CN117517608A - 一种流域水污染成分溯源方法 - Google Patents

一种流域水污染成分溯源方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种流域水污染成分溯源方法，属于流域水污染成分溯源领域，该方法包括设置并根据流域监测位置流向间隔和流域监测位置纵深间隔，在监测点上布置数据监测传感器组，并根据数据监测传感器组获取各监测点的水污染成分数据和各监测点的水流数据；根据各监测点的水污染成分数据，判断是否有监测点监测到超标成分，若是，根据含有超标成分的监测点和各监测点的水流数据，分别进行纵向溯源分析和流向溯源分析，得到所有含有超标成分的监测点处所有超标成分的最终溯源结果；否则，判断该流域不存在水污染，结束流域水污染成分溯源。本发明解决了现有流域水污染溯源时通常忽略来自河床的水污染的问题，并提高了溯源准确度。

Description

一种流域水污染成分溯源方法
技术领域
本发明属于流域水污染成分溯源领域，尤其涉及一种流域水污染成分溯源方法。
背景技术
随着社会经济和城市化进程的快速发展，江河湖泊等自然水体开发利用强度不断加大，由此引发的水环境污染问题日益突出。水质恶化、水生生物多样性减少、蓝藻水华暴发等现象在全世界范围内频繁出现，加剧了河湖水资源、水环境、水生态等功能的退化，甚至丧失。水污染不仅威胁到流域生态安全，也威胁到人类的正常生产生活。河湖水体中污染物质的来源主要包括大气沉降、排污口排放、面源污染、地下水等，为了精准防治水污染，首先要查明进入河湖水体的污染来源，即开展流域污染溯源分析。
目前，流域污染溯源方法主要包括调查统计法、流域模型法、同位素法等。调查统计法是根据区域国民经济统计资料，分析涉水排污行业规模，利用污染物排放系数估算污染负荷，由于统计资料的时滞性，该方法难以及时获取分析成果。流域模型法是建立研究区域水文水质相耦合的数学模型，模拟污染物质迁移转化过程，同位素是通过采集区域污染物端元和水体样本，分析其中氮、氧等稳定同位素组成，进而确定污染来源。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种流域水污染成分溯源方法解决了现有流域水污染溯源时通常忽略来自河床的水污染的问题，并提高了溯源准确度。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种流域水污染成分溯源方法，包括以下步骤：
S1、设置流域监测位置流向间隔和流域监测位置纵深间隔；
S2、根据流域监测位置流向间隔和流域监测位置纵深间隔，获取监测点，并在监测点上布置数据监测传感器组，并根据数据监测传感器组获取各监测点的水污染成分数据和各监测点的水流数据；
S3、根据各监测点的水污染成分数据，判断是否有监测点监测到超标成分，若是，得到含有超标成分的监测点，并进入步骤S4，否则，判断该流域不存在水污染，结束流域水污染成分溯源；
S4、根据含有超标成分的监测点和各监测点的水流数据，分别进行纵向溯源分析和流向溯源分析，得到超标成分的最终溯源结果；
S5、重复步骤S4，直至得到所有含有超标成分的监测点处所有超标成分的最终溯源结果，完成流域水污染成分溯源。
本发明的有益效果为：本发明通过在流域流向和纵深方向设置监测点，通过流向监测点的超标成分浓度和纵深方向上的超标成分浓度，来进行水污染溯源，提高了水污染溯源的完整性和准确率，同时，基于水流速度模拟水污染成分的扩散，对水污染源头的区段进行确认，考虑了流域的活动性，保证水污染成分溯源的可靠性。
进一步地，所述步骤S2具体为：
S201、根据流域监测位置流向间隔，沿着流域水流流向从上游到下游依次设置若干个监测横截面；
S202、根据各监测横截面垂直于流域水面的方向，基于流域监测位置纵深间隔设置若干个监测点；
S203、分别在各监测点安装数据监测传感器组，各数据监测传感器组均包括流量传感器、水压传感器、密度传感器和水污染成分的数据监测传感器；
S204、根据各数据监测传感器组，分别得到各监测点的水污染成分数据和各监测点的水流数据。
上述进一步方案的有益效果为：基于流向和纵深方向进行监测点设置，考虑到流域水流信息的多样性，为超标成分扩散方向的确定和超标成分扩散浓度的确定做准备。
进一步地，所述步骤S4具体为对所有含有超标成分的监测点，按照从上游到下游，从河面自河底的顺序，依次分别进行纵向溯源分析和流向溯源分析，得到各监测点处各超标成分的最终溯源结果。
上述进一步方案的有益效果为：按照从上游到下游，从河面自河底的顺序，可根据已经得到的上游监测点的最终监测结果对下游监测点的数据进行分析，避免数据紊乱，提高溯源准确率。
进一步地，所述步骤S4具体为：
S401、根据各监测点的水污染成分数据，获取含有超标成分的监测点所在监测横截面的所有监测点的超标成分浓度；
S402、根据含有超标成分的监测点所在监测横截面的所有监测点的超标成分浓度，得到超标成分的扩散方向；
S403、判断超标成分的扩散方向是否为自底向上，若是，进入步骤S404，否则，进入步骤S405，
S404、根据各监测点的水流数据、超标成分的扩散方向和超标成分的扩散起点所在区段，得到超标成分的纵向溯源结果；
S405、根据超标成分的纵向溯源结果，进行超标成分的流向溯源分析，得到超标成分的最终溯源结果。
上述进一步方案的有益效果为：获取超标成分的纵向溯源结果，对超标成分是否来自于河床进行判断，若是来自河床，则不需要进行下一步的分析，减轻计算复杂度；在进行纵向溯源分析时，还要考虑上游监测点的信息，避免上游数据导致的信息紊乱，提高溯源可靠度。
进一步地，所述步骤S402中超标成分的扩散方向的表达式为：
其中，为监测点Qx,y的超标成分pi的扩散方向，为1时表示自底向上，为0时表示自上往下；/>为监测点Qx,y的超标成分pi的浓度；/>为监测点Qx,y-1的超标成分pi的浓度；Upi为超标成分pi的扩散浓度阈值；m为监测横截面纵向监测点总数；x为含有超标成分的监测点所在监测横截面的编号；y为监测横截面纵向监测点编号，从水面往水底方向依次递增；pi为第i个超标成分。
上述进一步方案的有益效果为：基于纵深方向上的监测点，对超标成分浓度进行分析，可对超标成分扩散方向进行初步判断。
进一步地，所述步骤S404具体为：
S4041、判断含有超标成分的监测点的上游是否有监测到同一超标成分的监测点，若是，获取最近的含有同一超标成分的监测点，作为第一上游监测点，并进入步骤S4042，否则，得到超标成分的扩散起点所在区段，并进入步骤S4045；
S4042、根据第一上游监测点和各监测点的水流数据，进行超标成分扩散模拟，得到超标成分浓度预测值：
其中，为监测点Qx,y处的超标成分pi浓度预测值；x为含有超标成分的监测点所在监测横截面的编号；y为监测横截面纵向监测点编号；/>为第一上游监测点所在监测横截面处超标成分pi的平均浓度；p为第一上游监测点所在监测横截面的编号；pi为第i个超标成分；u为河流流速平均值；D为X方向上的扩散系数；k1为污染物降解速率；l为第x个监测横截面到第p个监测横截面的长度；m为监测横截面纵向监测点总数；q为监测横截面纵向监测点编号；/>为监测点Qp,q处的超标成分pi的浓度；exp为以自然常数为底的指数函数；
S4043、根据超标成分浓度预测值，得到超标成分浓度误差：
其中，为超标成分浓度误差；/>为监测点Qx,y的超标成分pi的浓度；
S4044、判断超标成分浓度误差是否小于阈值，若是，将第一上游监测点处超标成分的纵向溯源结果作为当前含有超标成分的监测点处超标成分的纵向溯源结果，否则，得到超标成分的扩散起点所在区段，并进入步骤S4045；
S4045、根据超标成分的扩散方向和超标成分的扩散起点所在区段，得到超标成分的纵向溯源结果：
其中，为监测点Qx,y的超标成分pi的纵向溯源结果，表示超标成分溯源点为区段Dx,x-1的河底；Dx,x-1为第x-1个监测横截面到第x个监测横截面的流段。
上述进一步方案的有益效果为：在计算超标成分的纵向溯源结果时，考虑到了上游监测点的超标成分浓度，提高了溯源的可靠度和准确性。
进一步地，步骤S405具体为：
S4051、根据超标成分的纵向溯源结果，判断超标成分溯源点是否为河底，若是，以超标成分的纵向溯源结果作为超标成分的最终溯源结果，否则，进入步骤S4052；
S4052、根据超标成分的纵向溯源结果，获取超标成分的的扩散起点所在区段；
S4053、获取超标成分的的扩散起点所在区段内的排水口；
S4054、获取各排水口处的超标成分浓度；
S4055、根据各排水口处的超标成分浓度，进行超标成分扩散模拟，得到各排水口到监测点的浓度预测值：
其中，为第z个排水口到监测点Qx,y处的超标成分pi浓度预测值；x为含有超标成分的监测点所在监测横截面的编号；y为监测横截面纵向监测点编号；z为排水口编号；为第z个排水口处超标成分pi的平均浓度；pi为第i个超标成分；u为河流流速平均值；D为X方向上的扩散系数；k1为污染物降解速率；lz,x为第z个排水口到第x个监测横截面的长度；exp为以自然常数为底的指数函数；
S4056、根据各排水口到监测点的浓度预测值，得到各排水口超标成分浓度差值：
其中，为第z个排水口超标成分浓度差值；/>为监测点Qx,y的超标成分pi的浓度；m为监测横截面纵向监测点总数；
S4057、根据各排水口超标成分浓度差值，以差值最小的排水口作为超标成分的最终溯源结果。
上述进一步方案的有益效果为：根据各排水口的超标成分进行超标成分扩散模拟，并利用各排水口超标成分浓度差值进行超标成分来源判断，提高了溯源的可靠度和准确性。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，在本发明的一个实施例中，一种流域水污染成分溯源方法，包括以下步骤：
S1、设置流域监测位置流向间隔和流域监测位置纵深间隔；
S2、根据流域监测位置流向间隔和流域监测位置纵深间隔，获取监测点，并在监测点上布置数据监测传感器组，并根据数据监测传感器组获取各监测点的水污染成分数据和各监测点的水流数据；
S3、根据各监测点的水污染成分数据，判断是否有监测点监测到超标成分，若是，得到含有超标成分的监测点，并进入步骤S4，否则，判断该流域不存在水污染，结束流域水污染成分溯源；
S4、根据含有超标成分的监测点和各监测点的水流数据，分别进行纵向溯源分析和流向溯源分析，得到超标成分的最终溯源结果；
S5、重复步骤S4，直至得到所有含有超标成分的监测点处所有超标成分的最终溯源结果，完成流域水污染成分溯源。
所述步骤S2具体为：
S201、根据流域监测位置流向间隔，沿着流域水流流向从上游到下游依次设置若干个监测横截面；
S202、根据各监测横截面垂直于流域水面的方向，基于流域监测位置纵深间隔设置若干个监测点；
S203、分别在各监测点安装数据监测传感器组，各数据监测传感器组均包括流量传感器、水压传感器、密度传感器和水污染成分的数据监测传感器；
S204、根据各数据监测传感器组，分别得到各监测点的水污染成分数据和各监测点的水流数据。
所述步骤S4具体为对所有含有超标成分的监测点，按照从上游到下游，从河面自河底的顺序，依次分别进行纵向溯源分析和流向溯源分析，得到各监测点处各超标成分的最终溯源结果。
所述步骤S4具体为：
S401、根据各监测点的水污染成分数据，获取含有超标成分的监测点所在监测横截面的所有监测点的超标成分浓度；
S402、根据含有超标成分的监测点所在监测横截面的所有监测点的超标成分浓度，得到超标成分的扩散方向；
S403、判断超标成分的扩散方向是否为自底向上，若是，进入步骤S404，否则，进入步骤S405，
S404、根据各监测点的水流数据、超标成分的扩散方向和超标成分的扩散起点所在区段，得到超标成分的纵向溯源结果；
S405、根据超标成分的纵向溯源结果，进行超标成分的流向溯源分析，得到超标成分的最终溯源结果。
所述步骤S402中超标成分的扩散方向的表达式为：
其中，为监测点Qx,y的超标成分pi的扩散方向，为1时表示自底向上，为0时表示自上往下；/>为监测点Qx,y的超标成分pi的浓度；/>为监测点Qx,y-1的超标成分pi的浓度；/>为超标成分pi的扩散浓度阈值；m为监测横截面纵向监测点总数；x为含有超标成分的监测点所在监测横截面的编号；y为监测横截面纵向监测点编号，从水面往水底方向依次递增；pi为第i个超标成分。
所述步骤S404具体为：
S4041、判断含有超标成分的监测点的上游是否有监测到同一超标成分的监测点，若是，获取最近的含有同一超标成分的监测点，作为第一上游监测点，并进入步骤S4042，否则，得到超标成分的扩散起点所在区段，并进入步骤S4045；
S4042、根据第一上游监测点和各监测点的水流数据，进行超标成分扩散模拟，得到超标成分浓度预测值：
其中，为监测点Qx,y处的超标成分pi浓度预测值；x为含有超标成分的监测点所在监测横截面的编号；y为监测横截面纵向监测点编号；/>为第一上游监测点所在监测横截面处超标成分pi的平均浓度；p为第一上游监测点所在监测横截面的编号；pi为第i个超标成分；u为河流流速平均值；D为X方向上的扩散系数；k1为污染物降解速率；l为第x个监测横截面到第p个监测横截面的长度；m为监测横截面纵向监测点总数；q为监测横截面纵向监测点编号；/>为监测点Qp,q处的超标成分pi的浓度；exp为以自然常数为底的指数函数；
S4043、根据超标成分浓度预测值，得到超标成分浓度误差：
其中，为超标成分浓度误差；/>为监测点Qx,y的超标成分pi的浓度；
S4044、判断超标成分浓度误差是否小于阈值，若是，将第一上游监测点处超标成分的纵向溯源结果作为当前含有超标成分的监测点处超标成分的纵向溯源结果，否则，得到超标成分的扩散起点所在区段，并进入步骤S4045；
S4045、根据超标成分的扩散方向和超标成分的扩散起点所在区段，得到超标成分的纵向溯源结果：
其中，为监测点Qx,y的超标成分pi的纵向溯源结果，表示超标成分溯源点为区段Dx,x-1的河底；Dx,x-1为第x-1个监测横截面到第x个监测横截面的流段。
步骤S405具体为：
S4051、根据超标成分的纵向溯源结果，判断超标成分溯源点是否为河底，若是，以超标成分的纵向溯源结果作为超标成分的最终溯源结果，否则，进入步骤S4052；
S4052、根据超标成分的纵向溯源结果，获取超标成分的的扩散起点所在区段；
S4053、获取超标成分的的扩散起点所在区段内的排水口；
S4054、获取各排水口处的超标成分浓度；
S4055、根据各排水口处的超标成分浓度，进行超标成分扩散模拟，得到各排水口到监测点的浓度预测值：
其中，为第z个排水口到监测点Qx,y处的超标成分pi浓度预测值；x为含有超标成分的监测点所在监测横截面的编号；y为监测横截面纵向监测点编号；z为排水口编号；为第z个排水口处超标成分pi的平均浓度；pi为第i个超标成分；u为河流流速平均值；D为X方向上的扩散系数；k1为污染物降解速率；lz,x为第z个排水口到第x个监测横截面的长度；exp为以自然常数为底的指数函数；
S4056、根据各排水口到监测点的浓度预测值，得到各排水口超标成分浓度差值：
其中，ΔUz,pi为第z个排水口超标成分浓度差值；为监测点Qx,y的超标成分pi的浓度；m为监测横截面纵向监测点总数；
S4057、根据各排水口超标成分浓度差值，以差值最小的排水口作为超标成分的最终溯源结果。

Claims (7)

1.一种流域水污染成分溯源方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、设置流域监测位置流向间隔和流域监测位置纵深间隔；
S2、根据流域监测位置流向间隔和流域监测位置纵深间隔，获取监测点，并在监测点上布置数据监测传感器组，并根据数据监测传感器组获取各监测点的水污染成分数据和各监测点的水流数据；
S3、根据各监测点的水污染成分数据，判断是否有监测点监测到超标成分，若是，得到含有超标成分的监测点，并进入步骤S4，否则，判断该流域不存在水污染，结束流域水污染成分溯源；
S4、根据含有超标成分的监测点和各监测点的水流数据，分别进行纵向溯源分析和流向溯源分析，得到超标成分的最终溯源结果；
S5、重复步骤S4，直至得到所有含有超标成分的监测点处所有超标成分的最终溯源结果，完成流域水污染成分溯源。
2.根据权利要求1所述流域水污染成分溯源方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：
S201、根据流域监测位置流向间隔，沿着流域水流流向从上游到下游依次设置若干个监测横截面；
S202、根据各监测横截面垂直于流域水面的方向，基于流域监测位置纵深间隔设置若干个监测点；
S203、分别在各监测点安装数据监测传感器组，各数据监测传感器组均包括流量传感器、水压传感器、密度传感器和水污染成分的数据监测传感器；
S204、根据各数据监测传感器组，分别得到各监测点的水污染成分数据和各监测点的水流数据。
3.根据权利要求1所述流域水污染成分溯源方法，其特征在于，所述步骤S4具体为对所有含有超标成分的监测点，按照从上游到下游，从河面自河底的顺序，依次分别进行纵向溯源分析和流向溯源分析，得到各监测点处各超标成分的最终溯源结果。
4.根据权利要求3所述流域水污染成分溯源方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：
S401、根据各监测点的水污染成分数据，获取含有超标成分的监测点所在监测横截面的所有监测点的超标成分浓度；
S402、根据含有超标成分的监测点所在监测横截面的所有监测点的超标成分浓度，得到超标成分的扩散方向；
S403、判断超标成分的扩散方向是否为自底向上，若是，进入步骤S404，否则，进入步骤S405，
S404、根据各监测点的水流数据、超标成分的扩散方向和超标成分的扩散起点所在区段，得到超标成分的纵向溯源结果；
S405、根据超标成分的纵向溯源结果，进行超标成分的流向溯源分析，得到超标成分的最终溯源结果。
5.根据权利要求4所述流域水污染成分溯源方法，其特征在于，所述步骤S402中超标成分的扩散方向的表达式为：
其中，为监测点Qx,y的超标成分pi的扩散方向，为1时表示自底向上，为0时表示自上往下；/>为监测点Qx,y的超标成分pi的浓度；/>为监测点Qx,y-1的超标成分pi的浓度；/>为超标成分pi的扩散浓度阈值；m为监测横截面纵向监测点总数；x为含有超标成分的监测点所在监测横截面的编号；y为监测横截面纵向监测点编号，从水面往水底方向依次递增；pi为第i个超标成分。
6.根据权利要求4所述流域水污染成分溯源方法，其特征在于，所述步骤S404具体为：
S4041、判断含有超标成分的监测点的上游是否有监测到同一超标成分的监测点，若是，获取最近的含有同一超标成分的监测点，作为第一上游监测点，并进入步骤S4042，否则，得到超标成分的扩散起点所在区段，并进入步骤S4045；
S4042、根据第一上游监测点和各监测点的水流数据，进行超标成分扩散模拟，得到超标成分浓度预测值：
其中，为监测点Qx,y处的超标成分pi浓度预测值；x为含有超标成分的监测点所在监测横截面的编号；y为监测横截面纵向监测点编号；/>为第一上游监测点所在监测横截面处超标成分pi的平均浓度；p为第一上游监测点所在监测横截面的编号；pi为第i个超标成分；u为河流流速平均值；D为X方向上的扩散系数；k1为污染物降解速率；l为第x个监测横截面到第p个监测横截面的长度；m为监测横截面纵向监测点总数；q为监测横截面纵向监测点编号；/>为监测点Qp,q处的超标成分pi的浓度；exp为以自然常数为底的指数函数；
S4043、根据超标成分浓度预测值，得到超标成分浓度误差：
其中，为超标成分浓度误差；/>为监测点Qx,y的超标成分pi的浓度；
S4044、判断超标成分浓度误差是否小于阈值，若是，将第一上游监测点处超标成分的纵向溯源结果作为当前含有超标成分的监测点处超标成分的纵向溯源结果，否则，得到超标成分的扩散起点所在区段，并进入步骤S4045；
S4045、根据超标成分的扩散方向和超标成分的扩散起点所在区段，得到超标成分的纵向溯源结果：
其中，为监测点Qx,y的超标成分pi的纵向溯源结果，表示超标成分溯源点为区段Dx,x-1的河底；Dx,x-1为第x-1个监测横截面到第x个监测横截面的流段。
7.根据权利要求6所述流域水污染成分溯源方法，其特征在于，步骤S405具体为：
S4051、根据超标成分的纵向溯源结果，判断超标成分溯源点是否为河底，若是，以超标成分的纵向溯源结果作为超标成分的最终溯源结果，否则，进入步骤S4052；
S4052、根据超标成分的纵向溯源结果，获取超标成分的的扩散起点所在区段；
S4053、获取超标成分的的扩散起点所在区段内的排水口；
S4054、获取各排水口处的超标成分浓度；
S4055、根据各排水口处的超标成分浓度，进行超标成分扩散模拟，得到各排水口到监测点的浓度预测值：
其中，为第z个排水口到监测点Qx,y处的超标成分pi浓度预测值；x为含有超标成分的监测点所在监测横截面的编号；y为监测横截面纵向监测点编号；z为排水口编号；/>为第z个排水口处超标成分pi的平均浓度；pi为第i个超标成分；u为河流流速平均值；D为X方向上的扩散系数；k1为污染物降解速率；lz,x为第z个排水口到第x个监测横截面的长度；exp为以自然常数为底的指数函数；
S4056、根据各排水口到监测点的浓度预测值，得到各排水口超标成分浓度差值：
其中，为第z个排水口超标成分浓度差值；/>为监测点Qx,y的超标成分pi的浓度；m为监测横截面纵向监测点总数；
S4057、根据各排水口超标成分浓度差值，以差值最小的排水口作为超标成分的最终溯源结果。
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