一种基于水中氨氮分布模型的河道修复方法与流程

1.本发明涉及河道修复技术领域，尤其涉及一种基于水中氨氮分布模型的河道修复方法。


背景技术：

2.在城市化进程中，由于人类活动影响，大量污染物通过大气沉降、废水排放、雨水冲刷等进入水体，最后沉积到底泥中并且逐渐富集，富营养化的河道的底泥一般会受到严重污染，底泥中的污染物反复和水体混合，造成水质难以达标。底泥污染的加剧主要是人为因素造成的，在经济高速发展过程中，大量的难降解、高浓度的污染物进入到河道中，且污染物积累在河道底泥中，从而会导致水体的发黑发臭。
3.底泥有机物质在厌氧条件下会产生氨氮、硫化氢、挥发性有机物等物质会产生恶臭。所以污染水体的底泥是污染物的“蓄积库”，在一定条件下会使水体污染加重，同时产生的恶臭也会对周边人民的生活产生影响。
4.河道整治工作最主要的部分就是对河道水体污染的治理，河道是城市形象的象征，是城市快速发展的基础，是城市健康发展的关键，对城市生态文明建设有促进作用。而在我国的可持续发展战略中，对于水体环境的治理是一项重要的工作。
5.现有技术中，河道治理最常见的方法就是给水体及底泥增氧，或向河道中投放治理药剂或微生物，但这两种河道治理方法在具体实施中主要由人工操作，无法快速精准地对水质污染区域进行治理，因此提出了一种基于水中氨氮分布模型的河道修复方法用于解决上述问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种基于水中氨氮分布模型的河道修复方法。
7.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
8.一种基于水中氨氮分布模型的河道修复方法，包括以下步骤：
9.s1：基础资料收集汇整：收集氨氮在水体中的转化资料以及氮在水体中的降解资料并汇整；
10.s2：河道网格划分：对河道进行网格划分处理，除了逐一设定每个网格环境参数之外，也可依水体特性将多个网格直接合并成少数河段；
11.s3：建立水质指标关联关系网：建立水质指标之间通过动力学和传质过程形成的关系网；
12.s4：模型的率定验证：模型验证需要统计数据和现场监测数据，包括降雨量监测数据和典型汇水流域出口监测数据、河道流量、液位和水质数据；
13.s5：模拟：对模型进行模拟。
14.优选的，所述s1中，氨氮在水体中的转化资料为氨化作用资料、同化作用资料、硝
化作用资料和反硝化作用资料。
15.优选的，所述s2中，对于任意一种水质组分在河段i中的变化情况，其控制方程式为离散的质量平衡式：
[0016][0017]
其中c：污染物浓度；t：时间；i：第i个计算网格；q：流量；v：水体积；e：延散系数；w：外部污染负荷；s：源点项或源灭项。
[0018]
优选的，所述s2中，必须考虑既有水环境功能区界限处、河道断面测站、水质采样站、污染排放点位、抽排水点位、感潮交界处或水力显着变化处。
[0019]
优选的，所述s4中，对模型中的相关参数进行调整，使得模型参数验证结果满足要求，从而使得模拟结果和监测结果的曲线更加吻合，使得模型能更真实的反映研究区域的排水体系输送规律。
[0020]
优选的，所述s4中，在获取统计数据、现场实时流量、雨量监测数据后，对监测数据进行初步分析，并整理数据以符合模型验证的要求。
[0021]
优选的，所述s4中，参数验证方案须根据模型建立情况和现场监测数据初步分析结果确定，一般采用人工率定与自动率定相结合的方式，自动率定采用启发式演算算法。
[0022]
优选的，所述s5中，系数p
ap
和p
ab
是氨氮作为浮游植物和底部藻类氮源的优先选择，分别按下式计算：
[0023][0024][0025]
式中：k
hnxp
为浮游植物对氨氮的偏好系数(mgn/m3)，k
hnxb
为河底藻类对氨氮的偏好系数(mgn/m3)，no为有机氮、na为氨氮、nn为硝态氮。
[0026]
本发明的有益效果：
[0027]
(1)本发明提出的一种基于水中氨氮分布模型的河道修复方法，依据历史的水环境相关资料及数值，模型的构建可以对现状河道水质进行时间及空间上连续性的分析，依据模拟结果，可分析实际各个污染源对河道水质的影响；
[0028]
(2)本发明提出的一种基于水中氨氮分布模型的河道修复方法，将河道进行网格划分，可以快速精准的对水体进行监测，并且可以根据监测结果精准地对水质污染区域进行治理；
[0029]
本发明可以有效提高模型对水质模拟结果的精确度，快速精准地对水质污染区域进行治理。
附图说明
[0030]
图1为本发明提出的一种基于水中氨氮分布模型的河道修复方法中的河道网格划
分示意图；
[0031]
图2为本发明提出的一种基于水中氨氮分布模型的河道修复方法中的水质指标关联关系图。
具体实施方式
[0032]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0033]
参照图1-2，一种基于水中氨氮分布模型的河道修复方法，包括以下步骤：
[0034]
s1：基础资料收集汇整：收集氨氮在水体中的转化资料以及氮在水体中的降解资料并汇整；
[0035]
s2：河道网格划分：对河道进行网格划分处理，除了逐一设定每个网格环境参数之外，也可依水体特性将多个网格直接合并成少数河段；
[0036]
s3：建立水质指标关联关系网：建立水质指标之间通过动力学和传质过程形成的关系网；
[0037]
s4：模型的率定验证：模型验证需要统计数据和现场监测数据，包括降雨量监测数据和典型汇水流域出口监测数据、河道流量、液位和水质数据；
[0038]
s5：模拟：对模型进行模拟。
[0039]
本发明中，所述s1中，氨氮在水体中的转化资料为氨化作用资料、同化作用资料、硝化作用资料和反硝化作用资料；
[0040]
氨化作用资料：含氮有机物在微生物作用下分解释放氨态氮的过程即为氨化作用，氨化作用在好氧及好氧条件下都可进行，只是最终产物有所不同，氨化作用受ph影响，以中性、弱碱性环境的效率较高，反应式如下：
[0041]
rchnh2cooh+o2→
rcooh+co2+nh3(好氧条件)
[0042]
rchnh2cooh+h2o
→
rchohcooh+nh3(压氧条件)
[0043]
同化作用资料：水生植物包括藻类，通过吸收利用天然水体中的nh4+(nh3)、no3-等合成自身的物质，这一过程称为同化作用；
[0044][0045][0046]
硝化作用资料：在通气良好的水体中，经硝化细菌的作用，氨可进一步被氧化成no3-，这一过程称为硝化，硝化分两个阶段进行，第一阶段主要由亚硝化单胞菌属引起，第二阶段主要由硝化杆菌属引起。硝化作用主要受溶解氧、ph等因素的影响；
[0047][0048]
反硝化作用资料：也称脱氮作用，是在微生物的作用下，硝酸盐或亚硝酸盐被还原为一氧化二氮(n2o)或氮气(n2)的过程，参与这一过程的微生物常称为反硝化细菌，反硝化细菌绝大部分都是条件性厌氧菌，在缺氧条件下，通过厌氧细菌的活动，no3-被还原为n2。
[0049]
[0050]
本发明中，所述s2中，对于任意一种水质组分在河段i中的变化情况，其控制方程式为离散的质量平衡式：
[0051][0052]
其中c：污染物浓度；t：时间；i：第i个计算网格；q：流量；v：水体积；e：延散系数；w：外部污染负荷；s：源点项或源灭项。
[0053]
本发明中，所述s2中，必须考虑既有水环境功能区界限处、河道断面测站、水质采样站、污染排放点位、抽排水点位、感潮交界处或水力显着变化处。
[0054]
本发明中，所述s4中，对模型中的相关参数进行调整，使得模型参数验证结果满足要求，从而使得模拟结果和监测结果的曲线更加吻合，使得模型能更真实的反映研究区域的排水体系输送规律。
[0055]
本发明中，所述s4中，在获取统计数据、现场实时流量、雨量监测数据后，对监测数据进行初步分析，并整理数据以符合模型验证的要求。
[0056]
本发明中，所述s4中，参数验证方案须根据模型建立情况和现场监测数据初步分析结果确定，一般采用人工率定与自动率定相结合的方式，自动率定采用启发式演算算法。
[0057]
本发明中，所述s5中，系数p
ap
和p
ab
是氨氮作为浮游植物和底部藻类氮源的优先选择，分别按下式计算：
[0058][0059][0060]
式中：k
hnxp
为浮游植物对氨氮的偏好系数(mgn/m3)，k
hnxb
为河底藻类对氨氮的偏好系数(mgn/m3)，no为有机氮、na为氨氮、nn为硝态氮，浮游植物和底藻细胞内氮的来源主要是浮游植物和底藻对氮的吸收，并且通过浮游植物的死亡以及排泄使得浮游植物细胞内氮减少或消失。
[0061]
浮游植物的细胞内氮的变化机理如下：
[0062]spn
＝phytoupn-q
np
phytodeath-phytoexn
[0063]
式中s
pn-浮游植物内氮的源和汇项；phytoupn-浮游植物对氮的吸收量；phytodeath-浮游植物死亡量；phytoexn-浮游植物氮的排泄量
[0064]
其中排泄速率计算式为：
[0065]
phtoexn＝q
npkeb
(t)a
p
[0066]
kep(t)-与温度有关的的浮游植物排泄率；
[0067]
氮吸收量取决于外部和细胞内的营养物质：
[0068][0069]
式中pmnp一氮的最大吸收速率：ksnp-外部氮半饱和常数；kqnp-细胞内氮半饱和
常数；
[0070]
底部藻类细胞内氮变化计算：
[0071]sbn
＝botalgupp-q
nb botalgdeath-botalgexn
[0072]
式中sbn-浮游植物内氮的源和汇项：botalgupn-底部藻类对氮的吸收量：botalgdeath-底部藻类死亡量；botalgexn-底部藻类氮的排泄量；
[0073]
其中排泄速率计算式为：
[0074]
botalgexp＝q
pbkeb
(t)ab[0075]
keb(t)一与温度有关的底部藻类排泄率；
[0076]
氮吸收量取决于外部和细胞内的营养物质：
[0077][0078]
式中pmnb一氮的最大吸收速率：ksnb-外部氮半饱和常数；kqnb-细胞内氮半饱和常数。
[0079]
模型应用：
[0080]
顺德市水污染防治工程考核目标之一为顺德水道西海大桥断面水质达到v类标准，顺德水道有较多的支流汇入，其中较大的支流有泾口河、马良大涌、伦教大涌及细海河，顺德水道水质易受沿岸汇入支流水质的影响，且沿河还有污水厂排口，因此在支流汇入后及污水厂污水排入时，由于河川稀释及自净能力有限，易造成河川水质恶化或呈现不稳定的剧烈变动，该项目选取顺德水道中顺德二桥至西海大桥段为水质模型模拟对象，并对顺德市城镇污染防治措施的实施效果进行分析及评估。
[0081]
依据顺德水道特性、污染分布情形及现勘结果，并结合上述划分原则，对顺德水道进行水质网格划分，考虑边界条件需有已知的水文及水质数值，此次项目的源头设定在乐龙大桥处，故在顺德水道乐龙大桥处需镜像水质，作为模型边界输入条件，末端则为西海大桥处，顺德水道水质模拟河段共划分为21个网格，每个网格距离不等。
[0082]
依据流量平衡结果，在顺德水道水质模型中分别输入qual2k需模拟的do、及nh3-n各项水质浓度，考虑到水质模型对河流水质的模拟存在地域性，河流的水文特征、污染负荷等方面的不同使得模型需设置的参数也不同，因此在模型初步建立后，需要以现场数字坞镜像数值进行模型参数率定，使模拟结果更接近实际的河道状况，本项目采用均方误差(mse)来评估模型模拟结果的合理性。
[0083]
主要对模型的延散系数e、硝化速率、再曝气系数进行校正，其他参数均采用qual2k模型的推荐参数值，由于顺德水道镜像断面的现场资料不足，且仅有顺德水道断面的历史水质数值的统计资料，故只能通过断面的历史数值与模拟结果作对比，进行参数的校正并通过计算各污染指标的mse来评估模型对顺德水道水质模拟结果的合理性，若后续能提供近期各个断面的详细水量镜像数值，可进一步对水量的模拟结果进行评估，结合断面实测范围值及模型水质的均方误差分析结果，从模型的整体结果来看，顺德水道qual2k水质模型具备基本的正确性与合理性，基本可反映顺德水道的水质变化趋势，适合用于作为未来多元情境分析工具，若后续可提供充分的水文、水质资料并全面排查沿河污染排放点，则可进一步提高模型对水质模拟结果的精确度。
[0084]
从现场调查情况来看，一方面顺德水道沿河有较多的支流汇入，故每隔一段河道会有水流的冲击从而导致河段溶解氧的提高；另一方面顺德水道某些河段的流速较快，故大气再曝气效果较好，因此综合考虑，顺德水道溶解氧含量较高，另外整体来看，断面的模拟值均处在历年统计数值的最大值与最小值之间，故模拟结果在合理范围内。
[0085]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0086]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。