一种基于水动力水质模型的污染源普查结果达标评估方法技术

本发明专利技术公开了一种基于水动力水质模型和实测水质数据的污染源普查结果评估方法，该方法包括水文情景矩阵构建；二维水动力水质模型构建与验证率定；以污染源普查结果为条件的水质数值模拟；源质响应矩阵构建；以及基于实测水质数据和源质响应矩阵的污染源普查结果达标评估。本发明专利技术提出的方法，利用水动力水质模型核算和实测数据进行对比，评估污染源普查结果的准确性，能够在不确定污染源的前提下，较为准确的评估普查结果的真是可靠性，对审核污染源普查结果具有重要的意义，能在全国污染源普查后评估中广泛应用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于水动力水质模型的污染源普查结果达标评估方法
本专利技术涉及环境科学、环境工程、环境保护和环境管理
，尤其涉及一种基于水动力水质模型的污染源普查结果达标评估方法。
技术介绍
2016年10月26日，国务院印发了《关于开展第二次全国污染源普查的通知》，决定于2017年开始开展第二次全国污染源普查。自2010年开展第一次全国污染源普查以来，我国在全面了解污染源状况上进行了全方位的工作。污染源普查是准确判断我国当前环境形势，评估全国环境污染状况，制定国家、省市级社会经济发展和环境保护制度的重要前提，也是我国开展相关科学研究的基础，对我国的社会主义建设具有重要的意义。但是，由于污染源普查涉及的范围广、过程复杂，不同区域所掌握的技术和思路不一，甚至由于区域利益等主观问题的存在，污染源普查的结果是否准确，是否真正客观地反映了被普查区域的污染源状况，一直是难以获知的难题。一套准确的污普数据有着重要的意义，但如何评价这套数据是否准确，则是获取准确污普数据的前提。目前，尚缺乏相关的方法和技术。随着水环境监测技术的发展，水质浓度监测、流量水位等水文监测技术不断成熟，我国正在构建全国生态环境大数据，已经在全国各大水域部署了一套科学、准确的水质监测网。水体水质和污染源之间具有紧密的联系，污染源的变化将极大地引起水质的变化。利用水质监测数据，进行污染源普查数据的校核是进行污普数据核查的有效途径。目前，关于污染源与水质的响应关系的研究取得了诸多的进展，具有动力学机理的水动力水质模型，能准确的反应不同污染源变化下，水体中水质的演变过程。但如何将水动力水质模型和污染源普查校核联合起来，尚缺乏具体的方法。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于针对现有技术中缺乏将水动力水质模型和污染源普查校核联合起来进行污染普查结果评估的缺陷，提供一种基于水动力水质模型的污染源普查结果达标评估方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：本专利技术提供一种基于水动力水质模型的污染源普查结果达标评估方法，该方法包括以下步骤：S1、获取研究区域实测的水文数据，包括所要评估的污染源在不同的日期内，所在水体的入流处的流量，以及出流处的水位，构建涵盖时间、流量和水位的水文情景矩阵；S2、根据水体污染源的对流、扩散降解作用，构建水体的二维水动力水质模型，并对其进行验证和率定；S3、进行污染源调查，以调查结果为条件进行水质数值模拟，先模拟构建单个污染源排放矩阵，再模拟构建整个研究区域内由不同污染源组成的污染源排放矩阵；进而根据二维水动力水质模型，模拟得到不同水文条件下的污染物浓度矩阵；S4、将模拟的污染物浓度矩阵与不同污染源组成的污染源排放矩阵对应起来，构建一个水体内，不同位置的不同排放条件下、不同水文条件下的源质响应矩阵；S5、根据源质响应矩阵和实测水质数据进行污染源普查结果评估。进一步地，本专利技术的步骤S1中的水文情景矩阵R的具体为：其中，t为时间，q为流量，z为水位，下标分别对应表示一年中每一天的时间、流量和水位数据。进一步地，本专利技术的步骤S2中构建水体的二维水动力水质模型的方法具体为：基于圣维南方程组，构建水体的二维水动力水质模型，模型方程如下：连续方程：X方向动量方程：Y方向动量方程：其中，u，v分别为x，y方向的垂向平均速度，单位m/s；z为水面高程，单位m；h为水深，单位m；f为科氏力系数，f＝2Ωsinθ；其中Ω为地球旋转的角频率；θ为当地的纬度；γt为紊动粘性系数，单位m2/s，ρa和ρw分别是空气和水密度，单位kg/m3；fw为风应力系数；wx，wy分别为x，y方向的风速，单位m/s；考虑水体污染物的对流、扩散降解作用，二维扩散方程的形式为：其中，Ci为水中污染物i的浓度，单位mg/L；Kx、Ky为x、y方向上的扩散系数，单位s/m2；Kd为污染物的降解系数，单位L/s；Sm为排放负荷量，单位g/s。进一步地，本专利技术的步骤S2中对二维水动力水质模型进行验证和率定的方法具体为：步骤a、选用确定性系数R2、Nash效率系数Ens和相对误差Re对模型模拟结果进行评估；其中，Qo表示实测值，单位m3/s；Qs表示模拟值，单位m3/s；步骤b、水动力模型参数率定：基于研究水体中的实测的不同时间，不同位置的流量、水位、流速，通过对比水动力模型模拟结果和实测结果，进行水动力模型的紊动粘性系数cn的参数率定；设定紊动粘性系数cn的率定范围，通过改变不同位置的cn值大小，当模拟结果和实测结果的R2\ENS与RE满足需求时，得到率定的cn值；步骤c、水质模型参数率定：基于研究水体中的实测的不同时间，不同位置的COD、氨氮、TN、TP的浓度值，通过对比水质模型模拟结果和实测结果，进行水质模型的扩散系数和降解系数的率定；当模拟结果和实测结果的R2\ENS与RE满足需求时，得到率定的扩散系数和降解系数的参数值；步骤d、模型验证：利用研究水体中实测的不同时间，不同位置的流量、水位、流速和COD、氨氮、TN、TP的浓度值，通过R2\ENS与RE进行实测数据和模拟数据的对比，验证模型所率定的参数，能否满足R2\ENS与RE的评价标准需求，当需求满足时，确定率定的参数为本研究范围内的参数，当需求不满足时，重新划定参数的率定范围，重复步骤c-步骤d，直到模型验证满足要求。进一步地，本专利技术的步骤S3的方法具体包括以下步骤：步骤1、构建单个污染源排放矩阵：基于污染源调查结果，构建流域内的点污染源从不排放到最大事故排放Pmax条件下的涵盖点源排放流量、排放浓度的排放矩阵；矩阵中，每个污染源的排放按照从0到Pmax，每次增加5％的方式进行线性增加；第i个污染源的排放矩阵Ri如下：步骤2、构建流域污染源排放矩阵：设定流域所有污染源，不同排放条件下的对应方案，构建整个流域的污染源排放矩阵R：步骤3、通过二维水动力水质模型，进行不同水文情景下，流域不同排放条件下的水动力水质模拟，得到不同位置不同时间内，不通水文条件下的污染物浓度矩阵WQ；其中，t为时间，q为流量，z为水位，c表示什么，下标分别对应表示一年中每一天的时间、流量和水位数据。进一步地，本专利技术的步骤S4中构建的源质响应矩阵具体为：其中，R表示水文情景矩阵，WQ表示污染物浓度矩阵。进一步地，本专利技术的步骤S5中进行污染源普查结果评估的方法具体为：步骤1、评估指标构建：构建污染源普查结果的评估指标，包括阈值范围评估指标、拟合度评估指标两个一级指标；其中，阈值范围评估指标包括整体阈值范围和情景阈值范围两个二级指标；拟合度包括整体拟合度和情景拟合度两个二级指标；步骤2、整体阈值范围评估：包括实测水质阈值范围分析，模拟水质阈值范围分析，当模拟水质阈值范围涵盖实测值的阈值范围时，表明整体阈值达标，否则整体阈值不达标，达标记2分，不达标记0分；步骤3、情景阈值范围评估：包括实测水质范围分析，模拟水质范围分析，当模拟水质的范围涵盖实测值的阈值范围时，表明该情景下阈值达标，否则该情景下阈值不达标；当所有情景中，有80％及以上的情景阈值达标时，表明情景阈值综合达标，否则不达标；达标记4分，不达标记0分；步骤4、整体拟合度评估，利用R2评估法，评价所有实测位置所有水文情景下和模拟值的相关度，判断R2是否达标；达标记2分，不达标记0分；步骤5、情本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于水动力水质模型的污染源普查结果达标评估方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1、获取研究区域实测的水文数据，包括所要评估的污染源在不同的日期内，所在水体的入流处的流量，以及出流处的水位，构建涵盖时间、流量和水位的水文情景矩阵；S2、根据水体污染源的对流、扩散降解作用，构建水体的二维水动力水质模型，并对其进行验证和率定；S3、进行污染源调查，以调查结果为条件进行水质数值模拟，先模拟构建单个污染源排放矩阵，再模拟构建整个研究区域内由不同污染源组成的污染源排放矩阵；进而根据二维水动力水质模型，模拟得到不同水文条件下的污染物浓度矩阵；S4、将模拟的污染物浓度矩阵与不同污染源组成的污染源排放矩阵对应起来，构建一个水体内，不同位置的不同排放条件下、不同水文条件下的源质响应矩阵；S5、根据源质响应矩阵和实测水质数据进行污染源普查结果评估。

【技术特征摘要】
1.一种基于水动力水质模型的污染源普查结果达标评估方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1、获取研究区域实测的水文数据，包括所要评估的污染源在不同的日期内，所在水体的入流处的流量，以及出流处的水位，构建涵盖时间、流量和水位的水文情景矩阵；S2、根据水体污染源的对流、扩散降解作用，构建水体的二维水动力水质模型，并对其进行验证和率定；S3、进行污染源调查，以调查结果为条件进行水质数值模拟，先模拟构建单个污染源排放矩阵，再模拟构建整个研究区域内由不同污染源组成的污染源排放矩阵；进而根据二维水动力水质模型，模拟得到不同水文条件下的污染物浓度矩阵；S4、将模拟的污染物浓度矩阵与不同污染源组成的污染源排放矩阵对应起来，构建一个水体内，不同位置的不同排放条件下、不同水文条件下的源质响应矩阵；S5、根据源质响应矩阵和实测水质数据进行污染源普查结果评估。2.根据权利要求1所述的基于水动力水质模型的污染源普查结果达标评估方法，其特征在于，步骤S1中的水文情景矩阵R的具体为：其中，t为时间，q为流量，z为水位，下标分别对应表示一年中每一天的时间、流量和水位数据。3.根据权利要求1所述的基于水动力水质模型的污染源普查结果达标评估方法，其特征在于，步骤S2中构建水体的二维水动力水质模型的方法具体为：基于圣维南方程组，构建水体的二维水动力水质模型，模型方程如下：连续方程：X方向动量方程：Y方向动量方程：其中，u，v分别为x，y方向的垂向平均速度，单位m/s；z为水面高程，单位m；h为水深，单位m；f为科氏力系数，f＝2Ωsinθ；其中Ω为地球旋转的角频率；θ为当地的纬度；γt为紊动粘性系数，单位m2/s，ρa和ρw分别是空气和水密度，单位kg/m3；fw为风应力系数；wx，wy分别为x，y方向的风速，单位m/s；考虑水体污染物的对流、扩散降解作用，二维扩散方程的形式为：其中，Ci为水中污染物i的浓度，单位mg/L；Kx、Ky为x、y方向上的扩散系数，单位s/m2；Kd为污染物的降解系数，单位L/s；Sm为排放负荷量，单位g/s。4.根据权利要求3所述的基于水动力水质模型的污染源普查结果达标评估方法，其特征在于，步骤S2中对二维水动力水质模型进行验证和率定的方法具体为：步骤a、选用确定性系数R2、Nash效率系数Ens和相对误差Re对模型模拟结果进行评估；其中，Qo表示实测值，单位m3/s；Qs表示模拟值，单位m3/s；步骤b、水动力模型参数率定：基于研究水体中的实测的不同时间，不同位置的流量、水位、流速，通过对比水动力模型模拟结果和实测结果，进行水动力模型的紊动粘性系数cn的参数率定；设定紊动粘性系数cn的率定范围，通过改变不同位置的cn值大小，当模拟结果和实测结果的R2\ENS与RE满足需求时，得到率定的cn值；步骤c、水质模型参数率定：基于研究水体中的实测的不同时间，不同位置的COD、氨氮、TN、TP的浓度值，通过对比水质模型模拟结果和实测结果，进行水质模型的扩散系数和降解系数的率定；当模拟结果和实测结果的R2\ENS与RE满足需求...

【专利技术属性】
技术研发人员：张万顺，王永桂，彭虹，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42