CN108460519B - 污染源重心概化下小型河道纳污能力风险估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种污染源重心概化下小型河道纳污能力风险估计方法，包括以下步骤：(1)调查纳污河段起始断面位置x及规划污染源的数量n，它们相对于该河段起始断面位置xi及污水流量qi、污染物浓度ci，确定污染源分布是否适合重心概化方式，如果适合重心概化则估计污染源重心相对于起始断面距离xc；(2)测量并确定纳污河段达标控制断面位置x'、起始断面污染物浓度C0，测量河段平均流速u、河道流量Q；(3)根据测量结果确定纳污河段污染物降解系数k及其不确定度α；(4)计算该河段纳污能力的方差D(W)作为该河段纳污能力的风险估计。通过本发明，利用该方法能有效的估计污染源重心概化的情况下河道纳污能力的风险，并改进和提高河道水质的管理水平。

Description

污染源重心概化下小型河道纳污能力风险估计方法
技术领域
本发明涉及一种污染源重心概化下小型河道纳污能力风险估计方法，属于河道水质管理领域。
背景技术
河道纳污能力的确定是河道水质管理的重要手段，河道纳污能力计算结果是否精确决定了河道水质管理水平的高低以及河道水体保护是否成功。在河道纳污能力计算过程中，规划中的污染源经常被概化为处于纳污河道污染源重心断面；这种污染源概化方式即被称为污染源的重心概化。以往的重心概化方式下河道纳污能力的计算虽然较为成熟，但是完全未考虑纳污能力估计的不确定性带来的风险，这给河道水质保护和管理工作带来了十分不利的影响。
发明内容
本发明的目的就是针对上述现有技术存在的弊端，为了克服现有技术中存在的不足，提供一种污染源重心概化下小型河道纳污能力风险估计方法，该方法能有效估计污染源重心概化下小型河道纳污能力不确定性带来的风险，易于在各种小型河道纳水质管理中推广。
本发明的目的是这样实现的，一种污染源重心概化下小型河道纳污能力风险估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)调查纳污河段起始断面位置x及规划污染源的数量n，它们相对于该河段起始断面位置xi(i＝1,2,...,n)及污水流量qi(i＝1,2,...,n)、污染物浓度ci(i＝1,2,...,n)，确定污染源分布是否适合重心概化方式，如果适合重心概化则估计污染源重心相对于起始断面距离xc；具体包括以下步骤：
a.调查确定纳污河段起始断面位置x和现有及规划污染源的数量n，它们相对于该河段起始断面位置xi(i＝1,2,...,n)及污水流量qi(i＝1,2,...,n)、污染物浓度ci(i＝1,2,...,n)；
b.确定污染源分布是否适合重心概化方式，如果规划污染源分布不集中，而是较为分散的沿程分布在纳污河段上，则较为适合污染源重心概化方式，如果污染源分布较为集中于纳污河段上某点则不适合污染源重心概化方式；
c.如果污染源分布适合污染源重心概化则用下式估计污染源重心相对于起始断面距离xc；
Figure BDA0001564661700000021
(2)确定纳污河段达标控制断面位置x'，测量起始断面污染物浓度C0、河段平均流速u、河道流量Q；
(3)根据测量结果确定纳污河段污染物降解系数k及其不确定度α；具体包括以下步骤:
a.反复测量达标控制断面污染物浓度多次，计算达标控制断面污染物浓度的平均值，并作为标控制断面污染物浓度的数学期望E(C)；计算达标控制断面污染物浓度的方差D(C)；
b.结合纳污河段起始断面位置x、纳污河段达标控制断面位置x'以及计算得到的标控制断面污染物浓度的数学期望E(C)以及测量得到的起始断面污染物浓度C0、河段平均流速u；用下式计算污染物降解系数k：
Figure BDA0001564661700000022
c.结合纳污河段起始断面位置x、纳污河段达标控制断面位置x'以及计算得到污染降解系数k、达标控制断面污染物浓度的方差D(C)以及测量得到的起始断面污染物浓度C0、河段平均流速u；用下式计算污染物降解系数的不确定度α：
Figure BDA0001564661700000023
(4)确定达标控制断面的污染物达标浓度Cs，结合污染源重心概化特性、污染物降解系数k及其不确定性α、河段平均流速u、河道流量Q，计算该河段纳污能力的方差D(W)，这就是该河段的纳污能力的风险；具体包括以下步骤：
a.根据达标控制断面下游用水的水质标准，确定达标控制断面污染物达标浓度Cs；
b.结合污染源重心概化特性、污染物降解系数k及其不确定性α、河段平均流速u、河道流量Q，用下式计算该河段纳污能力的方差D(W)，这就是该河段的纳污能力的风险：
Figure BDA0001564661700000031
本发明方法先进科学，通过本发明，本发明的污染源污染源重心概化下小型河道纳污能力风险估计方法，包括以下步骤：(1)调查纳污河段起始断面位置x及规划污染源的数量n，它们相对于该河段起始断面位置xi(i＝1,2,...,n)及污水流量qi(i＝1,2,...,n)，污染物浓度ci(i＝1,2,...,n)，确定污染源分布是否适合重心概化方式，如果适合重心概化则估计污染源重心相对于起始断面距离xc；(2)测量并确定该纳污河段达标控制断面位置x'，起始断面污染物浓度C0，测量河段平均流速u，河道流量Q；(3)根据测量结果确定该河段污染物降解系数k及其不确定度α；(4)结合污染源重心概化特性，污染物降解系数k及其不确定性α，河段平均流速u，河道流量Q，运用随机分析结果计算该河段纳污能力的方差D(W)，这就是该河段的纳污能力的风险。
步骤(1)中，具体包括以下步骤：
a.调查确定纳污河段起始断面位置x及规划污染源的数量n，它们相对于该河段起始断面位置xi(i＝1,2,...,n)及污水流量qi(i＝1,2,...,n)，污染物浓度ci(i＝1,2,...,n)；
b.确定污染源分布是否适合重心概化方式：如果污染源分布不集中，而是较为分散的沿程分布在纳污河段上，则较为适合污染源重心概化方式；如果污染源分布较为集中于纳污河段上某点则不适合污染源重心概化方式；
c.如果污染源分布适合污染源重心概化则用下式估计污染源重心相对于起始断面距离xc；
Figure BDA0001564661700000032
步骤(3)中，具体包括以下步骤:
a.反复测量达标控制断面污染物浓度多次，计算该断面污染物浓度的平均值，并作为该污染物浓度的数学期望E(C)；计算该断面污染物浓度的方差D(C)；
b.结合计算得到的污染物数学期望E(C)以及测量得到的起始断面污染物浓度C0，河段平均流速u；根据随机微分分析结果，用下式计算污染物降解系数k：
Figure BDA0001564661700000041
c.结合计算得到污染降解系数k，该断面污染物浓度的方差D(C)以及测量得到的起始断面污染物浓度C0，河段平均流速u；根据随机微分分析结果，用下式计算污染物降解系数的不确定度α：
Figure BDA0001564661700000042
步骤(4)中，具体包括以下步骤：
a.根据控制断面下游用水的水质标准，确定控制断面污染物达标浓度Cs；
b.确定控制断面的污染物达标浓度Cs，结合污染源重心概化特性，污染物降解系数k及其不确定性α，河段平均流速u，河道流量Q，运用随机分析结果用下式计算该河段纳污能力的方差D(W)，这就是该河段的纳污能力的风险：
Figure BDA0001564661700000043
有益效果：本发明结合纳污能力的概念和估计方式以及随机分析理论，提出了估算污染源重心概化下小型河道纳污能力风险估算方法。利用该方法能有效的估计污染源重心概化的情况下河道纳污能力的风险，并改进和提高河道水质的管理水平。该方法简单方便，易于在各河道管理实践中推广。
附图说明
图1是本发明的流程示意图。
具体实施方式
一种污染源重心概化下小型河道纳污能力风险估计方法，包括以下步骤：
(1)调查纳污河段起始断面位置x及规划污染源的数量n，它们相对于该河段起始断面位置xi(i＝1,2,...,n)及污水流量qi(i＝1,2,...,n)、污染物浓度ci(i＝1,2,...,n)，确定污染源分布是否适合重心概化方式，如果适合重心概化则估计污染源重心相对于起始断面距离xc；具体包括以下步骤：
a.调查确定纳污河段起始断面位置x和现有及规划污染源的数量n，它们相对于该河段起始断面位置xi(i＝1,2,...,n)及污水流量qi(i＝1,2,...,n)、污染物浓度ci(i＝1,2,...,n)；
b.确定污染源分布是否适合重心概化方式，如果规划污染源分布不集中，而是较为分散的沿程分布在纳污河段上，则较为适合污染源重心概化方式，如果污染源分布较为集中于纳污河段上某点则不适合污染源重心概化方式；
c.如果污染源分布适合污染源重心概化则用下式估计污染源重心相对于起始断面距离xc；
Figure BDA0001564661700000051
(2)确定纳污河段达标控制断面位置x'，测量起始断面污染物浓度C0、河段平均流速u、河道流量Q；
(3)根据测量结果确定纳污河段污染物降解系数k及其不确定度α；具体包括以下步骤:
a.反复测量达标控制断面污染物浓度多次，计算达标控制断面污染物浓度的平均值，并作为标控制断面污染物浓度的数学期望E(C)；计算达标控制断面污染物浓度的方差D(C)；
b.结合纳污河段起始断面位置x、纳污河段达标控制断面位置x'以及计算得到的标控制断面污染物浓度的数学期望E(C)以及测量得到的起始断面污染物浓度C0、河段平均流速u；用下式计算污染物降解系数k：
Figure BDA0001564661700000052
c.结合纳污河段起始断面位置x、纳污河段达标控制断面位置x'以及计算得到污染降解系数k、达标控制断面污染物浓度的方差D(C)以及测量得到的起始断面污染物浓度C0、河段平均流速u；用下式计算污染物降解系数的不确定度α：
Figure BDA0001564661700000053
(4)确定达标控制断面的污染物达标浓度Cs，结合污染源重心概化特性、污染物降解系数k及其不确定性α、河段平均流速u、河道流量Q，计算该河段纳污能力的方差D(W)，这就是该河段的纳污能力的风险；具体包括以下步骤：
a.根据达标控制断面下游用水的水质标准，确定达标控制断面污染物达标浓度Cs；
b.结合污染源重心概化特性、污染物降解系数k及其不确定性α、河段平均流速u、河道流量Q，用下式计算该河段纳污能力的方差D(W)，这就是该河段的纳污能力的风险：
Figure BDA0001564661700000061
下面结合附图和我国太湖平原某条小型河道实际观测数据对本发明作更进一步发明。
(1)按照图1所示流程图，首先调查该河道上污染源建设规划：该河道规划污染源约有15个，主要污染物为高锰酸盐指数，排放流量从0.05至0.1立方米/秒；高锰酸盐指数浓度从8毫克/升至10.2毫克/升。
规划中的污染源较为分散的沿程分布在纳污河段区域；因此根据经验可以将规划污染源概化为位于该河段重心位置排放。
记录该纳污河段起始断面位置x＝0米。利用污染源调查结果，利用下式确定纳污河段的污染源重心相对于起始断面的距离xc；
Figure BDA0001564661700000062
在本例中，污染源重心距离起始断面2公里，即xc＝2000米。
(2)测量并确定该纳污河段达标控制断面位置x'在起始断面下游5.2公里处即x'＝5200米，起始断面高锰酸盐指数浓度C0为9.8毫克/升，测量河段平均流速u为0.01米/秒，河道流量Q为1.15立方米/秒。
(2)反复测量控制断面高锰酸盐指数多次，计算该断面高锰酸盐指数的平均值，并作为高锰酸盐指数的数学期望E(C)；计算该断面高锰酸盐指数的方差D(C)。在本例中，该控制断面的高锰酸盐指数的数学期望为7.2毫克/升；高锰酸盐指数的方差为0.58毫克2/升2
根据下式计算得到该河道高锰酸盐指数的降解系数为0.166/天：
Figure BDA0001564661700000071
根据下式计算得到该河道高锰酸盐指数降解系数的不确定性为0.077/天1/2:
Figure BDA0001564661700000072
(3)该河段下游为农业用水区，执行国家水质标准《GB3838-2002》中的V类水质标准，因此该控制断面高锰酸盐指数的标准Cs为15毫克/升。
将上述计算和测量的高锰酸盐降解系数及其不确定性，纳污河段的长度，流量和流速，起始断面高锰酸盐指数代入下式：
Figure BDA0001564661700000073
计算可得重心概化下该纳污河段纳污能力的风险为2.99吨2/天2。

Claims (1)

1.一种污染源重心概化下小型河道纳污能力风险估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)调查纳污河段起始断面位置x及规划污染源的数量n，它们相对于该河段起始断面位置xi(i＝1,2,...,n)及污水流量qi(i＝1,2,...,n)、污染物浓度ci(i＝1,2,...,n)，确定污染源分布是否适合重心概化方式，如果适合重心概化则估计污染源重心相对于起始断面距离xc；具体包括以下步骤：
a.调查确定纳污河段起始断面位置x和现有及规划污染源的数量n，它们相对于该河段起始断面位置xi(i＝1,2,...,n)及污水流量qi(i＝1,2,...,n)、污染物浓度ci(i＝1,2,...,n)；
b.确定污染源分布是否适合重心概化方式，如果规划污染源分布不集中，而是较为分散的沿程分布在纳污河段上，则较为适合污染源重心概化方式，如果污染源分布较为集中于纳污河段上某点则不适合污染源重心概化方式；
c.如果污染源分布适合污染源重心概化则用下式估计污染源重心相对于起始断面距离xc；
Figure FDA0001564661690000011
(2)确定纳污河段达标控制断面位置x'，测量起始断面污染物浓度C0、河段平均流速u、河道流量Q；
(3)根据测量结果确定纳污河段污染物降解系数k及其不确定度α；具体包括以下步骤:
a.反复测量达标控制断面污染物浓度多次，计算达标控制断面污染物浓度的平均值，并作为标控制断面污染物浓度的数学期望E(C)；计算达标控制断面污染物浓度的方差D(C)；
b.结合纳污河段起始断面位置x、纳污河段达标控制断面位置x'以及计算得到的标控制断面污染物浓度的数学期望E(C)以及测量得到的起始断面污染物浓度C0、河段平均流速u；用下式计算污染物降解系数k：
Figure FDA0001564661690000012
c.结合纳污河段起始断面位置x、纳污河段达标控制断面位置x'以及计算得到污染降解系数k、达标控制断面污染物浓度的方差D(C)以及测量得到的起始断面污染物浓度C0、河段平均流速u；用下式计算污染物降解系数的不确定度α：
Figure FDA0001564661690000021
(4)确定达标控制断面的污染物达标浓度Cs，结合污染源重心概化特性、污染物降解系数k及其不确定性α、河段平均流速u、河道流量Q，计算该河段纳污能力的方差D(W)，这就是该河段的纳污能力的风险；具体包括以下步骤：
a.根据达标控制断面下游用水的水质标准，确定达标控制断面污染物达标浓度Cs；
b.结合污染源重心概化特性、污染物降解系数k及其不确定性α、河段平均流速u、河道流量Q，用下式计算该河段纳污能力的方差D(W)，这就是该河段的纳污能力的风险：
Figure FDA0001564661690000022
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