CN110728035B - 一种基于控制断面水质达标的污染物总量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于控制断面水质达标的污染物总量控制方法，包括资料收集、现场勘察与监测；进行研究区域污染源现状和水环境质量现状调查分析，识别出主要污染源和主要超标因子；构建嵌套的河网水动力数学模型、水质数学模型；根据水量水质同步监测数据进行率定；根据污染源调查结果和模型率定结果进行允许排放量计算；提出水质提升方案。本发明通过划分研究区域范围及计算单元，建立嵌套的区域水动力水质数学模型，在此基础上开展区域的允许排放量计算研究，并提出水质提升方案，为污染物削减和环境整治方案提供技术支持和理论参考依据。

Description

一种基于控制断面水质达标的污染物总量控制方法

技术领域

本发明涉及水环境数值模拟领域，具体地涉及一种基于控制断面水质达标的污染物总量控制方法。

背景技术

随着经济的发展与人口的增长，用水量与日俱增，水资源量短缺伴随着水环境污染将逐渐成为制约经济发展的瓶颈，生活污水和工业废水的排放量不断增加，部分城市地区污水收集管网建设滞后引起了一系列城市生活污水直排等问题，再加上农村面源污染和工业点源污染的影响，导致部分地区水质呈阶段性、季节性的超标，这需引起我们的高度重视，我们需开展区域污染物允许排放量计算研究为污染物削减和环境整治方案制定提供技术支持和理论参考依据，努力创造出人工与自然相结合的和谐、健康、完美的生态水系***。

现有的河流治理技术的不足之处是单纯的污染控制是我国传统的河流治理思路，其较为具有主观性，并没有基于污染物在水体中的迁移、扩散以及水质变化的实际情况对污染物允许排放量进行量化，因此并不能够达到水质改善的目标，并且恢复水体生态***更是困难。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术仅单纯的污染控制，其较为具有主观性，并没有基于污染物在水体中的迁移、扩散以及水质变化的实际情况对污染物允许排放量进行量化的缺点，本发明提供了一种基于控制断面水质达标的污染物总量控制方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于控制断面水质达标的污染物总量方法，包括：

对选定的调查研究范围内的河道进行概化以及河道断面的计算单元划分，基于计算单元内的污染源确定需要总量控制的污染源；以及构建河网水动力数学模型和水质数学模型；

根据收集整理的研究区域边界和面上监测点水文水质时间资料确定河网水动力数学模型和水质数学模型所需的边界条件和初始条件；

基于水量水质同步监测数据对所述河网水动力数学模型和水质数学模型进行模型参数率定获得水质降解系数；

根据确定的主要污染源和污染超标因子以及模型率定获得的水质降解系数，通过已建立的研究区域河网水动力数学模型和水质数学模型，建立控制断面水质与排污口排污量的响应关系，通过基于控制断面达标的允许排放量计算方法得到各排污口到控制断面的污染物允许排放量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：

本发明通过划分研究区域范围及计算单元，建立嵌套的区域水动力水质数学模型，在此基础上开展区域的允许排放量计算研究，，为污染物削减和环境整治方案提供技术支持和理论参考依据。允许排放量的研究具有可操作性和前瞻性，可以为进一步的规划工作提供可靠的参考。数值模型模拟可以分析水量及水质变化，可以十分方便地展现污染物在水体中的迁移及扩散过程、快速地预测特定水文条件和具体工况下的水质变化，同时可以根据模型率定的污染物质降解系数进行水环境容量、污染物最大排放量等重要参考指标的计算，以便于提出科学合理的研究区域水环境改善方案。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于控制断面水质达标的污染物总量控制方法流程图；

图2是本发明实施例大流域某点位模型计算值与实测值的对比图；

图3是本发明实施例研究区域某点位模型计算值与实测值的对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，一种基于控制断面水质达标的污染物总量控制方法，包括：

(1)资料收集、现场勘察与监测；

(2)进行研究区域污染源现状和水环境质量现状调查分析，识别出主要污染源和主要超标因子；

(3)构建嵌套的河网水动力数学模型、水质数学模型；

(4)根据水量水质同步监测数据进行率定，获得水质降解系数；

(5)根据污染源调查结果和模型率定结果进行允许排放量计算；

步骤(1)所述的资料收集一般包括研究区域的水位、水量、气象数据以及DEM，现场勘察与监测主要是闸、泵、排污口的分布位置。

步骤(2)所述的进行研究区域污染源现状和水环境质量现状调查分析主要是结合流域DEM信息和实际汇水范围确定研究调查范围，进而对研究范围进行细化计算单元划分，即基于研究调查范围的行政边界、关键控制节点(如重要的水文站点、闸坝、重要支流入河口、常规监测断面、重要污染源排污口)、水功能区划等因素将研究调查范围进行划分，以便于后续污染源的计算。所计算的污染源包括生活污染源、工业污染源以及农业面源，得到所需要的污染源现状调查结果，识别出主要的污染源；水环境质量现状分析调查是基于断面水质数据，目的是识别出主要的超标因子。水质评价指标有COD、氨氮、总磷、总氮等，每个控制断面都有相应的水质标准，超过的指标即视为超标因子。

确定主要污染源的方法如下：计算每个污染源的入河量，将每个污染源的入河量进行比较，最高的即为主要污染源；污染源入河量的计算方法如下：

具体实施例中，生活污染源、工业污染源以及农业面源的计算公式如下：

生活污染源的计算方法如下：

①生活污染物产生量：

其中：N_城为城镇人口数；α₁为城镇生活排污系数；

为城镇生活产污量

其中：N_农为农村人口数；α₂为农村生活排污系数；

为农村产污量

②生活污水处理率：

城镇生活污水集中处理率＝污水厂接管城镇生活污水量/城镇生活污水产生量；农村生活污水处理率约为10％，污染物的去除率约为40％。

③城镇生活、农村生活污染物入河量：

其中：β₃为入河系数，取0.4；θ₂为污水处理厂生活污染物部分的排放量；W_生r为城镇生活和农村生活污染物总入河量。

工业污染源的计算方法如下：

①工业污染物入河量：

其中：β₃为入河系数，取0.4；θ₃为污水处理厂工业污染源部分的排放量；W_工产生1为工业产污量；W_工r为工业污染物入河量。

农业面源的计算方法如下：

①畜禽养殖污染物排放量计算：

W_畜禽p＝N_畜禽×α₃

其中：N_畜禽为饲养数，α₃为畜禽排污系数。

②水产养殖污染物排放量计算：

W_水产p＝M_水产×α₄

其中：M_水产为水产养殖面积，α₄为水产养殖排污系数。

③农田污染物排放量计算：

W_农p＝M×α₅

其中：M为耕地面积，α₅为农田排污系数。

④农业面源污染物入河量：

W_农业面源r＝W_排放×β₃

W_排放＝W_畜禽p+W_水产p+W_农p

其中：β₃为入河系数，取0.4。

步骤(3)所述的构建嵌套的河网水动力数学模型包括研究区域所在的大流域水动力模型以及研究区域的水动力模型。大流域的水动力模型构建包括：河网概化、断面概化、边界条件和初始条件的设置以及模型参数的率定验证。

边界条件中把上游边界设置为流量边界，下游边界设置为水位边界(若缺少流量边界，可采用数字流域水系提取，然后划分子流域，最后对每一个子流域进行产汇流模拟的方法计算出汇入河流的流量，将这流量值作为流量边界)。初始水位的设定要高于河床的高程，初始流量给一个接近0的数值。区域水动力模型构建包括：河网概划、边界条件的设置以及模型参数的率定验证。其中研究区域河网模型的水量计算边界由大流域水动力模型提供。

步骤(3)所述的构建研究区域水质数学模型包括：污染物扩散系数的选取、初始条件、边界条件以及模型参数率定。

所述的步骤(3)水动力模型边界条件的设定，若缺少流量边界，可采用数字流域水系提取，然后划分子流域，最后对每一个子流域进行产汇流模拟的方法计算出汇入河流的流量，将这流量值作为流量边界，具体过程如下：

i流域DEM的填洼与垫高处理；

ii无洼地水流方向计算；

iii汇流累积量计算；

iv设定阈值生成栅格河网；

v栅格河网矢量化。

步骤(4)所述的根据水量水质同步监测数据进行率定，水文监测数据水位、流量用于水动力模型参数率定，水质监测数据水温、pH、溶解氧、高锰酸盐指数、氨氮、总氮、总磷用于水质模型参数率定。

步骤(5)所述的根据污染源调查结果和模型率定结果进行允许排放量计算，通过已建立的研究区域河网区水环境数学模型，根据边界水质情况和设计水文条件，建立控制断面水质与排污口排污量的响应关系，然后通过基于控制断面达标的允许排放量计算方法得到各排污口的污染物允许排放量，计算方式如下：

基本的，排污口下游x处的水质浓度：

式中：C'——混合后水质浓度，

C₁、q——排污口废水浓度，mg/L；废水量，m³/s；

C₀、Q₀——上游来水浓度，mg/L；流量，m³/s；

k——水质降解系数，1/d(经模型率定所得)；

x——距排污口的距离，m；

u——流速，m/s。

考虑面源污染的容许纳污量W_C，

排污口下游某处的水质浓度为：

又因为：

Q_P、C_P——上游来水水量，m³/s；上游来水浓度，mg/L；

Q_E、C_E——排污口污水排放量，m³/s；排放浓度，mg/L；

C_S、C₀——旁侧入流浓度，mg/L；控制断面x处的河水浓度，mg/L所以：

其中：

当控制断面x处的水质满足C₀＝S(S为控制断面水质标准或浓度控制要求)时，

W_C即为排污口到控制断面的容许排放量。

根据所得允许排放量(即为排污口的允许排放量)对污染物的排放量进行削减，如完善城镇污水收集管网***和污水提升泵站设施；根据区域实际情况来确定调水引流方案。

所述的设计水文条件的确定建立在区域雨量站多年的逐日降雨量资料，采用P-Ⅲ频率曲线进行分析；所述的边界水质条件的确定根据模型中各边界断面所处功能区水质目标确定边界水质条件。

下面以研究区域A为例，阐述本发明的具体实施步骤：

(1)资料收集、现场勘察与监测

区域A的整个流域的上游来水基本是山地丘陵的降雨汇流，a水文站与b水文站是整个流域的两个出口，分别位于流域的西北角和东北角方位，流域内部水系发达，主要河道有32条。

(2)区域污染源现状和水环境质量现状调查分析，识别主要污染源和主要超标因子；

结合流域DEM信息和实际汇水范围确定研究调查范围，对研究范围进行细化计算单元划分，区域A部分计算单元划分情况见表1。

表1 区域A部分计算单元划分情况

区域内部分直排企业排放情况如下表2：

表2 区域内部分直排企业排放情况

经分析，研究区域中的直排企业排放总量并不大。直排点源排放并不是研究区域的主要污染源。

经计算，区域内面源产生的总COD入河量为8757.87吨/年、NH₃-N入河量为974.40吨/年、TP入河量为127.78吨/年。要远大于直排点源的污染物入河量，其中面源产生的COD入河量约是点源的106倍，NH₃-N入河量约是点源的159倍，TP入河量约是点源的36倍。因此面源产污是研究区域的主要污染物来源。

研究范围内污水管网建设近年呈现逐步加快情势，但由于区域内居住小区、工业企业建设年代不一，一些老旧小区管网衔接错乱，管网尚未完全配套到位，导致生活污水未能得到有效接管处理，生活污水入河也成为污染物的来源。如区域A-1:由于污水未能得到有效接管处理，COD、NH₃-N、TP年直接入河量合计分别为2307.9吨、261.94吨、24.09吨，分别占本区域入河量的89.2％、90.3％和79.0％。

(3)构建嵌套的河网水动力数学模型、水质数学模型及率定

构建研究区域所在流域-研究区域嵌套的河网水动力模型，大网模型用于全流域的水动力模拟，为嵌套的研究区域河网提供设计水文条件下的水动力边界。

a.大流域内共概化出15条河流，概化后的断面基本几何形状是平坡、梯形断面。边界条件中把上游边界设置为流量边界，下游边界设置为水位边界，采用实测的水位值。初始水位的设定要高于河床的高程，初始流量给一个接近0的数值。河床糙率从n＝0.03开始率定，率定得到的河床的糙率在0.025-0.032之间。某点位模型计算值与实测值的对比图见图2，大网水动力模拟率定误差分析见表3。

表3 大网水动力模拟率定误差分析

监测点位	项目	平均实测值	平均计算值	误差率	合格(否)
						Q-1	流量	12.98m<sup>3</sup>/s	15.63m<sup>3</sup>/s	20.42％	合格
Q-2	流量	23.23m<sup>3</sup>/s	24.63m<sup>3</sup>/s	6.03％	合格
						Q-3	流量	28.86m<sup>3</sup>/s	32.56m<sup>3</sup>/s	12.82％	合格
Q-4	水位	7.70m	7.76m	6cm	合格

b.研究区域共概化出10条河道，研究区域河网模型的水量计算边界由大网模型提供，河道糙率率定结果在0.025-0.032之间。某点位模型计算值与实测值的对比图见图3，研究区域水动力模拟率定误差分析见表4。

表4研究区域水动力模拟率定误差分析

监测点位	项目	平均实测值	平均计算值	误差率	合格(否)
						Q-1	流量	12.98m<sup>3</sup>/s	14.23m<sup>3</sup>/s	9.63％	合格
Q-2	流量	23.23m<sup>3</sup>/s	25.15m<sup>3</sup>/s	8.27％	合格
						Q-3	流量	28.86m<sup>3</sup>/s	33.78m<sup>3</sup>/s	17.05％	合格
Q-4	水位	7.70m	7.78m	8cm	合格

c.水质模型

纵向扩散系数根据不同水流条件选取，初始条件为实测值的平均值。外边界采用实测值，内边界参照直排企业排污情况。率定得到NH₃-N降解系数为0.05～0.09d^-1，TP降解系数为0.05～0.08d^-1。

(4)允许排放量计算

通过对研究区域允许排放量进行计算，结果表明研究区域内的COD_Mn、TP污染物的入河量均小于允许排放量，但NH₃-N入河量高于允许排放量限值。基于考核断面水质达标的污染物允许排放量分别为：COD_Mn10120.5吨/年，NH₃-N 342.4吨/年，TP 180.4吨/年。

(5)为了在以上实施例的基础上，基于以上计算得出的各排污口到控制断面的污染物允许排放量，进一步提出科学合理的研究区域水环境改善方案。一般的水质提升方案包括：

(1)可根据区域实际情况来确定调水引流方案。

(2)从源头整治，对排污口进行整治。

具体实施例中包括以下水质提升方案：

第一种水质提升方案是在W1引水的情况下，研究区域上游断面来水NH₃-N水质取功能区目标值、COD_Mn、TP水质取现状监测值，同时完全达到预定的工程削减量。

第二种水质提升方案是在W1不引水的情况下，研究区域上游断面来水NH₃-N水质取功能区目标值、COD_Mn、TP水质取现状监测值，同时完全达到预定的工程削减量。

第三种水质提升方案是在W1不引水的情况下，研究区域上游断面来水NH₃-N、COD_Mn、TP水质都取现状监测值，同时完全达到预定的工程削减量,对这三个方案进行比选。

本发明通过对污染源现状调查，识别出主要的污染源及主要的超标因子，利用水环境数值模型，充分了解水体水质变化规律，率定得出水动力、水质降解系数，选用基于控制断面达标的计算方法对污染物允许排放量进行计算，得出污染物的削减量，能够从单纯的污染控制向控污减排转变，控制排放总量，恢复水生态***。

允许排放量的研究具有可操作性和前瞻性，可以为进一步的规划工作提供可靠的参考。做到科学规划和管理水环境，更好的为社会和经济快速发展服务。

数值模型模拟可以分析水量及水质变化，可以十分方便地展现污染物在水体中的迁移及扩散过程，因此，数值模型的构建成为水环境污染防治工作中的主要组成部分。使用数值模型模拟，可以方便快速地预测特定水文条件和具体工况下的水质变化，同时可以根据模型率定的污染物质降解系数进行水环境容量、污染物最大排放量等重要参考指标的计算，以便于提出科学合理的研究区域水环境改善方案。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种基于控制断面水质达标的污染物总量控制方法，其特征在于，包括：

对选定的调查研究范围内的河道进行概化以及河道断面的计算单元划分，基于计算单元内的污染源确定需要总量控制的污染源；以及构建河网水动力数学模型和水质数学模型；

根据收集整理的研究区域边界和面上监测点水文水质时间资料确定河网水动力数学模型和水质数学模型所需的边界条件和初始条件；

基于水量水质同步监测数据对所述河网水动力数学模型和水质数学模型进行模型参数率定获得水质降解系数；

根据确定的主要污染源和污染超标因子以及模型率定获得的水质降解系数，通过已建立的研究区域河网水动力数学模型和水质数学模型，建立控制断面水质与排污口排污量的响应关系，通过基于控制断面达标的允许排放量计算方法得到各排污口到控制断面的污染物允许排放量；所述各排污口到控制断面的污染物允许排放量WC的计算公式如下：

其中：

S为控制断面水质标准；x为距离排污口下游处的距离；

C_S为旁侧入流浓度；

k为率定得到的水质降解系数；

A是断面面积，q为废水量；

Q_P为上游来水水量；C_P为上游来水浓度；

Q_E为排污口污水排放量；C_E为排放浓度。

2.根据权利要求1所述的一种基于控制断面水质达标的污染物总量控制方法，其特征在于，所述污染源包括生活污染源、工业污染源以及农业面源，确定主要污染源的方法如下：计算每个污染源的入河量，将每个污染源的入河量进行比较，最高的即为主要污染源；污染源入河量的计算方法如下：

生活污染源的计算方法如下：

(1)生活污染物产生量：

城镇生活产污量W_产生1的表达式如下：

W_产生1＝N_城×α₁

其中：N_城为城镇人口数；α₁为城镇生活排污系数；W_产生1为城镇生活产污量；

农村产污量W_产生2的表达式如下：

W_产生2＝N_农×α₂

其中：N_农为农村人口数；α₂为农村生活排污系数；W_产生2为农村产污量；

(2)生活污水处理率：

城镇生活污水集中处理率等于污水厂接管城镇生活污水量与城镇生活污水产生量的比值；

(3)城镇生活、农村生活污染物入河量的计算表达式如下：

W_生r＝W_产生1×(1-城镇生活污水集中处理率)×β₃+θ₂+W_产生2×(1-农村生活污水处理率*污染物去除率)×β₃，

其中：β₃为入河系数；θ₂为污水处理厂生活污染物部分的排放量；W_生r为城镇生活和农村生活污染物总入河量；

工业污染源的计算方法如下：

(1)工业污染物入河量：

W_工r＝W_工产生1×(1-污水集中处理率)×β₃+θ₃

其中：β₃为入河系数；θ₃为污水处理厂工业污染源部分的排放量；W_工产生1为工业产污量；W_工r为工业污染物入河量；

农业面源的计算方法如下：

(1)畜禽养殖污染物排放量计算：

W_畜禽p＝N_畜禽×α₃

其中：N_畜禽为饲养数，α₃为畜禽排污系数；

(2)水产养殖污染物排放量计算：

W_水产p＝M_水产×α₄

其中：M_水产为水产养殖面积，α₄为水产养殖排污系数；

(3)农田污染物排放量计算：

W_农p＝M×α₅

其中：M为耕地面积，α₅为农田排污系数；

(4)农业面源污染物入河量：

W_农业面源r＝W_排放×β₃

W_排放＝W_畜禽p+W_水产p+W_农p

其中：β₃为入河系数。

3.根据权利要求2所述的一种基于控制断面水质达标的污染物总量控制方法，其特征在于，入河系数β₃取0.4。

4.根据权利要求1所述的一种基于控制断面水质达标的污染物总量控制方法，其特征在于，所述河网水动力数学模型包括研究区域所在的大流域水动力模型以及研究区域的水动力模型。

5.根据权利要求1所述的一种基于控制断面水质达标的污染物总量控制方法，其特征在于，确定模型的边界条件包括把上游边界设置为流量边界，下游边界设置为水位边界；若缺少流量边界，则采用数字流域水系提取，然后划分子流域，最后对每一个子流域进行产汇流模拟的方法计算出汇入河流的流量，将这流量值作为流量边界。

6.根据权利要求1所述的一种基于控制断面水质达标的污染物总量控制方法，其特征在于，所述水量水质同步监测数据包括水温、pH、溶解氧、高锰酸盐指数、氨氮、总氮和总磷。

7.根据权利要求1所述的一种基于控制断面水质达标的污染物总量控制方法，其特征在于，确定需要总量控制的污染源的方法包括以下步骤：

基于计算单元内的污染源确定排放量最高的污染源以及基于断面水质数据确定污染超标因子；

根据排放量最高的污染源以及污染超标因子确定需要进行总量控制的污染物。

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