一种评估改变取水方式对下游河道污染物浓度影响的方法与流程

1.本发明属于水利工程技术领域，具体为一种评估改变取水方式对下游河道污染物浓度影响的方法。


背景技术：

2.取水对河流下游污染物浓度影响程度的评价是开展规划和建设项目水资源论证、环境影响评价的基础。取水规模的改变，涉及水功能区域的多少以及取、退水对其他用水户及生态环境的影响，根据建设项目退水情况可分为三类。对于取水对下游河道污染物浓度的影响评估，为了更加精确、定量地研究水体的污染问题，水质的数值模拟计算就成为重要的研究手段，现在一般是根据污染物迁移转化物理过程构建区域污染物迁移转化模型进行评估。其污染物迁移过程既与污染物本身特性有关，也与外界条件密切相关，因此定量分析各水质变量迁移转化规律以及影响因素之间相互关系的数学描述，是模型准确性的关键。但需要较多的实测数据和参数，且分析过程复杂且工作量巨大。本文基于物质守恒，提出一种较为简单、实用和高效的分析方法。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于基于以上技术困难，提供一种评估改变取水方式对下游河道污染物浓度影响的方法。
4.本发明的目的是这样实现的：
5.一种评估改变取水方式对下游河道污染物浓度影响的方法，包括以下步骤：
6.1)根据取水活动对污染物的影响进行分类：第一类是没有退水，即沿程退水和集中退水都为0；第二类是只考虑集中退水，即沿程退水为0；第三类是既有集中退水，又有沿程退水；
7.2)对确定为步骤1)中第一类的，评估改变取水方式对下游河道污染物浓度影响的方法如下：通过以下公式计算改变取水条件后下游考核断面污染物浓度的变化率p：
[0008][0009]
式中：q2为下游考核断面流量，m3；
[0010]q′0为取水断面下泄流量，m3；
[0011]
取水断面下泄流量＝取水断面流量-取水量；
[0012]
c2为下游考核断面污染物浓度，mg/l；
[0013]cx
为取水断面污染物流到下游考核断面的污染物浓度，mg/l；
[0014]
上述各符号中不同上标代表取水方式的不同，上标1表示取水方式1，上标2表示取水方式2；
[0015]
3)对确定为步骤1)中第二类的，评估改变取水方式对下游河道污染物浓度影响的方法如下：通过以下公式计算改变取水条件后下游考核断面污染物浓度的变化率p：
[0016][0017]
式中：q
取
为取水量，m3；η1为管道输水利用系数、η2为用水排放系数、η3为污水处理损耗系数；c
退
为集中退水污染物浓度，mg/l；其它符号与公式(1)中的符号含义相同；上述各符号中不同上标代表取水方式的不同，上标1表示取水方式1，上标2表示取水方式2；
[0018]
4)对确定为步骤1)中第三类的，评估改变取水方式对下游河道污染物浓度影响的方法如下：通过以下公式计算改变取水条件后下游考核断面污染物浓度的变化率p：
[0019][0020]
式中：
[0021]
q0为灌区渗漏退水单宽流量，m3；cq为灌区渗漏退水单宽流量q0对应的污染物浓度，mg/l；l为排水沟长度，m；γ为渗流系数，m/s；a为河道的横断面积，m2；h2、h1分别为灌区上下游地下水埋深，m；l为灌区渗漏河道长度，m；其它符号与公式(1)中的符号含义相同；上述各符号中不同上标代表取水方式的不同，上标1表示取水方式1，上标2表示取水方式2；
[0022]
5)对改变取水方式的影响评价：根据现状下游考核断面污染物浓度c
现状
与水功能区污染物浓度限值c
考核
的关系进行取水对河流环境的影响分析，当c
现状
*(1-p)未超过c
考核
时，则取水方式改变对下游河道污染物浓度的影响很小。
[0023]
进一步的，计算取水断面污染物流到下游考核断面的污染物浓度c
x
，具体公式如下：
[0024][0025]
式中：取水断面污染物流到下游考核断面的污染物浓度c
x
，mg/l；
[0026]
x为考核断面到取水断面的距离，m；
[0027]
v为设计流量下河道断面的平均流速，m/s；
[0028]
c0为水断面取水前的污染物浓度，mg/l；
[0029]
k为污染物综合衰减系数，s-1
。
[0030]
进一步的，v的计算方法为：计算河道取水后取水断面流速v
上
和取水后考核断面流速v
下
；计算v
上
与v
下
的平均值得到v；
[0031]
取水后取水断面流速v
上
的计算方法为：
[0032]v上
＝q
′0/(t*a
上
)
[0033]
取水后考核断面流速v
下
的计算方法为：
[0034]v下
＝q2/(t*a
下
)
[0035]
其中：q
′0为取水断面取水后的流量，m3；q2为考核断面取水后的流量，m3；a
上
为取水断面面积，m2；a
下
为考核断面面积，m2；t为时间，s。
[0036]
进一步的，所述下游河道污染物为代表性污染物，根据下游考核断面监测选择主要污染物和超标风险最大污染物作为代表性污染物。
[0037]
本发明的优点和有益效果是：
[0038]
利用质量守恒，采用隐式求解的办法分析取水对下游河道污染物浓度的影响。(1)
相对于传统方法，减少了资料需求量和工作量：利用质量守恒和公式变换，消除了一般计算中必须考虑区间汇水和污染物输入的问题，从而大大减少了资料需求和分析工作量；(2)效率提升：工作量的而减少意味着，利用本方法将大大实现效率提升；(3)提高了计算可靠性：一般方法中资料需求量大，误差来源多，可靠性不高；同时，采用不同方案联立求解的方式，消除了不同方案间水文条件差异等影响区间污染物消减量的问题。(4)适用于多方案情景分析，方法适应性好：一般方法中，实测数据需求多，由于河流区域特征差异明显，这些资料的普适性较差，本方法资料量大大减少。
附图说明
[0039]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0040]
图1是本发明流程图。
具体实施方式
[0041]
实施例一：
[0042]
一种评估改变取水方式对下游河道污染物浓度影响的方法，包括以下步骤：
[0043]
根据取水活动对污染物的影响进行分类：第一类是没有退水，即沿程退水和集中退水都为0；第二类是只考虑集中退水，即沿程退水为0；第三类是既有集中退水，又有沿程退水；
[0044]
(一)没有退水，即沿程退水和集中退水都为0时
[0045]
1、收集资料：取水断面取水前后的流量q0、q
′0，污染物浓度c0，考核断面到取水断面的距离x，下游考核断面流量q2、污染物浓度c2及水功能区污染物浓度限值c
考核
，河道比降i，实测大断面a。
[0046]
2、选择代表性污染物。根据下游考核断面监测选择主要污染物和超标风险最大污染物作为代表性污染物。
[0047]
3、计算取水断面污染物流到下游考核断面的污染物浓度c
x
，具体公式如下：
[0048][0049]
式中：取水断面污染物流到下游考核断面的污染物浓度c
x
，mg/l；
[0050]
x为考核断面到取水断面的距离，m；
[0051]
v为设计流量下河道断面的平均流速，m/s；
[0052]
c0为水断面取水前的污染物浓度，mg/l；
[0053]
k为污染物综合衰减系数，s-1。
[0054]
v的计算方法为：计算河道取水后取水断面流速v
上
和取水后考核断面流速v
下
；计算v
上
与v
下
的平均值得到v；
[0055]
取水后取水断面流速v
上
的计算方法为：
[0056]v上
＝q
′0/(t*a
上
)
[0057]
取水后考核断面流速v
下
的计算方法为：
[0058]v下
＝q2/(t*a
下
)
[0059]
其中：q
′0为取水断面取水后的流量，m3；q2为考核断面取水后的流量，m3；a
上
为取水
断面面积，m2；a
下
为考核断面面积，m2；t为时间，s。
[0060]
4、对改变取水方式的影响评价：根据现状下游考核断面污染物浓度c
现状
与水功能区污染物浓度限值c
考核
的关系进行取水对河流环境的影响分析，当c
现状
*(1-p)未超过c
考核
时，则取水方式改变对下游河道污染物浓度的影响很小。
[0061]
评估改变取水方式对下游河道污染物浓度影响的方法如下：通过以下公式计算改变取水条件后下游考核断面污染物浓度的变化率p：
[0062][0063]
式中：q2为下游考核断面流量，m3；
[0064]q′0为取水断面下泄流量，m3；
[0065]
取水断面下泄流量＝取水断面流量-取水量；
[0066]
c2为下游考核断面污染物浓度，mg/l；
[0067]cx
为取水断面污染物流到下游考核断面的污染物浓度，mg/l；
[0068]
上述各符号中不同上标代表取水方式的不同，上标1表示取水方式1，上标2表示取水方式2。
[0069]
(二)只考虑集中退水，即沿程退水为0
[0070]
1、收集资料：取水断面取水前后的流量q0、q
′0，污染物浓度c0，考核断面到取水断面的距离x，污水处理厂水量水质信息，管道输水利用系数η1、用水排放系数η2、污水处理损耗系数η3，污水处理厂的出水控制标准c
退
，下游考核断面流量q2、污染物浓度c2及水功能区污染物浓度限值c
考核
，河道比降i，实测大断面a。
[0071]
2、选择代表性污染物。根据下游考核断面监测选择主要污染物和超标风险最大污染物作为代表性污染物。
[0072]
3、评估改变取水方式对下游河道污染物浓度影响的方法如下：通过以下公式计算改变取水条件后下游考核断面污染物浓度的变化率p：
[0073][0074]
式中：q
取
为取水量，m3；η1为管道输水利用系数、η2为用水排放系数、η3为污水处理损耗系数；c
退
为集中退水污染物浓度，mg/l；其它符号与公式(1)中的符号含义相同；上述各符号中不同上标代表取水方式的不同，上标1表示取水方式1，上标2表示取水方式2。
[0075]
4、对改变取水方式的影响评价：根据现状下游考核断面污染物浓度c
现状
与水功能区污染物浓度限值c
考核
的关系进行取水对河流环境的影响分析，当c
现状
*(1-p)未超过c
考核
时，则取水方式改变对下游河道污染物浓度的影响很小。
[0076]
(三)既有集中退水，又有沿程退水
[0077]
1、收集资料：取水断面取水前后的流量q0、q
′0，污染物浓度c0，考核断面到取水断面的距离x，集中退水断面到取水断面的距离x1，灌区渗漏退水单宽流量q0、对应的污染物浓度cq、渗流系数γ、河段长度l、排水沟长度l及上游到取水断面的距离x2，集中退水量q
退
，集中退水污染物浓度c
退
，下游考核断面流量q2、污染物浓度c2及水功能区污染物浓度限值c
考核
，河道比降i，实测大断面a，灌区地下水埋深h。
[0078]
2、选择代表性污染物。根据下游考核断面监测选择主要污染物和超标风险最大污染物作为代表性污染物。
[0079]
3、评估改变取水方式对下游河道污染物浓度影响的方法如下：通过以下公式计算改变取水条件后下游考核断面污染物浓度的变化率p：
[0080][0081]
式中：
[0082]
q0为灌区渗漏退水单宽流量m3；cq为对应的污染物浓度，mg/l；l为排水沟长度/m；γ为渗流系数，m/s；a为河道的横断面积，m2；h2、h1分别为灌区上下游地下水埋深，m；l为灌区渗漏河道长度，m；其它符号与公式(1)中的符号含义相同；上述各符号中不同上标代表取水方式的不同，上标1表示取水方式1，上标2表示取水方式2；
[0083]
4、对改变取水方式的影响评价：根据现状下游考核断面污染物浓度c
现状
与水功能区污染物浓度限值c
考核
的关系进行取水对河流环境的影响分析，当c
现状
*(1-p)未超过c
考核
时，则取水方式改变对下游河道污染物浓度的影响很小。
[0084]
本发明各个公式的推导过程：
[0085]
根据质量守恒，取水断面污染物总量与下游考核断面污染物总量之间存在如下关系：
[0086]
下游断面污染物总量＝取水断面污染物总量-区间污染物消减量+区间污染物汇入量
[0087]
q2c2＝q
′0c
x
+q
q1cq1
+q
q2cq2
+q
退c退
+q
进1c进1
+q
进2c进2
[0088]
式中：q2为下游考核断面流量；
[0089]q′0为取水断面下泄流量；取水断面下泄流量＝取水断面流量-取水量；
[0090]qq1
为取水断面到集中退水断面的沿程退水流量；
[0091]qq2
为集中退水断面到下游考核断面的沿程退水流量；
[0092]q退
为集中退水量；
[0093]q进1
为取水断面到下游考核断面区间汇入径流量；
[0094]q进2
为取水断面到下游考核断面区间汇入径流量；
[0095]
c2为下游考核断面污染物浓度；
[0096]cx
为取水断面污染物流到下游考核断面的污染物浓度；
[0097]cq1
为取水断面到集中退水断面的沿程退水污染物浓度；
[0098]cq2
为集中退水断面到下游考核断面的沿程退水污染物浓度；
[0099]c退
为集中退水污染物浓度；
[0100]c进1
为取水断面到下游考核断面区间汇入径流污染物浓度；
[0101]c进2
为取水断面到下游考核断面区间汇入径流污染物浓度；
[0102]
其中，q
′0c
x
、q
q1cq1
、q
q2cq2
和q
退c退
是取水活动对污染物的影响项；q
进1c进1
和q
进2c进2
是非取水活动对污染物的影响项。
[0103]
不同取水方案存在如下关系：
[0104]
[0105][0106]
对于取水活动对污染物的影响项，下泄污染物总量和区间污染物消减量都产生变化。
[0107]
对于非取水活动对污染物的影响项，考虑人类活动强度很大，按照现有方法和相关评价规范要求，这部分资料收集、分析计算、建模等工作量大、难度高、效率低。由于这些变化因素不是由生产建设项目取水造成的，因此两种取水方案条件下严格一致。即变化因素不是由生产建设项目取水造成的，因此两种取水方案条件下严格一致。即
[0108]
经公式变换可以得到：
[0109][0110]
因此，改变取水条件对下游考核断面污染物浓度的影响可以用浓度减小率表示为：
[0111][0112]
令令
[0113]
则改变取水条件对下游考核断面污染物浓度的影响可以用浓度减小率表示为：
[0114][0115]
根据取水活动对污染物的影响可分为三类，第一类是没有退水，即沿程退水和集中退水都为0；第二类是只考虑集中退水，即沿程退水为0；第三类是既有集中退水，又有沿程退水。
[0116]
a、没有退水，即沿程退水和集中退水都为0时
[0117]
根据质量守恒，取水断面污染物总量与下游考核断面污染物总量之间存在如下关系：
[0118]
下游断面污染物总量＝取水断面污染物总量-区间污染物消减量+区间污染物汇入量
[0119]
q2c2＝q
′0c
x
+q
q1cq1
+q
q2cq2
+q
退c退
+q
进1c进1
+q
进2c进2
[0120]
其中，q
′0c
x
、q
q1cq1
、q
q2cq2
和q
退c退
是取水活动对污染物的影响项；q
进1c进1
和q
进2c进2
[0121]
是非取水活动对污染物的影响项。
[0122]
不同取水方案存在如下关系：
[0123][0124][0125]
对于取水活动对污染物的影响项，下泄污染物总量和区间污染物消减量都产生变化。其中
[0126]
对于非取水活动对污染物的影响项，考虑人类活动强度很大，按照现有方法和相关评价规范要求，这部分资料收集、分析计算、建模等工作量大、难度高、效率低。由于这些变化因素不是由生产建设项目取水造成的，因此两种取水方案条件下严格一致。即变化因素不是由生产建设项目取水造成的，因此两种取水方案条件下严格一致。即
[0127]
经公式变换可以得到：
[0128][0129]
因此，改变取水条件对下游考核断面污染物浓度的影响可以用浓度减小率表示为：
[0130][0131]
令则改变取水条件对下游考核断面污染物浓度的影响可以用浓度减小率表示为：
[0132][0133]
其中，取水断面下泄流量为已知量，下游考核断面流量为已知量，取水断面污染物流到下游考核断面的污染物浓度根据《水域纳污能力计算规程》(gb/t25173-2010)，选用河流一维模型分析，方式1下游考核断面污染物浓度为已知量。计算得出浓度减小率p。
[0134]
b、只考虑集中退水，即沿程退水为0
[0135]
根据质量守恒，取水断面污染物总量与下游考核断面污染物总量之间存在如下关系：
[0136]
下游断面污染物总量＝取水断面污染物总量-区间污染物消减量+区间污染物汇入量
[0137]
q2c2＝q
′0c
x
+q
q1cq1
+q
q2cq2
+q
退c退
+q
进1c进1
+q
进2c进2
[0138]
其中，q
′0c
x
、q
q1cq1
、q
q2cq2
和q
退c退
是取水活动对污染物的影响项；q
进1c进1
和q
进2c进2
是非取水活动对污染物的影响项。
[0139]
不同取水方案存在如下关系：
[0140]
[0141][0142]
对于取水活动对污染物的影响项，下泄污染物总量和区间污染物消减量都产生变化。其中不同取水方案对污水处理厂的退水污染物浓度无影响，即
[0143]
对于非取水活动对污染物的影响项，考虑人类活动强度很大，按照现有方法和相关评价规范要求，这部分资料收集、分析计算、建模等工作量大、难度高、效率低。由于这些变化因素不是由生产建设项目取水造成的，因此两种取水方案条件下严格一致。即变化因素不是由生产建设项目取水造成的，因此两种取水方案条件下严格一致。即
[0144]
经公式变换可以得到：
[0145][0146]
因此，改变取水条件对下游考核断面污染物浓度的影响可以用浓度减小率表示为：
[0147][0148]
其中，取水断面下泄流量为已知量，下游考核断面流量为已知量，取水断面取水量为已知量，取水断面污染物流到下游考核断面的污染物浓度根据《水域纳污能力计算规程》(gb/t25173-2010)，选用河流一维模型分析，方式1下游考核断面污染物浓度为已知量，集中退水污染物浓度c
退
为已知量，管道输水利用系数η1、用水排放系数η2、污水处理损耗系数η3为已知量。计算得出浓度减小率p。
[0149]
设计阶段：
[0150]
选取相同规模工程已有的水质信息并根据水量测算折减系数。
[0151]m退
＝q
退c退
[0152]
其中：
[0153]q退
＝q
取
η1η2η3[0154]
式中：η1、η2、η3分别为同规模工程已有的管道输水利用系数、用水排放系数及污水处理损耗系数；
[0155]c退
为同规模工程已有的退水污染物浓度。
[0156]
取水方案一下设计阶段退水污染物总量计算公式如下：
[0157][0158]
取水方案二下设计阶段退水污染物总量计算公式如下：
[0159][0160]
规划论证阶段：
[0161]m退
＝q
退c退
[0162]
其中：
[0163]q退
＝q
取
η1η2η3[0164]
式中：η1、η2、η3分别为管道输水利用系数、用水排放系数及污水处理损耗系数；
[0165]c退
为规划的初始水质标准。水质标准依据《城镇污水处理厂污染物排放标准》(gb18918-2002)。
[0166]
取水方案一下规划管理阶段退水污染物总量计算公式如下：
[0167][0168]
取水方案二下规划管理阶段退水污染物总量计算公式如下：
[0169][0170]
c、既有集中退水，又有沿程退水
[0171]
根据质量守恒，取水断面污染物总量与下游考核断面污染物总量之间存在如下关系：
[0172]
下游断面污染物总量＝取水断面污染物总量-区间污染物消减量+区间污染物汇入量
[0173]
q2c2＝q
′0c
x
+q
q1cq1
+q
q2cq2
+q
退c退
+q
进1c进1
+q
进2c进2
[0174]
其中，q
′0c
x
、q
q1cq1
、q
q2cq2
和q
退c退
是取水活动对污染物的影响项；q
进1c进1
和q
进2c进2
是非取水活动对污染物的影响项。
[0175]
不同取水方案存在如下关系：
[0176][0177][0178]
对于取水活动对污染物的影响项，下泄污染物总量和区间污染物消减量都产生变化。
[0179]
对于非取水活动对污染物的影响项，考虑人类活动强度很大，按照现有方法和相关评价规范要求，这部分资料收集、分析计算、建模等工作量大、难度高、效率低。由于这些变化因素不是由生产建设项目取水造成的，因此两种取水方案条件下严格一致。即变化因素不是由生产建设项目取水造成的，因此两种取水方案条件下严格一致。即
[0180]
经公式变换可以得到：
[0181][0182]
因此，改变取水条件对下游考核断面污染物浓度的影响可以用浓度减小率表示为：
[0183][0184]
其中，取水断面下泄流量为已知量，下游考核断面流量为已知量，取水断面污染物流到下游考核断面的污染物浓度根据《水域纳污能力计算规程》(gb/t25173-2010)，选用河流一维模型分析，取水断面初始污染物浓度c0为已知量，方式1下游考核断面污染物浓度为已知量，灌区渗漏退水单宽流量q0、对应的污染物浓度cq、渗流系数γ、河段长度l、排水沟长度l及地下水埋深h为已知量，实测大断面a为已知量。计算得出浓度减小率p。
[0185]
在灌溉期内，河道集中退水量包括了灌溉退水和渗流排水，而非灌溉期内，河道集中退水量仅为渗流排水。
[0186]
考虑到影响渗流排水的主要因素(排水沟间距，深度，土壤水力性质)不发生变化，因而，灌溉退水量为集中退水位置的灌溉期流量与非灌溉期最小流量之差。
[0187]
考虑到泡田期灌区中水由非饱和状态向饱和状态的过渡，以及土壤饱和后表层渗流和深层渗流的变化过程，采用自由渗流河渠非稳定流公式计算灌区向排水沟的渗出流量过程：
[0188]
q0＝εlμ(g0)
′
[0189]
其中：
[0190][0191][0192][0193]
式中：q0为灌区渗流排水单宽流量，m2/s；
[0194]
ε为灌区渗漏量，mm；采用实测资料计算
[0195]
l为排水沟的间距，m；
[0196]
μ为土壤给水度；
[0197]
a为导压系数；
[0198]
t为计算时段，d；
[0199]
为相对时间；
[0200]
(g0)
′
为河渠流量函数；
[0201]
α为延迟指数的倒数。
[0202]
t时刻灌区中面源污染物向排水沟中渗出质量m
t
为渗出水流量(单宽流量与末级排水沟长度l的乘积)与渗出浓度c
t
的乘积：
[0203]mt
＝q0lc
t
[0204]
尽管土壤中面源污染的转化包括了各种物理、化学、生物过程，由于其中绝大多数转化过程可以用一阶动力学方程描述，因此采用综合的一阶动力学系数描述土壤中面源污
染物在各种物理、化学以及生物过程综合作用下的浓度衰减：
[0205]ct+1
＝c
t
e-kt
[0206]
式中：c
t
和c
t+1
分别为t和t+1时刻的渗出污染物浓度，mg/l；其中t为0时刻时污染物浓度为c0。
[0207]
k为综合一阶动力学系数，d-1
。
[0208]
取水方案一下灌区渗流排水污染物总量计算公式如下：
[0209][0210]
取水方案二下灌区渗流排水污染物总量计算公式如下：
[0211][0212]
河道沿程退水包括取水断面到集中退水断面和集中退水断面到下游考核断面两部分的沿程退水。
[0213]
取水断面到集中退水断面的沿程退水，考虑到取水量增加引起灌区水位抬高，污染物浓度不变，采用达西公式计算灌区部分的河道沿程退水过程：
[0214][0215]
式中：q为渗流量，m3/s；
[0216]
γ为渗流系数，反映了土壤的透水性能，m/s；
[0217]
a为河道的横断面积，m2。
[0218]
h2、h1分别为灌区上下游地下水埋深，m；
[0219]
l为灌区渗漏河道长度，m。
[0220]
取水方案一下灌区部分的河道沿程退水计算公式如下：
[0221][0222]
取水方案二下灌区部分的河道沿程退水计算公式如下：
[0223][0224]
由于污染物浓度不变，两种取水方案下灌区部分的河道沿程退水污染物总量计算如下：
[0225][0226][0227]
最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。