大规模平面网格条件下污染物总量控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水环境污染物总量控制方法，特别涉及大规模平面网格条件下污染物 总量控制方法。
【背景技术】
[0002] 自"六五"期间，我国将水环境污染物总量控制研究列入国家环保科技攻关项目以 来，国家对污染物总量控制十分重视。"十二五"期间，环境保护部将化学需氧量和氨氮列入 水环境污染物总量控制目标。国务院印发的《国家环境保护"十二五"规划》要求："在已富 营养化的湖泊水库和东海、渤海等易发生赤潮的沿海地区实施总氮或总磷排放总量控制。" 可见，我国已逐渐步入到以总量控制为抓手，全面改善水环境质量的阶段。
[0003] 水环境污染物总量控制，是指以实现特定范围水环境质量达标为目标，控制进入 水体的污染物排放总量的过程。污染物总量控制必须首先进行污染物总量分配，以确定各 污染源的允许排放量和削减目标，是进行污染物总量控制的关键步骤。污染物总量分配是 根据污染源和水质的响应关系，在规定的水质浓度目标值和分配原则条件下，计算水环境 污染物最大允许排放量的过程。由于海洋、河口和湖库等水体环境条件复杂，一般需要采用 二维甚至三维数学模型建立污染源和水质之间的响应关系，单次计算时间较长；同时，由于 污染物总量控制范围内污染源数量众多，优化计算所涉及的负荷分配变量（即优化变量） 也较多。上述因素使得采用非线性优化方法进行污染物总量分配具有很大的计算复杂性， 目前常见的一些优化方法如梯度法、遗传算法、模拟退火算法、蚁群算法等，均难以解决水 环境污染物总量分配的非线性优化计算。经验表明，当优化变量超过10个时，非线性优化 问题的求解就已变得十分困难。而水环境污染物总量分配计算的污染源数量通常比较多， 比如说几十个甚至上百个。由于水质模型复杂性导致单次计算时间较长，以及非线性优化 技术在解决多变量优化计算时的困难，采用非线性优化方法进行水环境污染物总量分配优 化计算几乎很难找到最优解，因而也无法通过该方法实现污染物总量控制。
[0004] 线性规划方法是解决多变量优化问题的有效工具。一般情况下，水环境中污染源 和水质响应关系可近似为线性响应，从而为采用线性规划方法进行污染物总量分配计算和 控制提供了切实可行的解决办法。线性规划方法的理论基础是每一个污染源在计算区域形 成独立的浓度场，计算区域总的污染物浓度为各个污染源响应浓度值的代数叠加。从水质 模型的表达形式及应用实践来看，这一假设是在大多数情况下是成立的。
[0005] 尽管采用线性规划技术可以在具有大量污染源负荷变量的条件下，精确求解各污 染源最大允许排放量的最优解，但在大规模平面网格条件下，求解仍然十分困难。大规模 平面网格是指控制水域水质控制网格数量众多、相邻网格关系复杂的网格。网格数量众多 一般是指网格数量大于1万以上，相邻关系复杂是指网格之间没有明确相邻关系的非结构 性网格。某些海域的计算网格往往达到上万个、甚至几十万个。以渤海为例，当模型步长取 500m时，模型的计算网格达到137025个。这意味着线性规划的约束方程（约束条件的数学 表达形式）也有上万个、甚至几十万个，如此庞大的约束条件给求解带来很大的困难。
[0006] 结合污染物总量分配的具体技术问题，考虑到这一问题的特殊性，其具有不同于 普通线性规划问题的特点，例如污染源的响应场具有以污染源为中心向距离更远的区域逐 步衰减的特点，以及水环境功能划分同一片区的水域需达到同样的水质浓度目标值等，因 此污染物总量分配模型的约束方程有相当一部分方程为冗余方程，如何有效地去除这些冗 余方程，以线性规划方法实现大规模平面网格条件下的污染物总量控制，就成为本领域技 术人员亟待解决的问题。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种大规模平面网格条件下污染物总量控制方法，以提高 大规模平面网格条件下污染物总量控制方法的适用性。
[0008] 为实现上述目的，本发明提供一种大规模平面网格条件下污染物总量控制方法， 包括：
[0009] 步骤1，确定污染物总量控制的水域范围和陆域范围，以及需要进行总量控制的污 染物；
[0010] 步骤2,对步骤1所确定的总量控制范围内的污染源进行概化，确定进行污染物总 量分配的概化污染源以及各概化污染源的分配量的最小值和最大值；对总量控制范围内的 水域进行网格划分，设置步骤1确定的总量控制污染物要满足的水域水质浓度目标值；
[0011] 步骤3,在步骤1所确定的总量控制范围内，建立水质模型，进行水质模型参数识 别和验证，并计算污染源对应污染物在总量控制范围内的水质响应场；
[0012] 步骤4,采用污染源负荷分配量之和最大或公平性指数最大为目标，确定污染物总 量分配的目标函数；根据步骤2所确定的各污染源分配量的最小值和最大值，水域水质浓 度目标值，以及步骤3所确定的水质响应场，建立污染物总量分配的约束条件；采用总量分 配的目标函数和约束条件，构建污染物总量分配模型，进行污染物总量分配优化计算；
[0013] 步骤5,根据污染物总量分配结果，以实际情况对污染物总量分配优化计算结果进 行调整，确定污染物总量控制方案；
[0014] 其中，于步骤4中，采用线性规划方法建立污染物总量分配模型，对该模型中冗余 点的约束方程进行去除后，计算得到各个污染源分配负荷，并于步骤5中以该污染源分配 负荷对污染源总量进行控制。
[0015] 其中，于步骤1中，包括以下步骤：步骤11，根据关注的水体（比如说一个特定的 河口（例如长江口）、海湾（例如胶州湾等）、海域（例如渤海））或行政区边界等确定污染 物总量控制所涉及的范围，包括确定污染物总量控制所涉及的水域范围和陆域范围；步骤 12,调查污染物总量控制范围内各项污染物排放量和排放方式，确定水域范围内主要的污 染物种类和污染源，进行污染负荷压力因子排序；步骤13,定量分析水域范围内水质类别 和水环境功能区（连续且具有相同的水环境使用功能或生态功能，区域内水质目标相同） 达标情况，确定超标污染物种类和超标范围，进行水域水质超标因子排序；步骤14,根据污 染负荷压力因子排序、水域水质超标因子排序（步骤12至步骤13的内容均为水环境质量 评价内容）以及污染控制任务（如水质改善任务、富营养化控制任务等），确定需要进行总 量控制的污染物（种类）。
[0016] 其中，于步骤2中，包括以下步骤：步骤21，对污染物总量控制范围内污染源进行 归并，将其简化为概化污染源，再根据污染源最大削减潜力，确定概化污染源的污染物分配 量最大值和最小值；步骤22,根据水质浓度在空间范围上的控制要求，对污染物总量控制 范围内的水域进行网格划分；步骤23,根据水域功能区划和污染源排放口附近允许超标混 合区，确定步骤22中所有水域网格的水质浓度目标值（超标混合区是指给予污染源排污口 附近一定的稀释范围，在稀释范围内水质浓度可不满足水质浓度目标值的要求）。
[0017] 其中，于步骤3中，包括以下步骤：步骤31，根据水域范围内污染物种类、水动力 条件、污染源排放规律，选择水质模型，构建概化污染源污染物负荷排放量与水质浓度的响 应关系；步骤32,根据水质的模拟值和实际观测值的对比，确定水质模型参数的取值；步骤 33,采用独立的实测数据，对水质模型的预测结果进行验证；步骤34,采用大气沉降负荷、 水产养殖负荷确定污染物背景浓度场；步骤35,采用水质模型，分别计算各概化污染源在 单位污染物负荷条件下总量控制范围内的水质响应浓度，得到概化污染源对应污染物的水 质响应场。
[0018] 其中，于步骤4中，包括以下步骤：步骤41，采用污染源负荷分配量之和最大或公 平性指数最大作为目标，确定污染物总量分配优化目标函数；步骤42,根据步骤3的水质响 应场和各网格点的水质浓度目标值要求，建立水质约束方程组；步骤43,根据污染源的最 大削减潜力，采用污染物分配量最大值和最小值构建概化污染源的污染物分配量的约束方 程组，与步骤41的目标函数，步骤42的水质约束方程组共同构成污染物总量分配模型；步 骤44,去除步骤42中水质约束方程中的冗余方程（即污染物总量分配模型水质约束条件中 的冗余方程），进行总量分配优化计算，得到各个污染源分配负荷。
[0019] 其中，步骤44可进一步包括以下步骤：步骤441，分析水域网格的特征，将其划分 为结构性网格和非结构性网格，分别进行相邻网格点识别；步骤442,查找疑似冗余点，并 将其对应的水质约束方程去除，得到瘦身后的污染物总量分配模型；步骤443,求解瘦身后 的污染物总量分配模型的线性规划方程组，获得最优解；步骤444,检验最优解是否为步骤 42中水质约束方程组的可行解，将步骤443中的最优解代入步骤42中水质约束方程组，不 能满足约束条件的方程对应的点位为疑似冗余点中的非冗余点；步骤445,将步骤444找回 的非冗余点补回步骤443的线性规划方程组（称为瘦身线性规划方程组）；步骤446,重复 步骤442至步骤445,直至瘦身线性规划方程组的最优解满足原规划方程组的所有约束条 件。
[0020] 其中，于步骤442中，当一网格结点的水质浓度目标值比所有其它相邻网格点水 质都要宽松或者相等，则该网格点被认定为疑似冗余点。
[0021] 其中，于步骤5中，包括以下步骤：对步骤4所计算出的各个污染源分配负荷进行 可行性分析，对污染源分配负荷进行调整后，再对各个污染源排污情况进行控制。
[0022] 本发明属于水环境保护污染物总量控制技术领域，涉及的理论包括污染物容量总 量控制理论、线性规划理论和迭代计算理论等。本发明基于平面网格水质模型，采用水质模 型计算污染源的响应场，根据污染源的响应场和区域的水质浓度目标值，构建污染物总量 分配模型，并采用线性规划的方法求解水环境中各污染源的污染物负荷分配量。本发明采 用迭代的方法，对复杂网格条件下大量的冗余方程进行识别和试错，发现真正起到约束控 制作用的点位，从而实现根据有限控制点位的约束条件求解污染源分配总量，进而实现污 染物总量的控制。由于求解时去除了大量的冗余方程，不但大幅度地减少了线性规划方程 组的规模，将不可求解或难以求解的线性规划问题转化为可求解的线性规划问题；同时还 极大地提高了计算的时间效率，提高了本发明方法的适用性，解决了大规模平面网格条件 下污染物总量控制的技术问题。
[0023] 以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
【附图说明】
[0024] 图1为本发明污染物总量控制方法流程图；
[0025] 图2为本发明瘦身规划方程组可行解空间与原规划方程组可行解空间的对比示 意图；
[0026] 图3为本发明瘦身规划方程组最优解落入原规划方程组可行解空间之内的示意 图；
[0027] 图4为本发明瘦身规划方程组最优解落入原规划方程组可行解空间之外的示意 图；
[0028] 图5为本发明结构网格相邻点的判断图；
[0029] 图6为本发明非结构网格相邻点的判断图；
[0030] 图7为渤海污染源的位置分布图；
[0031] 图8a至图8c分别是黄河、大辽河和辽河响应场示范（CODlJ ;
[0032] 图9为采用本发明优化以后渤海实际控制点位与冗余点位的对比；
[0033] 图10为九龙江一厦门湾海域污染源的位置分布图；
[0034] 图Ila至图Ild为九龙江一厦门湾海域北溪、西溪、东西溪合流段和南溪C0DMn的 响应场分布图；
[0035] 图12为采用本发明优化后厦门湾-九龙江海域第一次迭代实际控制点位与冗余 点位的对比图；
[0036] 图13为采用本发明优化后厦门湾-九龙江海域第二次迭代实际控制点位与冗余 点位的对比图；
[0037] 图14为采用本发明优化后厦门湾-九龙江海域第三次迭代实际控制点位与冗余 点位的对比图。
【具体实施方式】
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