CN101976380A - 一种水环境实时调控与数字化管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于水环境实时模拟与管理技术领域的一种水环境实时调控与数字化管理方法。该方法首先获取数据，建立监测数据库，通过建立水环境模型，识别具体的污染区域和污染来源，对这些具体区域的点源和非点源污染物浓度和排放总量提出控制措施，从而引导整个流域执行最好的管理计划，结合信息化手段，建立水环境实时调控与数字化管理***，实现河流水质的实时调控，可以为流域“控源减排”、水环境综合治理与定量化管理提供***性技术支持，应用前景广阔。

Description

一种水环境实时调控与数字化管理方法
技术领域
本发明属于水环境实时模拟与管理技术领域，特别涉及一种水环境实时调控与数字化管理方法。具体说是对水环境中污染物的模拟、迁移转换、水环境承载能力计算与负荷动态调控的水环境数字化管理的技术体系和方法。
背景技术
社会经济的迅猛发展和资源环境压力的急剧增加，使得水环境安全受到严重威胁和破坏，导致人类生存所依赖的自然生态***遭到破坏，威胁人与自然的和谐可持续发展。在水环境治理方面，虽然国家和地方政府投入了极大的人力、物力和财力，但迄今为止我国流域水环境并未得到明显改善，部分水体甚至有进一步恶化的趋势，对人民生活与社会经济带来了严重的威胁与损害。因此，加强水环境科学管理，提出科学合理的调控方法和管理措施，对水环境变化过程进行监测、模拟、控制与治理，具有非常重要的意义。
在水环境治理方面，当前我国多采用粗放式治理和粗放式管理模式，主要体现在水环境信息监测网络不完备、水环境模拟缺乏科学定量方法、调控的动态性不足等，水环境管理所依据的数据时空尺度大、过程粗糙。虽然一些流域建设了污染源和环境质量在线监控***，但过分简化的模拟功能，无法满足水环境管理与污染负荷控制的需要。使得在水环境管理中大量存在监测信息与污染物迁移运动、污染负荷控制等科学计算环节的脱节现象，严重妨碍了水环境定量细致管理技术的发展。
在水环境演变模拟方面，由于对流域尺度的水环境承载力和环境容量研究不足，目前我国实行的仍然是区域目标总量控制，总量指标并未落实到具体的河流，也没有分配到具体的污染源。此外，我国绝大多数环境容量计算参数尤其是物理和生化反应系数基本上都采用文献报道的经验值，缺乏对个性研究区域物质在水陆介质中迁移转化过程定量化的研究。同时对水质模型的效果验证及***集成重视不足，急需建立数据获取、科学模拟、结果显示一体化的水环境数字化管理***，为实施总量控制提供技术支持。
总之，在水环境的实时调度和数字化管理方面，简单化、粗放式的管理模式已不能满足水环境治理的需要，在水环境治理中凸显出以下问题：(1)污染负荷削减目标的制订缺乏科学测算以及与当地社会经济的结合；(2)治理方案的设计缺乏流域协同性和精确数据支持；(3)水环境容量计算缺乏不确定性分析及容量动态分配；(4)治理后的水体缺乏可以持续更新的数字化管理***。
发明内容
本发明的目的在于针对当前水环境管理中模拟过分简化、过程粗糙的问题，提出一种水环境实时调控与数字化管理方法，首先通过建立水环境模型，识别具体的污染区域和污染来源，对这些具体区域的点源和非点源污染物浓度和排放总量提出控制措施，从而引导整个流域执行最好的管理计划，结合信息化手段，建立水环境实时调控与数字化管理***，其特征在于，包括以下步骤：
(1)数据获取，建立监测数据库
a.数据获取：以GPS/RS监测数据、特殊补充观测数据、事故应急监测数据及外部交换数据的方式获取；
b.将上述方式获取的数据通过数据传输网络传输至监控服务器，按数据类型分别建立基础数据库、专业数据库和水质标准库；并通过数据库存取中间件提供模型参数，存储和展示数据结果，支撑数据共享；其中专业数据库和水质标准库存储监测数据、模拟结果、水质标准等数据，其数据存储结构必须符合国家和地方行业相关标准的要求，基础数据库为流域水环境基本数据和用以管理流域的基础数据；
(2)建立水环境实时定量化模拟模型
a.建立流域入河污染负荷模型，根据步骤(1)监测的包括水文信息和污染物的流域水环境基本数据，建立分布式流域水文模型，根据不同地形、不同土壤类型、不同土地利用类型、降雨强度和降雨历时与目标污染物入河通量之间的关系，建立合理概化模型，以分析径流中目标污染物产生与汇集过程；
b.目标污染物迁移转化关键参数率定，根据(2)a分析径流中目标污染物产生与汇集过程结果，采用原位实验和室内模拟方法，掌握目标污染物在径流和受纳水体中的形态，确定目标污染物不同形态在水体中迁移转换过程参数和降解系数，以及这些系数受水环境的pH值和水温条件的影响；
c.建立河流水环境模型，建立准确的水动力模型，为水环境数学模型提供细致的水动力条件，建立研究区域水环境模型，根据步骤(2)b中率定的污染物迁移转化参数对模型进行率定优化，将步骤(2)a建立的流域入河污染负荷模型与河流水环境模型耦合，以日均降雨量和各入流参照断面的流量及污染物浓度为输入条件，模拟各控制断面水质的动态变化，为水质控制提供实时信息；
(3)水环境承载能力计算与负荷动态调控
应用步骤(2)建立的流域分布式水文模型和入河负荷模型，计算各河段设计流量下对目标污染物的水环境承载能力以及逐日水文条件下的承载能力。根据水环境功能区划，确定控制断面及其水环境目标；计算各河段的负荷削减量并进行分配，分析模型的不确定性和安全区间，采用模糊数学和贝叶斯转换方法对入河负荷模型和水环境模型及其用于参数率定的实测数据、边界条件和模型输入条件的不确定性进行量化分析，获得日最大负荷量安全区间；
根据有偿使用和特殊产业优先的原则对各河段的日最大负荷量或者负荷削减量进行分配；
(4)建立水环境实时调控***
建立步骤(1)建立的水环境数据库与步骤(2)建立的流域分布式水文模型和入河负荷模型之间的无缝链接，根据流域监测网络持续提供的大量新数据，采用卡尔曼滤波、集合卡尔曼滤波等数据同化方法建立模型参数动态更新模块，建立水环境实时调控***；该***向各模型传递模型需要的运行参数和条件，接收储存各模型运算的结果以便后期调用，实现模型和数据的有机耦合；通过基于虚拟现实技术的数据可视化平台显示流域水环境的实时动态变化过程，实现污染物负荷的动态分配与情景模拟显示，逼真再现各种预案模拟。
所述对各河段的日最大负荷量或者负荷削减量进行分配包括
①负荷分配原则
调查各河段主要点源目标污染物排放的负荷现状，计算相应的负荷比例；按照主要点源单位负荷的经济效益，制定基于利益相关者的水环境容量有偿使用与分配方法；
②负荷动态分配
依据现有的负荷比例和污染削减计划，参考区域社会经济发展和产业调整规划，遵照有毒有害和病原性物质优先削减的原则，动态分配日最大负荷量；采用河流水环境模型，通过情景模拟，反复调整和优化负荷分配。
本发明的有益效果是构建了流域水环境质量的协同调控模式，集成在线监测网络和流域数字化技术，基于模拟水质指标的调控模型，提出了水环境实时调控与数字化管理的技术体系和方法，可以为流域“控源减排”、水环境综合治理与定量化管理提供***性技术支持，应用前景广阔。
附图说明
图1为水环境实时调控与数字化管理方法流程示意图。
具体实施方式
本发明针对当前水环境管理中模拟过分简化、过程粗糙的问题，提出一种水环境实时调控与数字化管理方法，首先通过建立水环境模型，识别具体的污染区域和污染来源，对这些具体区域的点源和非点源污染物浓度和排放总量提出控制措施，从而引导整个流域执行最好的管理计划，结合信息化手段，建立水环境实时调控与数字化管理***，下面结合附图1，以北运河流域水环境实时调控与数字化管理为例，对本发明作进一步的详细说明。
具体步骤如下：
(1)建立北运河流域环境监测网络和水环境数据库，对流域污染物信息进行实时监测；监测数据存储在数据库中，实现监测数据的数据共享。
(2)根据监测的水文信息和污染物数据，建立北运河水系地表水与地下水耦合的流域分布式水文模型，研究暴雨径流、城市排污及河湖退水的负荷通量，开发北运河水系入河污染负荷模型；分析径流中目标污染物产生与汇集过程。
(3)通过原位实验和室内模拟，掌握目标污染物在径流和受纳水体中的形态，确定N和重金属等污染物不同形态在水体中迁移转换过程参数和COD的降解系数，以及这些系数受水环境条件(pH，水温)的影响。
(4)分析北运河水系特征，开发河流非稳态水动力学模型和水环境模型，根据步骤(3)实测数据率定模型的参数，并完成与步骤(2)入河污染负荷模型的耦合。
(5)根据各河段水环境功能目标，研究确定水系关键削减断面和控制断面；开发河段水环境承载能力计算模型以及嵌入社会经济要素的负荷动态调控模型，建立不确定性区间的定量分析和处理方法。
(6)运用现代信息技术和数字化技术，开发监测网络—数据库—水环境模型的无缝链接，建立北运河水环境与污染负荷调控***，实现河流水质的实时调控、个案情景的模拟演算、决策过程的直观仿真、治理方案的预演优化。水环境实时调控与数字化管理体系如图1所示。

Claims (2)

1.一种水环境实时调控与数字化管理方法，首先通过建立水环境模型，识别具体的污染区域和污染来源，对这些具体区域的点源和非点源污染物浓度和排放总量提出控制措施，从而引导整个流域执行最好的管理计划，结合信息化手段，建立水环境实时调控与数字化管理***，其特征在于，包括以下步骤：
(1)数据获取，建立监测数据库
a.数据获取：以GPS/RS监测数据、特殊补充观测数据、事故应急监测数据及外部交换数据的方式获取；
b.将上述方式获取的数据通过数据传输网络传输至监控服务器，按数据类型分别建立基础数据库、专业数据库和水质标准库；并通过数据库存取中间件提供模型参数，存储和展示数据结果，支撑数据共享；其中专业数据库和水质标准库存储监测数据、模拟结果、水质标准等数据，其数据存储结构必须符合国家和地方行业相关标准的要求，基础数据库为流域水环境基本数据和用以管理流域的基础数据；
(2)建立水环境实时定量化模拟模型
a.建立流域入河污染负荷模型，根据步骤(1)监测的包括水文信息和污染物的流域水环境基本数据，建立分布式流域水文模型，根据不同地形、不同土壤类型、不同土地利用类型、降雨强度和降雨历时与目标污染物入河通量之间的关系，建立合理概化模型，以分析径流中目标污染物产生与汇集过程；
b.目标污染物迁移转化关键参数率定，根据(2)a分析径流中目标污染物产生与汇集过程结果，采用原位实验和室内模拟方法，掌握目标污染物在径流和受纳水体中的形态，确定目标污染物不同形态在水体中迁移转换过程参数和降解系数，以及这些系数受水环境的pH值和水温条件的影响；
c.建立河流水环境模型，建立准确的水动力模型，为水环境数学模型提供细致的水动力条件，建立研究区域水环境模型，根据步骤(2)b中率定的污染物迁移转化参数对模型进行率定优化，将步骤(2)a建立的流域入河污染负荷模型与河流水环境模型耦合，以日均降雨量和各入流参照断面的流量及污染物浓度为输入条件，模拟各控制断面水质的动态变化，为水质控制提供实时信息；
(3)水环境承载能力计算与负荷动态调控
应用步骤(2)建立的流域分布式水文模型和入河负荷模型，计算各河段设计流量下对目标污染物的水环境承载能力以及逐日水文条件下的承载能力。根据水环境功能区划，确定控制断面及其水环境目标；计算各河段的负荷削减量并进行分配，分析模型的不确定性和安全区间，采用模糊数学和贝叶斯转换方法对入河负荷模型和水环境模型及其用于参数率定的实测数据、边界条件和模型输入条件的不确定性进行量化分析，获得日最大负荷量安全区间；
根据有偿使用和特殊产业优先的原则对各河段的日最大负荷量或者负荷削减量进行分配；
(4)建立水环境实时调控***
建立步骤(1)建立的水环境数据库与步骤(2)建立的流域分布式水文模型和入河负荷模型之间的无缝链接，根据流域监测网络持续提供的大量新数据，采用卡尔曼滤波、集合卡尔曼滤波等数据同化方法建立模型参数动态更新模块，建立水环境实时调控***；该***向各模型传递模型需要的运行参数和条件，接收储存各模型运算的结果以便后期调用，实现模型和数据的有机耦合；通过基于虚拟现实技术的数据可视化平台显示流域水环境的实时动态变化过程，实现污染物负荷的动态分配与情景模拟显示，逼真再现各种预案模拟。
2.根据权利要求1所述一种水环境实时调控与数字化管理方法，其特征在于，所述对各河段的日最大负荷量或者负荷削减量进行分配包括：
①负荷分配原则
调查各河段主要点源目标污染物排放的负荷现状，计算相应的负荷比例；按照主要点源单位负荷的经济效益，制定基于利益相关者的水环境容量有偿使用与分配方法；
②负荷动态分配
依据现有的负荷比例和污染削减计划，参考区域社会经济发展和产业调整规划，遵照有毒有害和病原性物质优先削减的原则，动态分配日最大负荷量；采用河流水环境模型，通过情景模拟，反复调整和优化负荷分配。
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