基于控制单元面向全过程的流域综合治理技术优选方法技术

本发明专利技术公开了一种基于控制单元面向全过程的流域综合治理技术优选方法。从流域综合治理控制单元入手，分五个步骤进行，具体包括：1、合理划分流域综合治理的控制单元；2、进行流域污染物与水质响应的量化计算；3、建立流域综合治理全过程的适用技术清单；4、明确流域综合治理技术的效率参数与成本函数；5、面向目标实现流域综合治理措施的优选。本发明专利技术可为流域综合治理的项目建议、规划、科研、设计与管理决策提供技术支撑，也可为流域水资源规划、流域水资源保护规划、流域水安全保障方案、流域水生态修复与保护等规划与方案的制定提供科学指导。

【技术实现步骤摘要】
基于控制单元面向全过程的流域综合治理技术优选方法
本专利技术涉及水利与环境科学
，具体为一种面向流域水循环及其伴随污染物全过程的流域综合治理的优化方法，可为流域综合治理的项目建议、规划、科研、设计与管理决策提供技术支撑，也可为流域水资源规划、流域水资源保护规划、流域水安全保障方案、流域水生态修复与保护等规划与方案的制定提供科学指导。
技术介绍
流域综合治理是复杂系统工程，通常涉及诸多技术，比较有代表性的有节水控源、管网截污、污染削减、生态修复、生态补水以及河道疏浚等领域的技术、设备与工艺。这些技术为流域综合治理规划提供了多种选择方案，在资金有限的条件下，如何因地制宜地进行措施的选择，是当前流域综合治理决策者面临的重要现实问题。当前，在流域综合治理措施的选择方面，主要是根据流域水问题的特点，通过规划与设计部门的实践经验确定方案，具有一定的盲目性，缺乏科学的论证以及优化分析，这种技术选择的决策方式将带来如下问题：一是系统科学性有待提升。流域综合治理措施组合，并不能满足流域水问题改善要求，特别是不能从根本上解决最不利区域、最不利点的水问题，导致管理决策者不得不安排二期(甚至三期、四期)流域综合治理的重新规划与设计，从而推翻原有的方案，导致大量投入资金不能发挥应用的作用；二是先进适用性需要提升。流域综合治理技术选择受到传统认知的限制，忽视了具有见效快、成本低、性能稳定的新产品、技术与设备选择，也进一步导致流域综合治理的效果不明显，治理的成果无法得到巩固和持续提升。因此，如何进行流域综合治理技术优选，已成为管理决策者在实践中必须解决的关键，是影响资金投入效益的重要内容。
技术实现思路
为克服现有的技术选择问题，本专利技术提出了一种面向控制单元的流域综合治理技术优选方法，从而为流域综合治理的措施优选提供技术支撑。该专利技术目的是通过以下技术方案实现的，主要步骤如下：一种基于控制单元面向全过程的流域综合治理技术优选方法，包括以下具体步骤：步骤一，划分流域综合治理的控制单元；步骤二，进行流域污染物与水质响应的量化计算：根据流域水问题的严重程度，在污染负荷计算与水质分析的基础上，按照污染物重要性指标，对流域综合治理控制单元进行分类，采用如下计算方法：STj，t＝maxm＝1，2，3...M(SAj，m，t)(1)其中，STj,t为第j个单元第t时间总的污染物重要性指标；SAj,m,t为第j个单元第t时间第m种污染物的重要性指标；ELm,j,t为第j个计算单元第t时间第m种污染物的入河量，t/a；∑j∈iELm，j，t为第i个河段所有相关的计算单元j的第t时间第m种污染物的入河总量，t/a；M为污染物种类数，个；步骤三，建立流域综合治理全过程适用技术清单：将流域综合治理所选择技术措施逐一列出，进行分类列表，技术措施分为三个类，一是源头减排技术，二是过程阻断技术，三是末端治理技术；每个大类又对应多个小类；源头减排技术分为：点源减排和面源减排两大类；过程阻断技术分为：分流、调蓄、处理、回用四部分；末端治理技术包括：湿地、水系、内源、补水四方面；步骤四，确定流域综合治理技术的效率参数与成本函数：效率参数是指各种污染物的削减能力；成本函数是指随着治理规模的增加，单位削减量所需要的成本变化；步骤五，面向目标实现流域综合治理措施的优选：1)目标函数为规划期经济成本净现值最小：MinFC其中，FC为流域综合治理在规划期总成本净现值，元；R为折现率；CJj,k,t为第j单元第k种措施第t年的建设成本，元；CYj,k,t为第j单元第k种措施第t年的运行成本，元；T为未来规划期，年；J为计算单元总个数，个；Dj,k,t为第j个单元第t时间采取的第k项措施，该决策变量为0-1变量，采用该措施为1，不采用则为0，其中，k＝1,2,3,……K,K为源头减排、过程阻断、末端治理全过程治理措施的数量，个；2)约束条件为四个平衡关系：①计算单元污染物平衡：针对每个计算单元，建立污染物的物质平衡关系如下：其中，ELm,j,t为第j个计算单元第t时间第m种污染物的入河量，t/a；其中，PLm,j,t为第j个计算单元第t时间第m种污染物的排放量，t/a；RJj,k,m为第j个计算单元第k种措施第m种污染物的削减率；②计算单元水量平衡：针对每个计算单元，建立水量的物质平衡关系如下：其中，EQj,t为第j个计算单元第t时间入河水量，m3/s；PQj,t为第j个计算单元第t时间排放水量，m3/s；RQj,k为第j个计算单元第k种措施的水量削减率；③河道污染物平衡：建立河段水质目标与计算单元污染物排放与水量之间的关系，具体计算公式如下：其中，j∈i表示第j个单元属于第i个河段；Km,j为第j个单元第m种污染物的降解系数，1/s；xi为第i河段的长度，m；ui,t为第i个河段第t个时间的流速，m/s，Qi,t为第i个河段第t个时间初始断面的入流流量，m3/s；CSm,i,t为的i个河段第m种污染物第t个时间的水质目标浓度值，mg/L；CIm,j,t为第j个单元第t个时间第m种污染物的浓度，mg/L；④河道水量平衡：体现河道生态流量的刚性约束，具体计算公式如下：其中，SPi，t为第i个河道第t时间的取水量，m3/s；EPi，t为第i个河道第t时间的的生态流量指标，m3/s；Kj,t为第j个用户第t时间的排水系数；根据以上目标函数和约束条件，采用遗传算法、非线性规划方法进行求解，得到不同时期最优的决策变量。进一步的，步骤二中以对流域综合治理控制单元进行分类，分为一般控制单元、中等控制单元以及优先控制单元；优先控制单元污染负荷入河量大、对控制断面的水质敏感性比较大；中等控制单元则污染负荷强度中等，对控制断面的水质敏感性适中；一般控制单元则污染负荷强度较小，对控制断面的水质敏感性较小。进一步的，步骤四中，污水处理厂技术措施(k＝8，如表1所示)成本函数包含以下函数，公式如下：CJj,8,t＝aPQj,tb-cPQj,tbln(1-RJj,8,m)(3)其中，CJj,8,t为第j单元第t时间污水处理技术的建设成本函数；a、b和c为根据流域污水处理工艺与技术等实际情况需要确定的参数，可根据历史数据采用统计回归分析确定；PQj,t为第j单元第t时间的污水处理规模，m3/s；RJj,8,m为第j单元污水处理技术对污染物m的去除效率。本专利技术的有益效果：本专利技术从流域综合治理控制单元入手，分五个步骤创新提出了一种面向全过程的流域综合治理技术优选方法。该技术方法面向流域综合治理的实践，具有很强的操作性，具有一定的推广应用价值。利用方法，根据不同流域的特征与基础资料特点，可以更加系统性地给出流域综合治理的优化组合方案，从而使得传统以经验为主的决策，发展的面向流域水循环及其伴随污染物全过程的量化决策过程，系统性和科学性有所提升。该本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于控制单元面向全过程的流域综合治理技术优选方法，其特征在于：包括以下具体步骤：/n步骤一，划分流域综合治理的控制单元；/n步骤二，进行流域污染物与水质响应的量化计算：根据流域水问题的严重程度，在污染负荷计算与水质分析的基础上，按照污染物重要性指标，对流域综合治理控制单元进行分类，采用如下计算方法：/nST

【技术特征摘要】
1.一种基于控制单元面向全过程的流域综合治理技术优选方法，其特征在于：包括以下具体步骤：
步骤一，划分流域综合治理的控制单元；
步骤二，进行流域污染物与水质响应的量化计算：根据流域水问题的严重程度，在污染负荷计算与水质分析的基础上，按照污染物重要性指标，对流域综合治理控制单元进行分类，采用如下计算方法：
STj，t＝maxm＝1，2，3...M(SAj，m，t)(1)



其中，STj，t为第j个单元第t时间总的污染物重要性指标；SAj，m，t为第j个单元第t时间第m种污染物的重要性指标；ELm，j，t为第j个计算单元第t时间第m种污染物的入河量，t/a；∑j∈iELm，j，t为第i个河段所有相关的计算单元j的第t时间第m种污染物的入河总量，t/a；M为污染物种类数，个；
步骤三，建立流域综合治理全过程适用技术清单：
从流域自然水循环及其伴生的污染物的源头-过程-末端全过程出发，构建流域综合治理适用技术清单，该技术清单应逐一列出所选择技术措施，构建全过程的分类列表，具体技术措施包括，一是源头减排技术，二是过程阻断技术，三是末端治理技术；每个大类又对应多个小类；源头减排技术分为：点源减排和面源减排两大类；过程阻断技术分为：分流、调蓄、处理、回用四部分；末端治理技术包括：湿地、水系、内源、补水四方面；
步骤四，确定流域综合治理技术的效率参数与成本函数：
效率参数是指各种污染物的削减能力；成本函数是指随着治理规模的增加，单位削减量所需要的成本变化；
步骤五，面向目标实现流域综合治理措施的优选：
1)目标函数为规划期经济成本净现值最小：MinFC



其中，FC为流域综合治理在规划期总成本净现值，元；R为折现率；CJj，k，t为第j单元第k种措施第t年的建设成本，元；CYj，k，t为第j单元第k种措施第t年的运行成本，元；T为未来规划期，年；J为计算单元总个数，个；Dj，k，t为第j个单元第t时间采取的第k项措施，该决策变量为0-1变量，采用该措施为1，不采用则为0，其中，k＝1，2，3，......K，K为源头减排、过程阻断、末端治理全过程治理措施的数量，个；
2)约束条件为四个平衡关系：
①计算单元污染物平衡：针对每个计算单元，建立污染物的物质平衡关系如下：



其中，ELm，j，t为第j个计算单元第t时间第m种污染物的入河量，t/a；其中，PLm，j，t为第j个计算单元第t时间第m种污染物的...

【专利技术属性】
技术研发人员：褚俊英，蒋云钟，周祖昊，牛存稳，张海萍，王浩，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11