一种非点源排污河段的灰水足迹测算方法
阅读：474发布：2020-05-08
专利汇可以提供一种非点源排污河段的灰水足迹测算方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开的一种非点源排污河段的 灰 水 足迹测算方法，包括如下步骤：获取待测算非点源排污河段的 基础 数据；提取基础数据中的灰水足迹核算参数；基于灰水足迹核算参数利用非点源灰水足迹核算公式计算待测非点源排污河段的灰水足迹，所述非点源灰水足迹核算公式基于非点源排污负荷迁移转化机理、非点源污染物沿河岸入河及在河道中的迁移衰减效应及非点源排污负荷与控制断面水质响应关系得到。本发明 实施例 提供的非点源排污河段的灰水足迹测算方法可以反映非点源污染物排放和入河后的迁移转化过程，精细化衡量灰水足迹的 时空 变化，减小非点源排污河段的灰水足迹的测算误差。，下面是一种非点源排污河段的灰水足迹测算方法专利的具体信息内容。
1.一种非点源排污河段的灰水足迹测算方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取待测算非点源排污河段的基础数据；
从基础数据中提取灰水足迹核算参数；
基于所述灰水足迹核算参数利用非点源灰水足迹核算公式计算待测非点源排污河段的灰水足迹，所述非点源灰水足迹核算公式基于非点源排污负荷迁移转化机理、非点源污染物沿河岸入河及在河道中的迁移衰减效应及非点源排污负荷与控制断面水质响应关系得到。
2.根据权利要求1所述的非点源排污河段的灰水足迹测算方法，其特征在于，所述基础数据包括：空间数据、污染数据和水文数据，其中，
空间数据包括河道位置信息、河段控制断面位置；
污染数据包括排污量、来水背景浓度及控制断面水质标准；
水文数据包括河段的流速。
3.根据权利要求2所述的非点源排污河段的灰水足迹测算方法，其特征在于，所述灰水足迹核算参数包括：基准断面上游来水中污染物背景浓度、控制断面污染物的水环境质量标准浓度、污染物综合衰减系数、控制断面至基准断面的距离及河段设计平均流速。
4.根据权利要求1所述的非点源排污河段的灰水足迹测算方法，其特征在于，所述非点源灰水足迹核算公式为：
其中，GWFnps为灰水足迹流量，M为河段非点源排污量；R为污染物沿程累计衰减系数；Cs为控制断面污染物的水环境质量标准浓度；μ为河段设计平均流速；C0为基准断面上游来水中污染物背景浓度；k为污染物综合衰减系数；x为控制断面至基准断面的距离。
5.根据权利要求3所述的非点源排污河段的灰水足迹测算方法，其特征在于，污染物沿程累计衰减系数R通过以下式表示：
其中，k为污染物综合衰减系数；x为控制断面至基准断面的距离；μ为河段设计平均流速。
6.根据权利要求4所述的非点源排污河段的灰水足迹测算方法，其特征在于，所述污染物综合衰减系数k通过分析借用法或实测法确定。
一种非点源排污河段的灰水足迹测算方法
技术领域
[0001] 本发明涉及水环境保护领域，具体涉及一种非点源排污河段的灰水足迹测算方法。
背景技术
[0002] 灰水足迹(GWF,Gray Water Footprint)是与水污染有关的指标，表征经济社会排污过程对河湖等水体的环境影响。灰水足迹一般被定义为以自然本底浓度和现有的环境水质标准为基准，将一定污染负荷稀释至高于一定环境水质标准所需的淡水的体积。因而，基于灰水足迹核算可定量化评价污水排放引起自然水体纳污能力的消耗，即对水环境的压力效应。水足迹评价将污水排放对水体的影响量化为水量，能较直观的反映水污染对水资源水环境的胁迫程度。依据国家水足迹网络出版的《水足迹评价手册》，认为水污染的程度和规模可以通过稀释污染物至无害所需的新鲜水量来反映。具体核算公式如下：
[0003]
[0004] 式中，GWF为灰水足迹(m3/年)；Load为排污量(kg/年)；ρs为污染物的水质标准浓度3 3
(kg/m)；ρn为受纳水体的自然本底水质浓度(kg/m)。现有技术中，对非点源排放下的河流水污染过程机理考虑不足，上述方法将污染物稀释至水质标准所需水量作为污水排放的水足迹，然而在实际中，非点源污染负荷从河道沿岸排放到水体后是随水流不断移动和削减的，水环境管理主要针对固定的水质断面考核水体是否达标或满足水环境功能。因此，以上方法无法反映非点源污染物排放和入河后的迁移转化过程，影响水足迹测算结果的可靠性同时，难以精细化衡量灰水足迹的时空变化，无法有效量化此类小尺度单元内非点源负荷排放的灰水足迹。
(kg/m)；ρn为受纳水体的自然本底水质浓度(kg/m)。现有技术中，对非点源排放下的河流水污染过程机理考虑不足，上述方法将污染物稀释至水质标准所需水量作为污水排放的水足迹，然而在实际中，非点源污染负荷从河道沿岸排放到水体后是随水流不断移动和削减的，水环境管理主要针对固定的水质断面考核水体是否达标或满足水环境功能。因此，以上方法无法反映非点源污染物排放和入河后的迁移转化过程，影响水足迹测算结果的可靠性同时，难以精细化衡量灰水足迹的时空变化，无法有效量化此类小尺度单元内非点源负荷排放的灰水足迹。
发明内容
[0005] 因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术无法反映非点源污染物排放入河后的迁移转化过程，难以精细化衡量灰水足迹的时空变化，从而提供一种非点源排污河段的灰水足迹测算方法。
[0006] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0007] 本发明实施例提供一种非点源排污河段的灰水足迹测算方法，包括如下步骤：获取待测算非点源排污河段的基础数据；从基础数据中提取灰水足迹核算参数；基于灰水足迹核算参数利用非点源灰水足迹核算公式计算待测非点源排污河段的灰水足迹，非点源灰水足迹核算公式基于非点源排污负荷迁移转化机理、非点源污染物沿河岸入河及在河道中的迁移衰减效应及非点源排污负荷与控制断面水质响应关系得到。
[0008] 在一实施例中，所述基础数据包括：空间数据、污染数据和水文数据，其中，空间数据包括河道位置信息、河段控制断面位置；污染数据包括排污量、来水背景浓度及控制断面水质标准；水文数据包括河段的流速。
[0009] 在一实施例中，所述灰水足迹核算参数包括：基准断面上游来水中污染物背景浓度、控制断面污染物的水环境质量标准浓度、污染物综合衰减系数、控制断面至基准断面的距离及河段设计平均流速。
[0010] 在一实施例中，所述非点源灰水足迹核算公式为：
[0011]
[0012] 其中，GWFnps为灰水足迹流量，M为河段非点源排污量；R为污染物沿程累计衰减系数；Cs为控制断面污染物的水环境质量标准浓度；μ为河段设计平均流速；C0为基准断面上游来水中污染物背景浓度；k为污染物综合衰减系数；x为控制断面至基准断面的距离。
[0013] 在一实施例中，所述污染物沿程累计衰减系数R通过以下式表示：
[0014]
[0015] 其中，k为污染物综合衰减系数；x为控制断面至基准断面的距离；μ为河段设计平均流速。
[0016] 在一实施例中，所述污染物综合衰减系数k通过分析借用法或实测法确定。
[0017] 本发明提供了一种非点源排污河段的灰水足迹测算方法，包括如下步骤：获取待测算非点源排污河段的基础数据；从基础数据中提取灰水足迹核算参数；基于所述灰水足迹核算参数利用非点源灰水足迹核算公式计算待测非点源排污河段的灰水足迹，所述非点源灰水足迹核算公式基于非点源排污负荷迁移转化机理、非点源污染物沿河岸入河及在河道中的迁移衰减效应及非点源排污负荷与控制断面水质响应关系得到。本发明提供的非点源排污河段的灰水足迹测算方法通过采用河道非点源排污负荷迁移转化方程，针对河流两岸年内非点源排污对控制河段的水质影响，解决非点源污染负荷从河道沿岸排放到水体后是随水流不断移动和削减的问题，可以反映非点源污染物排放入河后的迁移转化过程，精细化衡量灰水足迹的时空变化，减小非点源排污河段的灰水足迹的误差。附图说明
[0018] 为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0019] 图1为本发明实施例提供的非点源排污的灰水足迹测算示意图；
[0020] 图2为本发明实施例提供的非点源排污河段的灰水足迹测算方法的一个具体示例的流程图。
具体实施方式
[0021] 下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0022] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0023] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0024] 此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
[0025] 实施例
[0026] 本发明实施例提供一种非点源排污河段的灰水足迹测算方法，以某河段非点源排污过程为实例，以典型污染物化学需要量(COD)为例，开展灰水足迹核算。如图2所示，该测算方法包括如下步骤：
[0027] 步骤S1:获取待测算非点源排污河段的基础数据。
[0028] 在本发明实施例中，基础数据包括：空间数据、污染数据和水文数据，其中，空间数据包括河道位置信息、河段控制断面位置；污染数据包括排污量、来水背景浓度及控制断面水质标准；水文数据包括待测河段的流速，如下表所示：
[0029]
[0030] 步骤S2:从基础数据中提取灰水足迹核算参数。
[0031] 在本发明实施例中，灰水足迹核算参数包括：基准断面上游来水中污染物背景浓度、控制断面污染物的水环境质量标准浓度、污染物综合衰减系数、控制断面至基准断面的距离及河段设计平均流速，其中：
[0032] 基准断面上游来水中污染物背景浓度(C0，mg/L)：依据收集的基准断面污染数据中来水背景浓度数据确定；
[0033] 控制断面污染物的水环境质量标准浓度(Cs，mg/L)：依据收集的污染数据中控制断面水质标准确定；
[0034] 污染物综合衰减系数(k，1/d)：可采用分析借用法、实测法确定；分析借用法是将计算水域以往工作和研究中的有关资料分析检验后采用，无计算水域资料时，可借用水力特征、污染状况及地理、气象条件相似的邻近河流的资料。生化需氧量(COD)降解系数一般取0.10～0.14/d；实测法是选取一个核算河段中间某段河道顺直、水流稳定、中间无支流汇入、无排污口的子河段，分别在子河段上游(A点)和下游(B点)布设采样点，监测污染物浓度值，并同时测验水文参数以确定断面平均流速，并按下列公式计算：
[0035]
[0036] 式中：k——污染物综合衰减系数，1/d；CA——上断面污染物浓度，mg/L；CB——下断面污染物浓度，mg/L；L——子河段长度，km；v——子河段平均流速，km/d；
[0037] 控制断面至基准断面的距离(x，m)：依据收集的水系shp格式数据，排污口和控制断面位置数据，本发明实施例利用ArcGIS软件工具，识别排污口(基准断面)到控制断面间河道分布，并基于ArcGIS地理分析功能计算河段的实际长度；河段设计平均流速(μ，m/s)：意见收集的邻近水文站10年丰水期历史监测流速均值作为设计平均流速；对于水文站距离较远或没有历史监测情况，可针对丰水期采用现场监测方式获取。
[0038] 步骤S3:基于灰水足迹核算参数利用非点源灰水足迹核算公式计算待测非点源排污河段的灰水足迹，非点源灰水足迹核算公式基于非点源排污负荷迁移转化机理、非点源污染物沿河岸入河及在河道中的迁移衰减效应及非点源排污负荷与控制断面水质响应关系得到。
[0039] 在本发明实施例中，非点源灰水足迹核算公式为：
[0040]
[0041] 其中，GWFnps为灰水足迹流量，M为河段非点源排污量；R为污染物沿程累计衰减系数；Cs为控制断面污染物的水环境质量标准浓度；μ为河段设计平均流速；C0为基准断面上游来水中污染物背景浓度；k为污染物综合衰减系数；x为控制断面至基准断面的距离；
[0042] 非点源灰水足迹核算公式是由公式 反变换而得，而此式的变换是根据非点源负荷主要从河道沿岸排污入河，而后污染物沿河流纵向迁移转化在稳态或准稳态情况下的数学表达式而得，其数学表达式为：
[0043] 在本发明实施例中，污染物沿程累计衰减系数R通过以下式表示：
[0044]
[0045] 其中，k为污染物综合衰减系数；x为控制断面至基准断面的距离；μ为河段设计平均流速。
[0046] 在一具体实施例中，基准断面上游来水中污染物背景浓度，依据收集的基准断面污染数据中来水中COD背景浓度为30mg/L；控制断面污染物的水环境质量标准浓度：依据收集的污染数据中控制断面水质标准确定为地表水Ⅴ类，其COD浓度为40mg/L；污染物综合衰减系数(k，1/d)：采用分析借用法，分析借用相关文献资料，确定该河段COD降解系数为0.12/d。控制断面至基准断面的距离：依据收集的水系shp格式数据，排污口和控制断面位置数据，基于ArcGIS地理分析功能计算该河段的实际长度为15200m；河段设计平均流速(μ，m/s)：针对丰水期现场监测结果，获取平均流速为0.3m/s。
[0047] 基于采集的上述灰水足迹核算参参数进行灰水足迹测算：
[0048] 经计算得该河段非点源负荷(1300000g/d)入河产生的灰水足迹核算结果为1.206881m3/s，并可进一步折算到天尺度为104274.5m3/d。
[0049] 表明该河道控制断面水质目标为COD 40mg/L时，使河段非点源排污负荷(1300000g/d)沿河排放并充分稀释后，经迁移衰减至满足该控制断面水环境质量标准所需的基准断面上游来水流量为1.206881m3/s(背景浓度为COD 30mg/L)。进一步，经与该河段实测上下断面数据及非点源排污量数据进行校核，发现该测算方法结果与同情景下河段平均流量基本一致，可验证本方法的科学性。
[0050] 而依据传统的只考虑污染物稀释作用的灰水足迹核算公式计算结果如下：
[0051]
[0052] 可知，由原始方法测算的灰水足迹较本发明方法测算结果更高，不符合实际情况。主要是由于未考虑非点源负荷沿河入河迁移转化过程，使得原始测算方法在空间上无法做到考虑不同河段不同断面水质标准条件下的差异化测算，使得测算结果较粗放。
[0053] 依据本发明提供的测算方法测算得到的灰水足迹结果，在水环境管理应用中，可针对该非点源排放强度下，通过水量调度或水源涵养等措辞保障负荷排放期间河段平均流量达到1.206881m3/s(或104274.5m3/d)即可满足下游控制断面水质达标，可为精细化的水环境管控工作方案制定提供依据。
[0054] 本发明提供的非点源排污河段的灰水足迹测算方法，通过采用河道非点源排污负荷迁移转化方程，针对河流两岸年内非点源排污对控制河段的水质影响，解决非点源污染负荷从河道沿岸排放到水体后是随水流不断移动和削减的问题，可以反映非点源污染物排放入河后的迁移转化过程，精细化衡量灰水足迹的时空变化，减小非点源排污河段的灰水足迹的测算误差。
[0055] 显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
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