本發(fā)明涉及河道污染物濃度預測及納污能力計算方法，尤其涉及一種中小樹枝型河道污染物濃度預測及納污能力計算方法。

背景技術：

樹枝型河道是指有多條支流匯入干流所形成的類似于樹干分支形狀的河道，聯系眾多水域，在天然實際河道中極其常見。樹枝型河道接納了沿途各個匯入點攜帶的污染物，當各支流匯入干流后，隨著水流流動，干流中的污染物濃度變化與分布和納污能力對河道兩岸的環(huán)境及周圍居民的生活質量影響很大，甚至影響當地的排水、通航等活動。

現階段對河道污染物濃度預測及納污能力的研究，側重于假設單一排放口排放污染物，側重于假設河道流速和污染物降解系數全局統(tǒng)一。對于中小樹枝型河道，不能準確把握其污染物濃度分布及納污能力，進而影響水環(huán)境管理措施的效益，又隨《水污染防治行動計劃》、《“十三五”生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃》等相關規(guī)劃的提出，污染物排放總量控制應得到重視。

技術實現要素：

為解決現有技術的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種綜合考慮支流攜帶的污染物、各段干流沿程流速變化及各段干流污染物降解系數變化對河道污染物濃度分布及納污能力的影響，可應用于各類中小樹枝型河道的污染物濃度預測及納污能力計算方法。

本發(fā)明采用的技術方案為：

一種中小樹枝型河道污染物濃度預測及納污能力計算方法，包括以下步驟：

(1)根據《地表水環(huán)境質量標準》(gb3838-2002)或當地標準，確定調查對象水環(huán)境功能區(qū)的目標值cs，確定河道水文和水質參數；

(2)根據上述的河道水文和水質參數，進行河道干流概化及河道支流概化；

(3)根據污染物濃度預測一維水質模型和完全混合水質模型，進行河道干流污染物濃度預測、河道干流納污能力計算、干流超標長度比例計算，支流及整體河道污染物濃度預測。

上述步驟(1)中的河道水文和水質參數，包括干流上游來流初始流量q0、干流上游來流本底濃度c0、干流總長度l、第i條支流匯入點到第i+1條支流匯入點間干流距離li、第i條支流匯入點到第i+1條支流匯入點間干流平均河寬bi、第i條支流匯入點到第i+1條支流匯入點間干流平均水深hi、第i條支流匯入點到第i+1條支流匯入點間干流污染物降解系數ki、相鄰兩條支流間干流的超標長度lii、第i條支流上游來流初始流量q0i、第i條支流上游來流本底濃度c0i、第i條支流的第j個污染源到第j+1個污染源的距離lij、第i條支流長度li、第i條支流的第j個污染源流量qij、第i條支流的第j個污染源污染物濃度cij、第i條支流的平均河寬bi、第i條支流的平均水深hi和第i條支流的污染物降解系數k0i。

上述步驟(2)中河道干流概化，為綜合各段干流沿程流速的變化和各段干流污染物降解系數的變化對河道污染物濃度分布及納污能力的影響，將整體河道概化成干流段尾控制水質達標，且各段干流存在超標長度比例。

一維穩(wěn)態(tài)下納污能力的計算方法主要有段首控制、段尾控制和功能區(qū)末端控制三種，本發(fā)明將中小樹枝型河道干流概化成段尾控制水質達標。

上述步驟(2)中河道支流概化，為基于一維水質模型，進行支流到達干流匯入點前的濃度預測，和整體河道污染物濃度預測。

上述步驟(3)中所述河道干流污染物濃度預測的步驟如下：

a1、支流排入干流完全混合后的濃度計算

第i條支流上游來流初始流量q0i與第i條支流的j個污染源流量之和qi為第i條支流(流入干流)的流量：

第i條支流匯入點到第i+1條支流匯入點間干流平均流速：

根據污染物濃度預測一維水質模型和完全混合水質模型，在不考慮擴散情況下，第i條支流污染物排入干流，則第i條支流匯入點處支流與干流完全混合后的濃度為：

式(1)中，qi為第i條支流流入干流的流量；式(2)中，ui為第i條支流匯入點到第i+1條支流匯入點間干流平均流速；式(3)中，ci’為第i條支流污染物與干流完全混合后的濃度；

a2、河道干流污染物濃度預測

根據污染物濃度預測一維水質模型，計算中小樹枝型河道干流第i段任一點的濃度：

式(4)中，c(x)為中小樹枝型河道干流第i段任一點的濃度，x為污染物濃度預測的斷面到第i條支流匯入點間干流的距離，以流向為正方向。

上述步驟(3)中河道干流納污能力計算步驟如下：

b1、干流污染物到達第i+1條支流匯入點前濃度計算

干流中污染物經過一維降解，到達第i+1條支流匯入點前的干流濃度為：

式(5)中，ci”為河道干流污染物到達第i+1條支流匯入點前的濃度；

b2、干流第i段河段的納污能力計算

根據一維穩(wěn)態(tài)下納污能力段尾控制法，即當污染物進入河道后，要求計算河段段尾處的水質達到相應水環(huán)境功能區(qū)段的目標值，干流第i段河段的納污能力為：

式(6)中，ei為干流第i段河段的納污能力；

b3、河道總納污能力計算

式(7)(8)中，e為中小樹枝型河道總納污能力。

上述步驟(3)中干流超標長度比例為：

式(9)中，α為干流超標長度比例；l為干流第1條支流匯入點至計算河段的距離。

上述步驟(3)中支流及整體河道污染物濃度預測計算為：

根據式(1)，第i條支流流量為qi，則第i條支流平均流速為：

根據污染物濃度預測一維方法和完全混合模型，假設第i條支流存在n個污染源，污染物排入第i條支流經過稀釋、降解，到達第i條支流干流匯入點前的濃度為：

式(10)中，u0i為第i條支流平均流速，式(11)中，ci為第i條支流污染物到達第i條支流干流匯入點前的濃度；

式(11)推導方法同樣適用于有n條支流匯入的干流，整體河道污染物濃度預測：

式(12)中，c為中小樹枝型河道下游控制斷面的濃度。

上述中小樹枝型河道的支流均在集水范圍內，支流均流向干流，即第i+1條支流匯入點位于第i條支流匯入點下游，第i條支流的第j+1個污染源位于第j個污染源下游。

上述干流總長度l為第1條支流匯入點至計算河段的距離；第i條支流長度li為第i條支流第1個污染源至支流匯入點的距離。

本發(fā)明的有益之處在于：

本發(fā)明在國內外已有的計算河道污染物濃度和納污能力方法的基礎上，提供了一種中小樹枝型河道污染物濃度預測及納污能力計算方法，通過對河道干流和支流進行概化，同時考慮支流攜帶的污染物、各段干流沿程流速變化及各段干流污染物降解系數變化對河道污染物濃度分布及納污能力的影響；進一步通過一維方法對河道干流污染物濃度、河道干流納污能力、干流超標長度比例，支流及整體河道污染物濃度進行計算和預測。

該方法可有效應用于中小樹枝型河道的水環(huán)境管理、污染物濃度預測和水污染的控制，尤其適用于經濟欠發(fā)達、河道污染較嚴重地區(qū)；為中小樹枝型河道水環(huán)境管理、污染物的治理及預防提供理論和技術支撐。具有很強的實用性和廣泛的適用性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種中小樹枝型河道污染物濃度預測及納污能力計算方法的流程圖。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作具體的介紹。

一種中小樹枝型河道污染物濃度預測及納污能力計算方法，包括確定調查對象水環(huán)境功能區(qū)的目標值cs，結合現場調研確定河道水文和水質參數；河道干流概化及河道支流概化；進行河道干流污染物濃度預測、河道干流納污能力及干流超標長度比例計算、支流及整體河道污染物濃度預測。

實施該方法時，具體為：

1、確定調查對象水環(huán)境功能區(qū)的目標值，以《地表水環(huán)境質量標準》(gb3838-2002)或以當地標準確定，記為cs。

2、現場調研確定河道水文和水質參數，包括干流上游來流初始流量q0、干流上游來流本底濃度c0、第i條支流匯入點到第i+1條支流匯入點間干流距離li、干流總長度l、第i條支流匯入點到第i+1條支流匯入點間干流平均河寬bi、第i條支流匯入點到第i+1條支流匯入點間干流平均水深hi、第i條支流匯入點到第i+1條支流匯入點間干流污染物降解系數ki、相鄰兩條支流間干流的超標長度lii、第i條支流上游來流初始流量q0i、第i條支流上游來流本底濃度c0i、第i條支流的第j個污染源到第j+1個污染源的距離lij、第i條支流長度li、第i條支流的第j個污染源流量qij、第i條支流的第j個污染源污染物濃度cij、第i條支流的平均河寬bi、第i條支流的平均水深hi和第i條支流的污染物降解系數k0i。

3、河道干流概化，將中小樹枝型河道概化成干流段尾控制水質達標且各個分段存在一定的超標長度比例的情況，并同時考慮各段干流沿程流速的變化及各段干流污染物降解系數的變化對河道污染物濃度分布及納污能力的影響。

4、河道支流概化，基于一維水質模型，預測支流到達干流匯入點前的濃度，同時可實現河道整體污染物濃度預測。

5、河道干流污染物濃度預測：

式(1)中，qi為第i條支流流入干流的流量，式(2)中，ui為第i條支流匯入點到第i+1條支流匯入點間干流平均流速，式(4)中，c(x)為中小樹枝型河道干流第i段任一點的濃度，x為污染物濃度預測的斷面到第i條支流匯入點間干流的距離。

6、河道納污能力計算：

式(8)中，e為中小樹枝型河道總納污能力。

7、干流超標長度比例計算：

式(9)中，α為干流超標長度比例；l為干流第1條支流匯入點至計算河段的距離。

8、支流及整體河道污染物濃度預測：

式(10)中，u0i為第i條支流平均流速，式(11)中，ci為第i條支流污染物到達第i條支流干流匯入點前的濃度；

式(11)推導方法同樣適用于有n條支流匯入的干流濃度預測，可實現整體河道污染物濃度預測：

式(12)中，c為中小樹枝型河道下游控制斷面的濃度。

實施例1：

以某一地區(qū)中小樹枝型河道為例進行中小樹枝型河道污染物濃度預測和納污能力計算，步驟如下：

(1)確定調查對象水環(huán)境功能區(qū)的目標值

確定水質目標為《地表水環(huán)境質量標準》(gb3838-2002)ⅱ類水標準，污染物質為bod5。

(2)現場調研水文水質參數

現場調研河道水文和水質參數，包括河道計算區(qū)域為10km，該區(qū)域內有兩條和干流程度相當的支流匯入其中，干流和支流的平均水深均為1.6m，平均河寬均為12m，干流和支流上游來流bod5本底濃度均為3.5mg/l，干流上游來流初始流量1.5m³/s，第1條支流初始流量為1.3m³/s，第2條支流初始流量為1.5m³/s，第1條支流匯入點距離第2條支流匯入點4km，第2條支流匯入點距離控制斷面6km，污染物降解速度均為0.8/d，第1條支流與第2條支流間干流的超標長度為1km，第2條支流與控制斷面間干流的超標長度為1.5km，第1條支流有1個污染源，污染源流量為0.5m³/s，污染源濃度為6mg/l，污染源到第1條支流匯入點的距離為3km，第2條支流有2個污染源，第1個污染源和第2個污染源流量均為0.5m³/s，污染源濃度均為6mg/l，第1個污染源到第2個污染源的距離為3km，第2個污染源到第2條支流匯入點的距離為1.5km等。

(3)河道干流污染物濃度預測

第1條支流流入干流流量為1.8m³/s，干流第1段河段平均流速為0.172m/s，干流第1段河段任一點污染物濃度為：

第2條支流流入干流流量為2.5m³/s，干流第2段河段平均流速為0.302m/s，干流第2段河段任一點污染物濃度為：

(4)河道干流納污能力計算

干流第1段河段納污能力為：

干流第2段河段納污能力為：

該樹枝型河道總納污能力為286.28kg/d。

(5)干流超標長度比例計算

干流超標長度比例為：

(6)支流及整體河道污染物濃度預測

支流污染物濃度預測，第1條支流平均流速為0.094m/s，第1條支流污染物到達第1條支流干流匯入點前的濃度為：

第2條支流平均流速為0.130m/s，第2條支流污染物到達第2條支流干流匯入點前的濃度為：

整體河道污染物濃度預測，中小樹枝型河道下游控制斷面10km處的濃度為：

與計算結果相近。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和優(yōu)點。本行業(yè)的技術人員應該了解，上述實施例不以任何形式限制本發(fā)明，凡采用等同替換或等效變換的方式所獲得的技術方案，均落在本發(fā)明的保護范圍內。