一种小流域河湖污染物反向精准溯源方法及系统

摘要

本发明公开了一种小流域河湖污染物反向精准溯源方法，包括以下步骤：S1.划分控制单元；S2.根据调查计算得到污染源负荷和水量，利用污染物分布特征算法，得到每个控制单元作用下污染物的浓度场；S3.以出境考核断面水质为基础，计算得到各排污口的响应系数场、各控制单元的污染分担率及正常状态下的水环境容量；S4.以出境考核断面目标水质作为基础，通过步骤S3求得的响应系数场和污染分担率计算出各控制单元的水环境容量；S5.基于控制单元，对正常状态条件和目标水质条件下的水环境容量进行对比，识别水体污染物的来源。本发明通过将断面水文过程与水质相结合，避免基于单纯水质变化的环境诊断的不足。

说明书

技术领域

本发明涉及河流污染源控制技术领域，具体涉及一种小流域河湖污染物反向精准溯源系统。

背景技术

近年来，由于城市化进程加快，密集的人类活动如农业活动中化肥的使用、工业废水及生活污水的排放等，导致水体污染日益严重。控制和消除河流污染源是防止污染的根本措施。因此，了解水环境污染物来源是切实有效地控制河流污染，保障环境安全和农业可持续发展的重要前提，而用于判定污染物来源的反向溯源方法也就越来越受到研究者的关注。

针对水环境安全的日益重要，通过对水环境污染源的监管以及水环境污染源头的追溯，可以有效防范污染物的扩散、查找到污染源，进而保证水环境的安全。识别流域河流污染物及其来源的因果对应关系，以提出减少和控制流域河流污染物输入的途径和措施，对水环境质量改善和污染治理的实际指导具有重要意义。

国内外关于大气污染源解析的研究很多，而关于水环境污染反向溯源的研究较少，针对水环境不同类型污染物反向溯源的研究更是少有报道。目前溯源技术主要包括同位素示踪法、水纹识别法、紫外光谱分析法等。尽管这类方法具有较高的稳定性和精确度，但由于这类方法多是在污染事件发生后对污染源上下游附近的企业污废水进行现场取样和仪器分析，工作量大、耗时较长、很难及时进行污染源排查，进而导致不能及时、有效控制及治理污染事故。在水环境问题诊断中，仅以水质指标浓度进行分析不足以评估流域上、下游水体所承受污染负荷的大小及其来源的时空变化情况，难以科学、精确地进行水环境问题识别。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种考核断面-控制断面-排污口-陆域控制单元的小流域河湖污染物反向精准溯源系统，通过将断面水文过程与水质相结合，避免基于单纯水质变化的环境诊断的不足。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种小流域河湖污染物反向精准溯源方法，包括以下步骤：

S1.划分控制单元；所述控制单元是将汇水区内不同水功能区的水域向陆域延伸并细化划分而成的若干个控制单元；

S2.根据调查计算得到污染源负荷和水量，利用污染物分布特征算法，得到每个控制单元作用下污染物的浓度场；

S3.以出境考核断面水质为基础，计算得到各排污口的响应系数场、各控制单元的污染分担率及正常状态下的水环境容量；

S4.以出境考核断面目标水质作为基础，通过步骤S3求得的响应系数场和污染分担率计算出各控制单元的水环境容量；

S5.基于控制单元，对正常状态条件和目标水质条件下的水环境容量进行对比，识别水体污染物的来源，实现污染物反向精准溯源。

进一步的，所述步骤S1中，所述控制单元的划分方法为：

K1：综合考虑流域汇水区划分、行政区划、土地利用规划、水体治理措施等空间布局规划，结合自身水系分布、地形地势特点，重要支流入河口等关键控制节点，形成ArcGIS空间基础数据库；

K2：根据DEM数据对流域汇水区进行划分；

K3：叠加相关区划成果，针对评估水体，识别每条河流的汇水范围，形成控制单元边界；在无评估水体区域，根据现有水系规划和行政区边界，划分控制单元范围；

K4：结合现有土地利用现状，根据每个汇水区土地利用和人类活动强度空间异质性特征，对控制单元进行细化和微调。

进一步的，所述步骤S5中，识别出水体污染物的来源之后，根据目标水质制定以断面水质达标为导向的排污口最优化及河湖污染物削减措施体系布局。

进一步的，所述方法还包括步骤：

S6.突发污染事件时，以出境考核断面水质为基础，通过步骤S3求得的响应系数场、污染分担率等计算出各控制单元的水环境容量；

S7.基于控制单元，对正常状态条件和突发污染事件条件下的水环境容量进行对比，快速精准的判断污染物的关键源区，并进行应急方案布置。

进一步的，所述步骤S2中，所述的污染物分布特征算法为：

式中：Q为流量，x为距离，Z为水位，t为时间，q为旁侧单位长度入流流量，α为断面不均匀系数；A为过流断面面积，B为水面宽度，C为谢才系数，R为水力半径，g为重力加速度；

上式中：A为过水断面面积，C为污染物质的断面平均浓度，t为时间坐标；Q为断面平均流量，x为空间坐标；E

进一步的，所述步骤S2中，所述的响应系数场算法为：

C

式中：C

进一步的，所述步骤S2中，所述的污染物分担率算法为：

式中：C(x，y)n个污染源共同作用下所形成的浓度场，C

进一步的，所述步骤S5中，所述步骤S5中，所述的排污口最优化及河湖污染物削减措施体系布局包括排污口最优化、均匀处理最优化或区域污水处理最优化。所述排污口最优化是以每个控制单元为基础，在水体水质目标的约束下，求解各排污口的污水处理效率的最佳组合，实现各排污口的污水处理厂建设或运行费用最低化的同时承担最大化的处理量；所述的均匀处理最优化是在区域范围内寻求最佳的位置与处理效率的组合，在同一的污染物处理效率的条件下，追求区域的处理费用最低；所述的区域污水处理最优规划的是既确定污水处理厂的位置和容量，又确定污水处理效率。

进一步的，(一)排污口最优规划模型如下：

目标函数：

约束条件：

式中，Ci(η

(二)均匀处理最优规划模型如下：

目标函数

约束条件

Q

Q

式中，C

(三)区域污水处理最优规划模型如下：

目标函数

约束条件

Q

式中，C

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明通过将断面水文过程与水质相结合，避免了基于单纯水质变化的环境诊断的不足。本发明能在实际应用中最大限度地提供污染源空间分布和结构信息，有效地识别和筛选流域的水污染引发源，快速缩小未知污染源搜查范围，提高水污染溯源搜寻过程的效率和精度，进一步地根据水质目标针对关键源区构建有效的河湖污染物削减体系，以出口考核断面检测水质达标情况。

流域内水系的水质在空间和时间上往往有明显的时空变化特点，常规的基于断面达标的水质诊断方法容易忽略流域内污染负荷产生的时空特点。本发明通过划分控制单元的方式，将一个复杂的流域划分为数个既相互独立、又相互联系的空间单元，有利于进行水环境污染负荷总量的精细管理。

本发明利用污染物分布特征算法计算得到的各控制单元污染物浓度，分析研究污染源所在贡献区域分布，结合水质目标(突发污染事件)反向溯源，确定关键源区及允许排放量后进一步比较分析，制定合理的河湖污染物削减措施(应急方案)，以监测要素达标为导向进行验证。

本发明具有灵活、快速和可操作性强等优点，有助于决策部门了解污染物在水环境中的迁移、扩散以及在时空间上的变化情况，掌握污染物对流域水体造成的影响，提供了对污染物关键源区的治理思路，对响应突发事件及流域综合治理具有实际指导意义。

附图说明

图1是本发明的技术路线图；

图2是水质监测站结构示意图；

图3是控制单元划分示意图；

图4是差分格式示意图；

图5是集中旁侧入流示意图；

图6是水质方程控制容积示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

反向溯源首要任务是掌握污染物的特种性质和迁移转化规律，通过数学量化各污染物，通过源与水体之间相关的污染物的解析来实现，评估水环境污染与污染源间的关系，然后才能准确地分析污染物来源。从受纳水体情况看，判断实际进入水体的各类污染物的具体来源及其相对贡献。识别水体污染物的来源并定量估算其相对贡献，根据目标水质有针对性实施水体污染治理及研究。

如图1所示，本发明公开了一种小流域河湖污染物反向精准溯源系统，包括以下步骤：

S1.划分控制单元；所述控制单元是将汇水区内不同水功能区的水域向陆域延伸并细化划分而成的若干个控制单元；

S2.根据调查计算得到污染源负荷和水量，利用污染物分布特征算法，得到每个控制单元作用下污染物的浓度场；

S3.以出境考核断面水质为基础，计算得到各排污口的响应系数场、各控制单元的污染分担率及正常状态下的水环境容量；

S4.以出境考核断面目标水质作为基础，通过步骤S3求得的响应系数场和污染分担率计算出各控制单元的水环境容量；

S5.基于控制单元，对正常状态条件和目标水质条件下的水环境容量进行对比，识别水体污染物的来源，实现污染物反向精准溯源；根据目标水质制定以断面水质达标为导向的排污口最优化及河湖污染物削减措施体系布局；排污口最优化及河湖污染物削减措施体系布局包括排污口最优化、均匀处理最优化或区域污水处理最优化；

S6.突发污染事件时，以出境考核断面水质为基础，通过步骤S3求得的响应系数场、污染分担率等计算出各控制单元的水环境容量；

S7.基于控制单元，对正常状态条件和突发污染事件条件下的水环境容量进行对比，快速精准的判断污染物的关键源区，并进行应急方案布置。

本发明通过解决控制单元内水环境问题和处理好单元间的关系，实现了各控制单元的水质目标和流域整体水质目标，达到保护流域水生态功能的目的，便于进行流域的系统管理，实施流域水质目标管理的方案。

(一)涉及到的排污口、污染源和监测三要素

排污口要素：入河排污口是连通非直排污染源要素与河段的通道。将其与污水处理厂和污染源建立联系，有助于确定污染源废水排放去向。排污口信息由环境管理部门提供的数据确定。

污染源要素：污染源要素指造成水环境污染的发生源，即排放有害物质的发生源。根据污染源是否具有固定排放点分为点源和面源，其中，点源包含企业点源和规模化畜禽养殖源，面源包含生活源、农业源、水产养殖源。污染源要素主要用途是为溯源过程提供污染源分布和结构性信息，其信息的准确性将直接影响溯源的精度。

监测要素：监测要素指用于监控河流水质的要素，它能反映河流水质状况。监测要素包含考核断面监测要素和控制断面监测要素。监测要素的主要行为是基于监测的水质数据，触发水污染溯源过程，该要素将作为触发水污染警情信息最重要的渠道。

考核断面及控制断面布设水质监测站。如图2所示，图中：1、多参数水质分析仪，2、固定锚链，3、太阳能电池，4、LogoSens数据采集器，5、气压气温传感器，6、风速风向传感器。

水质监测站主要由浮标单元、多参数水质分析仪、气象参数传感器、供电设备、数据采集传输设备和辅助设备组成，用于在线自动采集水温、溶解氧、电导率、pH、浊度、蓝绿藻、氨离子、风速、风向、气温、气压等参数。监测频次和工作方式可以远程设置。水质监测站采用定时自报或召测工作方式，自动采集的水质、气象信息通过无线方式传送到中心站，本地存储一个月以上的监测数据。

(二)控制单元划分

划分控制单元的目的是：考虑评估水体对应的汇水区内汇水特征、水环境功能的空间差异性，以及考核断面分布、行政区划等要素的不同，在充分体现水陆统筹原则的基础上，将汇水区内不同水功能区的水域向陆域延伸，细化为若干个控制单元，以便于实施和开展针对性治理措施。

为了使流域内治污责任能够逐级落实，所划分的控制单元要考虑与现有行政区边界的交叉关系，以实现空间上的责任分担。控制单元的划分方法简述如下：

(1)综合考虑流域汇水区划分、行政区划、土地利用规划、水体治理措施等空间布局规划，结合自身水系分布、地形地势特点，重要支流入河口等关键控制节点，形成ArcGIS空间基础数据库；(2)根据DEM数据对流域汇水区进行划分；(3)叠加相关区划成果，针对评估水体，识别每条河流的汇水范围，形成控制单元边界；(4)结合现有土地利用现状，分析每个汇水区土地利用和人类活动强度空间异质性特征，对控制单元进行细化和微调；(5)在无评估水体区域，主要根据现有水系规划和行政区边界，划分控制单元范围。

(三)污染物分布特征算法

描述明渠一维非恒定流的基本方程组为一维圣维南方程组，基本方程如下：

方程(1.1)式为连续方程，(1.2)式为动量方程。

式中：t为时间(s)，x为距离(m)，Q为流量(m

水流控制方程的离散：

差分格式的好坏直接影响计算成果的精度和速度，目前数值上有多种计算方法求解，这些方法各有优缺点，分别适应不同的水流及边界条件，由于河道型水库形态与水力特征的复杂性，本发明湿季水动力学算法采用了稳定性比较好的Preissmann四点隐式差分格式，离散格式如图4所示。

Preissmann四点隐式差分格式离散格式如下：

式中ξ为变量，代表流量、水位、流速、河宽等，θ为权重系数(0≤θ≤1)，θ＝0时，此格式为显示格式，而当θ≠0时，此格式具有隐式差分的特征，为使差分方程保持无条件稳定，必须θ≥0.5，本模型θ值采用0.75。

将式(1.3)分别代入连续方程(1.1)和动量方程(1.2)，经整理后得：

方程组中表示时段末n+1时刻的上脚标省略，下同。

方程组(1.4)中的系数为：

式中凡下脚标为

(1)对于水位型边界有如下追赶方程：

Z

Q

Z

其中：L1,L2分别是首末断面号；

Y

Y

Y

(2)对于流量型边界有如下追赶方程：

Q

Z

Q

其中：

P

V

Y

Y

Y

汇流口处理：

水流运动在各节点上应满足质量守恒及能量守恒，即满足以下两个连接条件：

(1)质量守恒条件

若节点汇合区容积与子河段容积相比可忽略不计，则此节点称为无调蓄节点，否则称为可调蓄节点。

对于无调蓄节点，质量守恒条件为：

对于可调蓄节点，质量守恒条件为：

其中Q

A，Z分别为可调蓄节点的水面面积；

(2)能量守恒条件

不计节点汇合处的能量损失，节点水位与汇集于节点的各河道相邻断面的水位之间满足能量守恒约束－伯努利方程。对于一个有m个相邻河道的节点可近似表示为：

Z

内边界的处理

集中旁侧入流

对于集中旁侧入流，可设一虚拟河段Δx

(1)当上边界为水位边界条件时：

由(1.7)式与(1.10)式可得：

Δx

S

T

P

V

用式(1.11)代替式(1.6)、(1.7)计算虚拟河段的追赶系数，可同正常河道一样求解。

(2)当上游为流量条件时：

同理由(1.9)式与(1.10)式可得：

S

T

P

V

用式(1.12)代替式(1.8)、(1.9)计算虚拟河段的追赶系数，可同正常河道一样递推求解。

水质模型算法

水质控制方程采用一维对流扩散方程：

式中：C，污染物质的断面平均浓度；Q，断面平均流量；A，过水断面面积；E

水质方程离散：

对基本方程(3.1)采用交错网格进行离散，离散格式采用隐式差分迎风格式。控制方程物理变量的网格布置方式与控制容积的分布如图6所示。

方程各项离散为：

上角标n为时段初值，上角标n+1的为时段末值，下文中凡出现时段末值，都省略上角标。对流项离散时采用迎风格式：

将式(3.2)、(3.4)、(3.5)、(3.6)带入方程(3.1)中并整理可得如下方程式：

其中：

其中L

水质指标模拟：水质方程模拟的水质项目包括：高锰酸盐指数、氨氮和TP。

对于不同的水质项目，方程(3.1)中的生化反应项dc/dt是不一样的。严格地说，生化反应项十分复杂，需考虑多级、多步的生化反应过程。但在现有资料等因素限制下，若考虑得太复杂，非但不能提高模型模拟精度，相反因引入太多不确定因素而降低模拟精度，所以根据实际情况生化反映项采用以下的一级反应动力学方程描述。

(1)高锰酸盐指数CODMn(C

式中：Kc为高锰酸盐指数的综合降解系数，单位：1/秒；

K

(2)总磷TP(C

式中：σ

(3)氮氮(C

式中：σ

(四)反向溯源算法

1.响应系数场

通过对流域水质资料及污染源资料的分析，建立排放源与受纳水体之间的关系，这是实施污染物总量控制的关键。某一源强值所形成的浓度场C

C

式中：α

受各种环境动力因素相互作用影响，α

2.污染分担率

根据线性叠加原理，n个污染源共同作用下所形成的浓度场，可视为各个控制单元污染源单独造成的影响所形成的浓度场的线性叠加，即

式，：，为第i个控制单元污染源Qi的单独浓度场，，为空间点坐标。

我们可以用分担率表明某个控制单元污染源对水体污染所需要负责任的轻重程度，污染分担率是指各控制单元污染源对流域总体污染影响中所占的百分率，即：

r

根据需要达到的水质标准C

C

由分担浓度进一步计算第i个控制单元污染源的允许排放强度Q

Q

(五)最优化方法

最优化分配法的最显著特征是具有单一的最求最大化(或最小化)的目标，这个目标可以是污染物去除的总费用，也可以是污染物去除总量。

(1)排污口最优化：是以每个控制单元为基础，在水体水质目标的约束下，求解各排污口的污水处理效率的最佳组合，目标是各排污口的污水处理厂建设(或运行)费用最低化的同时承担最大化的处理量。

排污口最优规划模型如下：

目标函数：

约束条件：

式中，Ci(η

(2)均匀处理最优化

均匀处理的目的是在区域范围内寻求最佳的位置与处理效率的组合，在同一的污染物处理效率的条件下，追求区域的处理费用最低。

目标函数

约束条件

，≥0

Q

式中，C

(3)区域污水处理最优化

目标函数

约束条件

Q

式中，C

区域污水处理最优规划的任务是既要确定污水处理厂的位置和容量，又要确定污水处理效率。全面协调水体自净能力、污水处理规模和效率的经济效应与污水输送费用经济效应。