專利名稱：一種基于水功能區的水量水質調控方法
技術領域：
本發明涉及一種基于水功能區的水量水質調控方法，是一種水資源調控的方法，是一種對數千平方千米及以上的區域或流域的河流水功能區的水量、水質進行分析和水環境控制的方法。
背景技術：
對生態環境的分析和調控需要將自然環境和人類活動的諸多因素進行整合，剔除影響較小的因素，確定關鍵因素，建立與實際河流狀態最近似的模型。并在模型的應用中不斷的擴充和修正模型，加入更多的因素，使模型越發接近實際的河流和水環境狀態。早期的流域級的大范圍水量水質的分析由于受到當時科研水平和手段的限制，只能尋找數個關鍵性的因素建立模型。這樣的模型只能近似的模擬水量與污染物入河量狀況，與實際相差較大。現有的水量水質調控方法對于污染控制的分析缺乏對用水導致水量和污染負荷排放對水功能區達標狀況的雙重影響因素的考慮，難以從技術角度分析合理的水量水質聯合調控措施，以實現水功能區達標要求。現有河流納污能力計算方法主要是以河流設計流量分析計算水功能區的納污能力，通過對水文歷史資料分析，通過頻率分析得出給定的偏枯保證率(通常為75%或90% )條件下的河流斷面流量，以該流量為基礎，考慮河流自凈能力設計分析可以容許水功能區不超標的污染負荷入河量。沒有考慮到人工用水和工程調度(人工的水源分配)與自然水循環之間的動態關系，不能反映人工取水、水利工程調控等因素改變徑流過程進而影響納污能力的普遍性實際情況。
發明內容
為了克服現有技術的問題，本發明提出了一種基于水功能區的水量水質調控方法，所述的方法綜合分析用水與工程調度對河道流量過程的影響，建立調控模型，并提出了基于用水調控的水功能區動態納污能力的分析計算方式，為水功能區污染負荷入河控制量分析提供基礎，實現流域水質水量總量控制技術。本發明所述的方法對水量調控和水質目標控制分別按照水資源分區和河流水功能區進行控制，并建立二者之間的水量傳輸排放關系。本發明的目的是這樣實現的一種基于水功能區的水量水質調控方法，所述方法的步驟如下構建水量調控模擬模型的步驟用于以流域水資源分區和行政分區嵌套形成水功能區的計算單元，并將水功能區的主要控制工程節點和水功能區控制斷面作為基本信息模擬單元；分析所述水功能區范圍內的水量平衡信息，建立計算單元與水功能區地表徑流匯流與用水退水關系，計算用水影響下的水功能區控制斷面過流；所述的水功能區斷面的流量計算公式如下Q = W±+W*-U+S式中Q-水功能區控制斷面過流量，
W上-上游來水量，W本-水功能區所在單元地表徑流量，U-水功能區所在單元地表取用水量，S-水功能區所在單元用水后退入水功能區斷面水量；計算水功能區控制斷面流量的步驟用于使用水量調控模擬模型計算水功能區的斷面流量；計算入河污染負荷量的步驟用于對入河的污染源進行量化的估算，包括對工業點源產生量估算和城鎮生活點源產生量估算；基于水功能區的納污能力計算的步驟用于根據水量調控模擬模型的流量計算結果，采用一維水質模擬公式計算用水影響條件下的水功能區納污能力
M = 31. 5 (Cs-C0 exp (-kL/u)) exp (kx/u) Qr，式中M_污染物納污能力(t/a)，Cs-水功能區下斷面水質目標控制因子濃度(mg/L)，Ctl-水功能區上斷面水質目標控制因子濃度(mg/L)，k-污染物綜合衰減系數(1/s)，L-水功能區長度(m)，X-排污口下游斷面距水功能區下斷面縱向距離(m)，u-設計流量下的平均流速(m/s),Qr-設計流量(m3/s)；分析水功能區達標狀況的步驟用于使用水功能區達標分析模型，通過污染負荷產生入河量與水功能區納污能力對比分析水功能區達標狀況，如果若水功能區達標率不能實現，則回到“構建水量調控模擬模型的步驟”調整數據量，重新進行計算，直至實現水功能區達標率，則結束過程。本發明產生的有益效果是本發明通過構建流域級水功能區的水量調控模擬模型，考慮人工用水、工程調度與自然水循環關系，同時構建水功能區納污能力分析模型，使用納污能力分析模型以及水量調控模擬模型為依據分析計算水功能區的納污能力，根據分析計算結果對流域的水量和水質進行調控。與現有技術相比，本發明充分考慮人工用水、工程調度與自然水循環三方面的因素，對流域水質的納污能力分析更加準確，使水量調控更加合理。
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。圖I是本發明的實施例一所述方法的流程圖；圖2是本發明實施例一所述方法中水量調控模擬模型的水源用戶配置關系示意圖；圖3是本發明實施例一所述方法的水量調控模擬模型的計算流程示意圖；圖4是計算單元與水功能區關系示意圖；圖5是本發明的實施例二所述水量調控模擬模型的計算基本流程圖。
具體實施例方式實施例一本實施例是一種基于水功能區的水量水質調控方法。本實施例采用了一種水資源分區和水功能區嵌套計算的新形式，實現了水量調控模擬和河流納污能力計算的融合。本實施例的關鍵在于一是整體水量水質調控的技術設計；二是基于水功能區的水量調控模擬模型；三是基于用水的動態納污能力計算；四是水功能區達標狀況分析模型。其中，基于水功能區的水量調控模擬模型計算是本實施例的重點所在。本實施例所述方法中涉及水資源分區、水功能區及計算單元等不同性質而又互相關聯的信息承載體。其中，計算單元為流域劃分中的水資源分區與行政區單元嵌套形成的區域，承載區域水資源量以及供用水等信息；水功能區為表征具有水質目標要求的河流分段劃分。 所述的水資源分區是指針對水資源規劃提出的流域劃分，水資源分區是一種類似行政區域的面狀結構。水功能區是以河流為劃分對象，科學合理地在相應水域劃定具有特定功能、滿足水資源開發利用和保護要求的河流分段劃分。水功能區是以河流為主的線狀信息結構。水量調控模擬模型中的計算單元是水資源分區和行政分區通過地理位置上相互嵌套關系形成的區域，模擬中每個計算單元包括不同用戶的用水需求、污水處理水平、小型工程調蓄與供水能力等信息。本實施例所述方法根據對于現有納污能力計算局限性的分析，對水質水量的總量調控分析涉及對水量過程、水質模擬過程的聯合分析。上述各部分工作通過方案設置和多層次反饋實現對水質水量聯合調控的模擬分析。本實施例所述方法包括水量調控模擬模型、入河污染負荷預測模型、納污能力分析模型和水功能區達標分析模型。模型間的相互關系為水量調控模擬模型計算用水與水功能區控制斷面流量；入河污染負荷預測模型分析入河污染負荷量；納污能力分析模型根據水量模擬調控的流量結果計算特定用水情景下水功能區納污能力，通過納污能力分析模型對比動態水量條件下的水功能區納污能力；水功能區達標分析模型通過污染負荷產生入河量與水功能區納污能力對比分析水功能區達標狀況。在上述模型順序計算得出水功能區達標狀況后，若水功能區達標率不能實現，可以進一步根據輸入信息對用水量、工程調度方案、污水處理和污染控制措施進行反饋調整，從源用水、治污、調度等環節實現水量水質的聯合調控，提出總量控制目標，達到污染控制目的。本實施例所述方法的步驟如下，如圖I所示構建水量調控模擬模型的步驟用于以流域水資源分區和行政分區嵌套形成水功能區的計算單元，并將水功能區的主要控制工程節點和水功能區控制斷面作為基本信息模擬單元；分析所述水功能區范圍內的水量平衡信息，建立計算單元與水功能區地表徑流匯流與用水退水關系，計算用水影響下的水功能區控制斷面過流；所述的水功能區斷面的流量計算公式如下Q = W±+W*-U+S式中Q-水功能區控制斷面過流量，W上-上游來水量，
W$-水功能區所在單元地表徑流量，U-水功能區所在單元地表取用水量，S-水功能區所在 單元用水后退入水功能區斷面水量。水量調控模擬模型現有關于水量調控模擬模型，在國際上開發和應用比較成熟的有SWAT模型。針對地下水有M0DFL0W模型。SWAT模型是一種分布式水文模型，同時考慮了用水對水文過程的影響。郭正鑫(2009)就北京溫榆河為例，使用工具ARCGIS處理獲得的數據，建立起能夠描述河網閘壩水系統的SWAT模型來實現對流域水量水質的聯合調控。但SWAT模型的應用需要以分布式水文過程為基礎，需要大量基礎信息資料，包括對區域水文氣象、地形地貌、土地利用等信息數據的處理輸入，同時還需要應用一定長度歷史水文數據對模型進行驗證和參數率定。考慮與現有的供用水統計信息資料相一致，本實施例提出的水量調控模擬模型不采用分布式模型方式，主要采用概念化處理系統水量過程的方式實現模擬，同時采用模塊化分割方法實現不同類別水量的模擬。水量調控模擬模型主要針對用水、河道水量調度過程進行模擬，分析不同用水和調度方案對水平衡過程的影響效果。水量調控模型需要對現狀和未來的水資源供需分析進行模擬計算，通過情景方案設置和反饋協調河道外生活、生產和生態用水與河道內生態、發電以及航運等用水，提出流域水資源在不同地區和行業的合理配置方案，并給出不同用水和工程調度情景下各區域的廢污水排放狀況和重要節點斷面的水量過流狀況，并給出各個水功能分區節點的過流狀況。根據上述要求，本實施例所述的水量調控模擬模型的主要設計原則如下(I)確定模擬規模與精度根據水量總量調控需求，設置基本的供用水計算單元和斷面節點。為配合水功能區的納污能力計算，采用水資源分區套行政區作為水量供需平衡計算單元，主要控制節點為大型以上蓄水工程、重要引提水工程、重要省界斷面以及水功能區節點斷面。(2)流域水循環與水量供用耗排二元水循環關系為基礎根據流域天然水系與計算單元的供用耗排水關系繪制描述水量關系的水資源網絡節點圖。將計算單元、主要工程、控制性節點以及供用耗排水等系統元素采用概化的“點”、“線”元素表達，反映流域水循環與水資源供、用、耗、排過程，作為模擬計算的基礎。(3)約束條件在模型中設置反映各分區水資源配置中的工程和非工程約束，如供水渠道、管道的過水能力約束，不同來水情況下分水指標的約束等。對于發電工程考慮其發電調度需求以及與供水、河道內水量調度需求的關系，設置河道內水量需求約束條件。(4)模塊化處理模塊化處理即是根據計算過程中各部分功能將系統整體劃分為相互關聯但又具備一定獨立性的功能模塊，針對各模塊的過程進行詳細設計的方法。模型模擬中根據各類水源的利用和處理定義了多個相對封閉和獨立的子系統，同時對每一類子系統又規范了其計算范圍和框架。通過模塊化分割可以對各個子系統功能作封閉式處理，并通過各模塊有機整合實現系統功能。通過模塊化分割處理可以深入細致地處理各功能塊內部的細節流程，使系統框架更清晰、可擴展性更強。計算水功能區控制斷面流量的步驟用于使用水量調控模擬模型計算水功能區的斷面流量。本步驟使用水功能區斷面的流量計算公式，采用不同的用水情景時，調整水功能區所在單元取用水量U，計算出水功能區控制斷面在不同用水情景下的過流量，分析出水量變化條件下的水質狀況模擬和控制目標，實現了人工用水與水循環過程動態關系的模擬。水量調控模擬模型通過設置供用水計算單元和節點進行水量平衡計算。為了配合水功能區的納污能力計算，采用水資源分區嵌套行政區作為計算單元。計算單元是系統模擬的中心環節，水資源供用耗排的分析都是在計算單元內部完成的。節點包含工程節點和控制節點兩類工程節點特指在系統圖上單列的蓄引提工程，這類工程在模擬計算中單獨參與計算，可以對受水單元或者其他工程供水，同時也可以按照工程運行目標對發電航運和生態與環境等河道內用水需求進行水量調控。控制節點指有水量或水質控制要求的河道或渠道斷面，它具有與工程節點相同的各種水力關系，但一般不具備調蓄能力。將計算單元、主要工程節點、控制節點以及供用耗排水等系統元素采用概化的“點”、“線”元素表達，繪制描述流域水量關系的水資源系統網絡節點圖，反映流域水循環與水資源供用耗排過程，以此作為模擬計算的基礎。水量調控模型以行政區域和流域片區結合的計算單元為基本用水單位模擬水量 過程，可以較為準確的反映天然水循環過程，從整體上對流域水循環過程進行仿真模擬。相對與現有的水質模擬主要基于河流層面信息進行污染負荷入河過程的分析，降低了模擬的計算步長和計算單元的尺度，擴大了可模擬的范圍，可以更好的反映較大范圍內區域的水循環、供用水過程條件下的區域整體水量過程和相應的納污能力指標。水量調控模型主要以模擬方式完成水量供需平衡計算、用戶用耗排水和河道水量平衡過程。以一個計算單元為例，供需平衡計算公式為
權利要求
1.一種基于水功能區的水量水質調控方法，其特征在于所述方法的步驟如下 構建水量調控模擬模型的步驟用于以流域水資源分區和行政分區嵌套形成水功能區的計算單元，并將水功能區的主要控制工程節點和水功能區控制斷面作為基本信息模擬單元；分析所述水功能區范圍內的水量平衡信息，建立計算單元與水功能區地表徑流匯流與用水退水關系，計算用水影響下的水功能區控制斷面過流；所述的水功能區斷面的流量計算公式如下Q = W 上+W 本-U+S 式中Q_水功能區控制斷面過流量， W上-上游來水量， W*-水功能區所在單元地表徑流量， U-水功能區所在單元地表取用水量， S-水功能區所在單元用水后退入水功能區斷面水量； 計算水功能區控制斷面流量的步驟用于使用水量調控模擬模型計算水功能區的斷面流量； 計算入河污染負荷量的步驟用于對入河的污染源進行量化的估算，包括對工業點源產生量估算和城鎮生活點源產生量估算； 基于水功能區的納污能力計算的步驟用于根據水量調控模擬模型的流量計算結果，采用一維水質模擬公式計算用水影響條件下的水功能區納污能力 M = 31. 5 (Cs-C0 exp (-kL/u)) exp (kx/u) Qr， 式中M_污染物納污能力(t/a)， Cs-水功能區下斷面水質目標控制因子濃度(mg/L)， C0-水功能區上斷面水質目標控制因子濃度(mg/L)， k-污染物綜合衰減系數(1/s)， L-水功能區長度(m)， X-排污口下游斷面距水功能區下斷面縱向距離(m)， U-設計流量下的平均流速(m/s)， Qr-設計流量(m3/s)； 分析水功能區達標狀況的步驟用于使用水功能區達標分析模型，通過污染負荷產生入河量與水功能區納污能力對比分析水功能區達標狀況，如果若水功能區達標率不能實現，則回到“構建水量調控模擬模型的步驟”調整數據量，重新進行計算，直至實現水功能區達標率，則結束過程。
2.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，所述的計算水功能區控制斷面流量的步驟中用于根據模塊化分割方法水量調控模擬模型的計算包括的子步驟如下 計算單元本地徑流用水模擬包括第一階段計算本地徑流的利用及用戶間配置，第二階段計算河網入流統計及供水計算，第三階段計算網超蓄水量排放； 計算單元非常規水源利用模擬非常規水源主要包括雨水利用、微咸水和海水利用； 地下水利用模擬對于淺層地下水，將每個計算單元視為只有一個地下水庫，其補給水量為地下水可利用量，對每個單元輸入地下水可開采量的年過程； 地表工程供水模擬對于大型水庫、引水工程等，以本地徑流計算后得出的水量作為入庫水量，根據水庫入流、上時段存蓄水量結合水庫調度規則得出可供水量，對用戶進行水量配置，并計算超過蓄水能力后的工程下泄流量； 控制斷面水平衡模擬根據計算單元對水庫節點、水功能區控制斷面等的徑流匯流量、單元用水耗水后的排水量，通過水量平衡計算各斷面的過流量； 時段結束判斷判斷計算的時段是否到達設定的末尾，如果到達則結束過程，如果未達到則回到“計算單元本地徑流用水模擬”的子步驟，繼續下移時段的計算。
3.根據權利要求I或2所述的方法，其特征在于，所述的水量水質聯合分析調控的步驟中的分析方法包括兩種分析方式 第一種分析方式是在確定用水總量條件下模擬各水功能區斷面的徑流過程，得出各區域納污能力總量；第二種分析方式是通過對比納污能力計算結果與實際排污預測量，調整用水控制量實現水功能區斷面水質達標目標。
全文摘要
本發明涉及一種基于水功能區的水量水質調控方法，所述方法的步驟包括構建水量調控模擬模型的步驟；計算水功能區控制斷面流量的步驟；計算入河污染負荷量的步驟；基于水功能區的納污能力計算的步驟；分析水功能區達標狀況的步驟。本發明通過構建流域級水功能區的水量調控模擬模型，考慮人工用水、工程調度與自然水循環關系，同時構建水功能區納污能力分析模型，使用納污能力分析模型以水量調控模擬模型為依據分析計算水功能區的納污能力，根據分析計算結果對流域的水量和水質進行調控。與現有技術相比，本發明充分考慮人工用水、工程調度與自然水循環三方面的因素，對流域水質的納污能力分析更加準確，使水量調控更加合理。
文檔編號G06F19/00GK102750448SQ20121019101
公開日2012年10月24日 申請日期2012年6月11日 優先權日2012年6月11日
發明者游進軍, 牛存穩, 薛小妮, 褚俊英, 賀華翔, 賈仰文, 賈玲, 魏娜 申請人:中國水利水電科學研究院