步骤32重新率定模型，直到模型计算结果与实测结果的绝对误差在5％以内为止。
步骤4，分汊河道分流比规律的分析，包含以下2个步骤。
步骤41，分流比与月份、降雨保证率的关系分析，通过水环境数学模型即可计算得到两条下游分汊河道的流向和流量，进而得到两条下游分汊河道在每个典型年的流量变化图和分流比变化图，分析分汊河道分流比随月份和降雨保证率之间的变化规律。
步骤42，分流比与两条下游分汊河道末端水位差的关系分析，通过步骤1两条下游分汊河道末端水位站的信息，计算得到两条下游河道末端的水位差，进而得到两条下游分汊河道流量、分流比与两条下游分汊河道末端水位差的关系图，分析分流比和水位差之间的变化规律。
步骤5，分汊河道分污比规律的分析，包含以下2个步骤。
步骤51，污染物浓度的分污比分析，在分汊河道的上游概化一个点源污染，通过模型计算在不同上游流量的情况下两条下游分汊河道的水质情况，做出两条下游分汊河道污染 物浓度和上游流量的关系图，分析该分汊河道污染物浓度和上游流量之间的演变规律；做出在不同上游流量下，两条下游分汊河道污染物浓度的关系图，分析分汊河道污染物浓度分污比演变规律。
步骤52，污染物通量的分污比分析，根据公式：污染物通量＝污染物浓度*流量，计算得到通过两条下游分汊河道的污染物通量，做出在不同上游流量下，两条下游分汊河道污染物通量的关系图，分析分汊河道污染物通量分污比演变规律。
步骤6，分汊河道分流比和分污比演变规律的分析，分别做出在不同上游流量下两条下游分汊河道分流比和分污比的关系曲线图，分析分汊河道分流比和分污比之间的关系规律；对不同水平年的不同月份分流比和分污比进行概率统计，分析该分汊河道分流比和分污比的概率分布特征。
所述分汊河道下游汇入点空间位置的距离在分汊段河道的最短河道的0.5倍至最长分汊河道的3倍之间。
所述下游分汊河道的数量大于等于2。
所述分汊河道末端交汇水体与各分汊河道在水位、流量和生态系统等方面有差别。
所述分汊河道末端所在水体存在水位高于任一分汊河道的水位的情况，即倒灌现象。
所述分汊河道末端所在水体对于分汊河道的汇入存在顶托现象，即末端水体受上游短时影响，存在着分汊无法汇入的现象，在末端水体影响解除后分汊河道可继续汇入。
所述分汊河道存在分流区，其影响范围在分汊口下游1-6倍所在的分汊河道宽度，分流区内不存在污染源。
本发明具有如下有益效果：本发明针对目前分汊河道分污比、分流比和分污比演变规律研究不足的现状，提出了一种解析分汊河道分流比与分污比及其演变规律的研究方法，为防洪排涝、生态补水、污染物总量控制、水环境保护、水生态修复等环境管理政策的制定提供科学依据。
附图说明：
图1为秦淮河流域水网，D点为分汊点，D-A和D-B段为分汊河道的两个下游河道，D-A代表秦淮新河，D-B代表外秦淮河，三角标记代表水位站所在位置，空心圆代表流量站所在位置，实心圆代表雨量站所在位置。
图2为流域内年均降雨量P-Ⅲ频率分布曲线图，横坐标为降雨保证率，纵坐标为年降雨量，图中的点代表某年的年降雨量和降雨保证率。
图3为模型计算结果和实际值的率定验证图，图中曲线代表的是模型的计算结果， 图中的点代表水位站和流量站监测到的实际值。
图4-1为每个典型年秦淮新河和外秦淮河从1月到12月的流量变化图，流量为负数则表示发生了倒灌现象。
图4-2为秦淮新河和外秦淮河流量以及分流比与秦淮新河和外秦淮末端入江口水位差的关系图，图中的点为模型的计算结果，图中的线为趋势线。
图5-1为上游流量和D-A和D-B段三种污染物的关系图，横坐标为上游流量，纵坐标为污染物浓度，图中的点为模型的计算结果，图中的线为趋势线。
图5-2为D-A段污染物浓度和D-B段污染物浓度的对比图，横坐标为D-A段的污染物浓度，纵坐标为D-B段的污染物浓度，图中的点为模型计算结果，图中的线为趋势线。
图6的上半部分为分流比和分污比的关系图，图中的点为模型的计算结果，图中的线为趋势线；图6的下半部分为D-A段和D-B段分流比的概率分布图，横坐标为百分比，纵坐标为出现次数。
具体实施方式：
接下来就该方法在江苏省南京市秦淮河流域的应用实例对本发明做进一步的详细说明，即外秦淮河和秦淮新河分流比与分污比及其演变规律的研究，包括如下步骤。
步骤1，秦淮河流域水文信息的调查，包括以下两个方面的信息：1.秦淮河流域河网情况和河道断面情况，2.分汊河道区域水位站的位置、流量站的位置和雨量站的位置，见图1，图中D-A和D-B段为分汊河道的两条下游河道，3.分汊河道区域水位站的水位资料、流量站的流量资料和雨量站的逐年逐日降雨资料。
步骤2，不同保证率下秦淮河流域河道流量的计算，包含以下2个步骤：
步骤21，根据步骤1中收集得到的秦淮河流域内20个雨量站1962-2006年45年间的降雨量资料，对每个雨量站进行分析，计算出得到各个雨量站的多年平均值、CV值、最大年降雨量、最大雨量出现年份、最小降雨量、最小雨量出现年份、丰枯极值比。
步骤22，计算每个年份的秦淮河流域流域内所有雨量站数据的年均值，绘制流域内年均降雨量P-Ⅲ频率分布曲线图，见图2，取降雨保证率为10％、25％、50％、75％、80％、90％和95％下的年份为典型年，再根据月降雨量和流域面积，计算得到各个典型年流域月总径流量及各个支流月径流量。计算公式为：径流量＝流域面积*降雨量。
步骤3，水环境数学模型的构建，包含以下2个步骤。
步骤31，水环境数学模型的模拟，用步骤1中搜集到的河网和断面信息加入水环境数学模型，将步骤22中计算到的支流月径流量作为上游边界条件，将步骤1中调查到的两 个分汊河道最下游的逐月水位作为下游边界条件，在分汊河道上游概化一个1m 3/s污染物排口，COD、NH 3-N和TP浓度为300mg/L、30mg/L和3mg/L。
步骤32，水环境数学模型的率定验证，率定过后，将在步骤1收集到的某一年模型河网、断面和边界数据输入模型进行计算，在分汊河道所有水位站(非边界)和流量站处将计算结果与水位站的全年水位信息和流量站的全年流量信息进行对比，若模型计算结果与实测结果较为吻合，则模型验证成功，见图3，可以继续下一步骤；若模型计算结果与实测结果相差较大，则需重新率定模型，直到模型计算结果与实测结果较为吻合为止。
步骤4，分汊河道分流比规律的分析，包含以下2个步骤。
步骤41，分流比与月份、降雨保证率的关系分析，通过水环境数学模型即可计算得到两条下游分叉河道的流向和流量，进而得到两条下游分汊河道在每个典型年的流量变化图和分流比变化图，见图4-1，分析得出，总体上秦淮新河的倒流均发生在丰水期，且随着月份的增加径流量先增加后减小。上游地表总径流量、A和B分汊河道流量的年最大值均随着降雨保证率的增加而提前，其中上游地表总径流量最明显，最大值从8月提前到4月份。
步骤42，分流比与两条下游分汊河道末端水位差的关系分析，通过步骤1两条下游分汊河道末端水位站的信息，计算得到两条下游河道末端的水位差，进而得到两条下游分汊河道流量、分流比与两条下游分汊河道末端水位差的关系图，见图4-2，分析得出，外秦淮河的分流量随着水位差的增加而增加，其增长率也逐渐增加。秦淮新河的分流量随着水位差的增加而减小，其增长率也逐渐增加；当水位差大于0.17m，秦淮新河发生倒流时，分流量随着水位差的增加而增加，其增长率也逐渐减小。外秦淮河的分流比随着水位差的增加而增加，其增长率逐渐减小。秦淮新河的分流比随着水位差的增加而减小，其减小率也逐渐减小。
步骤5，分汊河道分污比规律的分析，包含以下2个步骤。
步骤51，污染物浓度的分污比分析，在分汊河道的上游概化一个点源污染，通过模型计算在不同上游流量的情况下两条下游分汊河道的水质情况，做出两条下游分汊河道污染物浓度和上游流量的关系图，见图5-1，分析得出下游分汊河道污染物浓度随上游流量的增加呈指数形式递减；做出在不同上游流量下，两条下游分汊河道污染物浓度的关系图，见图5-2，分析得出上游污染物浓度不随河道的分汊而变化。
步骤52，污染物通量的分污比分析，根据公式：污染物通量＝污染物浓度*流量，计算得到通过两条下游分汊河道的污染物通量，做出在不同上游流量下，两条下游分汊河道污染物通量的关系图，分析分汊河道污染物通量分污比演变规律。
步骤6，分汊河道分流比和分污比演变规律的分析，分别做出在不同上游流量下两条 下游分汊河道分流比和分污比的关系曲线图，见图6，分析得出分汊河道的分流比与分污比成正相关关系，分流比与分污比的比值约为1，也就是分流比与分污比相等；对不同水平年的不同月份分流比和分污比进行概率统计，分析得出D-B段分汊河道的分流比86.3％的概率处于0.3-0.8之间，D-A段分汊河道分流比86.3％的概率处于0.2-0.7之间。

Claims (7)

  1. 一种分汊河道分流比与分污比及其演变规律的研究方法，其特征在于：包括如下几个步骤：
    步骤1，分汊河道所在流域水文信息的调查，包括以下两个方面的信息：1.河网分布情况和河道断面情况和污染源情况，2.水位站的实际水位信息、流量站的实际流量信息和雨量站的实际逐年逐日降雨信息；
    步骤2，不同保证率下流域河道流量的计算，包含以下2个步骤：
    步骤21，根据步骤1中收集得到的所有雨量站30年以上的降雨量资料，对每个雨量站进行分析，计算出得到各个雨量站的多年平均值、C V值、最大年降雨量、最大年降雨量出现年份、最小年降雨量、最小年降雨量出现年份和丰枯极值比；
    步骤22，计算每个年份的流域内年均降雨量，绘制流域内年均降雨量P-Ⅲ频率分布曲线图，根据曲线得到不同保证率下的年均降水量和典型年，再根据月降雨量、流域面积和径流系数，计算得到各个典型年流域月总径流量及各个支流月径流量，计算公式为：径流量＝流域面积×降雨量×径流系数；
    步骤3，水环境数学模型的构建，包含以下2个步骤：
    步骤31，水环境数学模型的模拟，用步骤1中搜集到的河网和断面信息加入水环境数学模型，将步骤22中计算到的支流月径流量作为上游边界条件，将步骤1中调查到的两个分汊河道最下游的逐月水位作为下游边界条件；
    步骤32，水环境数学模型的率定和验证，将在步骤1收集到的某一年模型河网、断面和边界数据输入模型进行计算，在分汊河道所有水位站(非边界)和流量站处将计算结果与水位站的全年水位信息和流量站的全年流量信息进行对比，若水动力计算结果和实测结果的绝对误差在5％以内，则模型水动力率定成功，并运用此模型进行水质预测，若水质计算结果与实测结果的误差在5％以内，则模型可以准确用于模拟和预测，可以继续下一步骤；若模型计算结果与实测结果的绝对误差大于等于5％，则需回到步骤32重新率定模型，直到模型计算结果与实测结果的绝对误差在5％以内为止；
    步骤4，分汊河道分流比规律的分析，包含以下2个步骤：
    步骤41，分流比与月份、降雨保证率的关系分析，通过水环境数学模型即可计算得到两条下游分汊河道的流向和流量，进而得到两条下游分汊河道在每个典型年的流量变化图和分流比变化图，分析分汊河道分流比随月份和降雨保证率之间的变化规律；
    步骤42，分流比与两条下游分汊河道末端水位差的关系分析，通过步骤1两条下游分汊河道末端水位站的信息，计算得到两条下游河道末端的水位差，进而得到两条下游分汊河道流 量、分流比与两条下游分汊河道末端水位差的关系图，分析分流比和水位差之间的变化规律；步骤5，分汊河道分污比规律的分析，包含以下2个步骤：
    步骤51，污染物浓度的分污比分析，在分汊河道的上游概化一个点源污染，通过模型计算在不同上游流量的情况下两条下游分汊河道的水质情况，做出两条下游分汊河道污染物浓度和上游流量的关系图，分析该分汊河道污染物浓度和上游流量之间的演变规律；做出在不同上游流量下，两条下游分汊河道污染物浓度的关系图，分析分汊河道污染物浓度分污比演变规律；
    步骤52，污染物通量的分污比分析，根据公式：污染物通量＝污染物浓度*流量，计算得到通过两条下游分汊河道的污染物通量，做出在不同上游流量下，两条下游分汊河道污染物通量的关系图，分析分汊河道污染物通量分污比演变规律；
    步骤6，分汊河道分流比和分污比演变规律的分析，分别做出在不同上游流量下两条下游分汊河道分流比和分污比的关系曲线图，分析分汊河道分流比和分污比之间的关系规律；对不同水平年的不同月份分流比和分污比进行概率统计，分析该分汊河道分流比和分污比的概率分布特征。
  2. 根据权利要求1所述的分汊河道分流比与分污比及其演变规律的研究方法，其特征在于：所述分汊河道下游汇入点空间位置的距离在分汊河道的最短分汊河道的0.5倍至最长分汊河道的3倍之间。
  3. 根据权利要求1所述的分汊河道分流比与分污比及其演变规律的研究方法，其特征在于：所述下游分汊河道的数量大于等于2。
  4. 根据权利要求1所述的分汊河道分流比与分污比及其演变规律的研究方法，其特征在于：所述分汊河道末端交汇水体与各分汊河道在水位、流量和生态系统等方面有差别。
  5. 根据权利要求1所述的分汊河道分流比与分污比及其演变规律的研究方法，其特征在于：所述分汊河道末端所在水体存在水位高于任一分汊河道的水位的情况，即倒灌现象。
  6. 根据权利要求1所述的分汊河道分流比与分污比及其演变规律的研究方法，其特征在于：所述分汊河道末端所在水体对于分汊河道的汇入存在顶托现象，即末端水体受上游短时影响，存在着分汊无法汇入的现象，在末端水体影响解除后分汊河道继续汇入。
  7. 根据权利要求1所述的分汊河道分流比与分污比及其演变规律的研究方法，其特征在于：所述分汊河道存在分流区，其影响范围在分汊口下游1-6倍所在的分汊河道宽度，分流区内不存在污染源。
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