本发明涉及水环境保护技术领域，具体涉及一种污染物衰减系数估算方法。
背景技术：
污染物进入河流在输移过程中通过物理、化学及生物的作用发生浓度衰减,其衰减系数反映了污染物在水体作用下降解速度的快慢。河流中污染物的衰减系数是研究河流水质污染变化、计算水环境容量以及纳污能力的重要参数；在区域排污总量控制计划的制定、总量负荷指标的科学分配、控制计划执行过程的管理等工作中发挥了重要作用；为实现污染物排放浓度管理制度向总量管理制度的转变奠定了坚实的基础。同时,在水资源保护工作中,对计算水体纳污能力、预测污染物浓度，制定污染物控制方案以及制定河流水质管理规划方案等整个过程的准确性和合理性的影响显著。本文系统地概述了河流中污染物衰减系数的国内外研究现状,并对衰减系数的影响因素加以分析,以期为我国河流污染物衰减系数的研究工作提供科学依据。由于水体中污染物的种类繁多、性质复杂，水质标准中常用综合指标cod、bod、氨氮等确定污染物含量。因此,水体中污染物衰减系数的研究重点主要是cod、bod、氨氮的衰减。
目前，无有效的污染物衰减系数确定方法，无法对水资源保护和河流管理起指导作用。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种污染物衰减系数估算方法，用以解决现有的不能确定污染物衰减系数从而导致的无法指导水资源保护和河流管理工作的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案为
一种污染物衰减系数估算方法，包括：
s1、确定稳态一维忽略污染物的沉降和弥散作用水质数学模型的基本方程
s2、稳定一维均匀河流水质模型的解析解为：
c＝c0e-kt(2)
s3、检测河流数据和入河排污口数据；
s4、确定目标函数
s5、设y＝e-k，则c＝c0e-kt，变为c＝c0yt，则目标函数变为：
s6、利用牛顿法迭代公式，y2＝y1-f′(y)/f″(y)，式中f′(y)、f″(y)分别为：
s7、当y2-y1≤0.0001时，并且根据给出的初值或迭代值和m次实测水质、水量资料，计算出f′(y)和f″(y)，判别步骤s3的河流数据和入河排污口数据是否全部累加完，如果全部累加完，退出循环，计算完毕，最后一次迭代值就是所求的最优值；
s8、把以上所求的最优值y，通过公式k＝-lny转化成k；
s9、当y2-y1＞0.0001时，或者没有全部累加完，重复步骤s6和s7。
进一步的，所述河流数据包括第一水文数据和水质数据，所述第一水文数据包括流量、流速、风向和风力数据，所述水质数据包括水温、溶解氧、化学需氧量、高锰酸盐指数和氨氮数据。
进一步的，所述入河排污口数据包括排污口数据、第二水文数据和水质数据。
进一步的，所述排污口数据为入河排污口位于河流的里程数。
进一步的，所述第二水文数据为取样位置的流量。
进一步的，所述第二水文数据包括流量、流速、风向和风力数据，所述水质数据包括水温、溶解氧、化学需氧量、高锰酸盐指数和氨氮数据。
本发明具有如下优点：
提出了利用牛顿(切线)求极值法和计算机技术，解决了有排污口存在的河段污染物衰减系数的估算难题，为实际的水资源保护和河流管理起到指导作用。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明公开了一种污染物衰减系数估算方法，其包括：
s1、确定稳态一维忽略污染物的沉降和弥散作用水质数学模型的基本方程
s2、稳定一维均匀河流水质模型的解析解为：
c＝c0e-kt(2)
s3、检测河流数据和入河排污口数据；
s4、确定目标函数
s5、设y＝e-k，则c＝c0e-kt，变为c＝c0yt，则目标函数变为：
s6、利用牛顿法迭代公式，y2＝y1-f′(y)/f″(y)，式中f′(y)、f″(y)分别为：
s7、当y2-y1≤0.0001时，并且根据给出的初值或迭代值和m次实测水质、水量资料，计算出f′(y)和f″(y)，判别步骤s3的河流数据和入河排污口数据是否全部累加完，如果全部累加完，退出循环，计算完毕，最后一次迭代值就是所求的最优值；
s8、把以上所求的最优值y，通过公式k＝-lny转化成k；
s9、当y2-y1＞0.0001时，或者没有全部累加完，重复步骤s6和s7。
具体地，河流数据包括第一水文数据和水质数据，第一水文数据包括流量、流速、风向和风力数据，水质数据包括水温、溶解氧、化学需氧量、高锰酸盐指数和氨氮数据。入河排污口数据包括排污口数据、第二水文数据和水质数据。排污口数据为入河排污口位于河流的里程数。第二水文数据为取样位置的流量。第二水文数据包括流量、流速、风向和风力数据，水质数据包括水温、溶解氧、化学需氧量、高锰酸盐指数和氨氮数据。
上述方法的确定过程如下：
1水质模型的确定
水环境容量计算的设计条件是水质最不利的情况。发生这种条件的河流流量，一般为一定保证率的低流量，这时的水流状态一般为稳定状态均匀流。污染物在中小河流迁移过程中，可忽略污染物的沉降和弥散作用。中小河流水环境容量计算，一般采用的水质模型是稳定状态下一维忽略污染物的沉降和弥散作用数学模型。稳态一维忽略污染物的沉降和弥散作用水质数学模型的基本方程：
式中：x-上下断面距离(km)，u-河段平均流速(km/d)，c-污染物浓度(mg/l)，k-污染物衰减系数(l/d)。
2目标函数的建立
2.1基本假设
监测河段的水流水质状态和入河排污口水量水质变化稳定；污染物质在河流横断面分布均匀，符合一级反应动力学；忽略污染物的沉降、弥散作用；稳定一维均匀河流水质模型的解析解为：
c＝c0e-kt(2)
式中：c-河段下断面污染物浓度(mg/l)，c0-河段上断面污染物浓度(mg/l)，k--污染物衰减系数(l/d)，t-污染物自上断面到下断面的移动时间,d。
2.2资料收集
按照以上基本假设条件，布设水文水质监测断面，监测、收集资料。水质模型参数估算所需要资料如表1。
表1水质模型参数k值估算所需要资料
2.3目标函数的建立
由实测值与模型计算值之差的平方，构成目标函数。即目标函数：
式中：f(k)—目标函数；k—污染物衰减系数，1/d；i—水质指标实测数；n—排污口个数；q上i---上断面第i次实测流量(m3/s)；q下i---下断面第i次实测流量(m3/s)；c上i---上断面第i次污染浓度(mg/l)；c下i---下断面第i次污染浓度(mg/l)；a1i—第1个排污口第i次污染浓度(mg/l)；q1i—第1个排污口第i次实测流量(m3/s)；t1i—第1个排污口污染物移动至下断面的时间(d)；ani—第n个排污口第i次污染浓度(mg/l)；qni—第n个排污口第i次实测流量(m3/s)；ti—污染物从上断面移动至下断面的时间(d)；tni—第n个排污口污染物质移动至下断面的时间(d)；m—各水质指标的实测次数。
3模型参数k值的估算
3.1确定模型参数k值的估算公式
在目标函数中,k是所需估算的参数，这是一个单变量函数求极值的问题。在无约束条件下，用牛顿(切线)法，求出目标函数中最小值时的参数。
为了方便，设y＝e-k，则c＝c0e-kt,变为c＝c0yt,则目标函数变为：
式中符号含义同上。
判断标准，一般二次迭代值之差小于或等于0.0001，迭代值接近于最优值。牛顿(切线)法迭代公式：
y2＝y1-f′(y)/f″(y)，式中f′(y)、f″(y)分别为：
式中:y1--迭代计算初值,y2—迭代计算终值。
3.2程序设计
该问题归结为一个用牛顿(切线)法，求单变量函数极值的问题。程序包括内外两个循环过程。外循环是牛顿(切线)法迭代循环，判断标准为二次迭代值之差小于或等于0.0001；内循环是根据给出的初值或迭代值和m次实测水质、水量资料，计算出f′(y)和f″(y)，判别标准是m次实测资料是否全部累加完毕，如果符合判别标准，退出循环。计算完毕，最后一次迭代值就是所求的最优值。
3.3参数k值的确定
把以上所求的最优值y，通过公式k＝-lny转化成k，k值就是所求的污染物衰减系数。
4小清河水环境容量计算模型参数估算应用实例
4.1概况
小清河源于济南诸泉，全长237km，途经淄博、滨州、东营和潍坊等地市。主要接纳济南、淄博等地市污水。主要污染物质是化学耗氧量、挥发酚、氨氮。岔河至博昌桥，相距24km，其间河段顺直，仅有二个较大排污口汇入，且水质水量变化稳定。因此，水质模型参数k值试验，选择岔河至博昌桥作为试验河段。
4.2测验断面的布设和资料的收集
在小清河岔河、崔家桥、博昌桥三个断面及朱龙河口排污口、大园排灌站排污口，布设测验断面，实施连续同步水量、水质、水温的监测。岔河至崔家桥距离11.5km，崔家桥至博昌桥12.5km，大园排灌站排污口至博昌桥15.0km，朱龙河排污口至博昌桥12.3km。
4.3计算成果
通过建立目标函数，经计算，试验成果如下：化学耗氧量的衰减系数k＝0.3271l/d；高锰酸盐指数的衰减系数k＝0.2416l/d；氨氮的衰减系数k＝0.0712l/d。
4.4参数k值的应用
滨州市水资源保护规划中小清河滨州段，化学耗氧量、高锰酸盐指数和氨氮的水环境容量的确定，采用了以上计算成果。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。