一种小流域河湖污染物反向精准溯源方法及系统技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。变化的环境诊断的不足。变化的环境诊断的不足。

【技术实现步骤摘要】
一种小流域河湖污染物反向精准溯源方法及系统


[0001]本专利技术涉及河流污染源控制
，具体涉及一种小流域河湖污染物反向精准溯源系统。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]本专利技术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。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：
[0007]一种小流域河湖污染物反向精准溯源方法，包括以下步骤：
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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；
[0012]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。
[0013]进一步的，所述步骤S1中，所述控制单元的划分方法为：
[0014]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；
[0015]K2：根据DEM数据对流域汇水区进行划分；
[0016]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；
[0017]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。
[0018]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。
[0019]进一步的，所述方法还包括步骤：
[0020]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；
[0021]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。
[0022]进一步的，所述步骤S2中，所述的污染物分布特征算法为：
[0023][0024][0025]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；
[0026][0027]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
x
为紊动扩散系数；dC/dt为生化反应项；S为污染物的排放量。
[0028]进一步的，所述步骤S2中，所述的响应系数场算法为：
[0029]C
i
＝α
i
Q
i
[0030]式中：C
i
某一源强值所形成的浓度场，α
i
为响应系数，表征流域水质和某个点源的响应关系，Q
i
若干个单位源强值。
[0031]进一步的，所述步骤S2中，所述的污染物分担率算法为：
[0032][0033]式中：C(x，y)n个污染源共同作用下所形成的浓度场，C
i
(x，y)为第i个控制单元污
染源Qi的单独浓度场，(x，y)为空间点坐标。
[0034]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。
[0035]进一步的，(一)排污口最优规划模型如下：
[0036]目标函数：
[0037]约束条件：
[0038][0039][0040][0041]式中，Ci(η
i
)为第i小区的污水处理费用；η
i
为第i小区的污水处理效率；U、V为河流BOD与DO的响应矩阵；为河流各断面的BOD约束和DO约束；为输入河流；
[0042](二)均匀处理最优规划模型如下：
[0043]目标函数
[0044]约束条件
[0045]Q
i
，q
i
≥0
[0046]Q
ji
，Q
ij
≥0
[0047]式中，C
i
(Q
i
)为第i个污水处理厂的费用，它是污水处理规模本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种小流域河湖污染物反向精准溯源方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：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。2.根据权利要求1所述的小流域河湖污染物反向精准溯源方法，其特征在于：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。3.根据权利要求1所述的小流域河湖污染物反向精准溯源方法，其特征在于：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。4.根据权利要求1所述的小流域河湖污染物反向精准溯源方法，其特征在于：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。5.根据权利要求1所述的小流域河湖污染物反向精准溯源方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述的污染物分布特征算法为：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
x
...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯健，赵进勇，李胜东，彭文启，付意成，丁洋，崔晓宇，
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：