凤亭河水库纳污能力智能化计算研究_彭斌.pdf

广西水利水电 GUANGXI WATER RESOURCES&HYDROPOWER ENGINEERING 2023（1）收稿日期2022-12-12基金项目广西科学研究与技术开发计划重点研发项目 基于卫星遥感影像的河流水库水质污染预警应用技术研究（桂科AB22080046）作者简介彭斌（1967-），男，重庆人，广西壮族自治区水文中心高级工程师，主要从事水文分析预报工作。水库纳污能力（污染物承载能力）具有社会和自然双重属性，是实施河长制湖长制管理目标的重要依据，所以计算水库纳污能力具有重要意义。本文在河长制水质水量评价服务系统平台上开发水库纳污能力智能化计算模型，并以凤亭河水库为例来计算水库氨氮、总氮纳污能力并验算其准确性，以期为广西河长制湖长制管理决策提供智能快捷的可视化服务信息。1水库纳污能力计算模型1.1水库非均匀混合模型当水库出现某污染物，而且污染物仅出现在排污口附近水域且非均匀混合时，纳污能力的计算公式1如下：M=（Cs-C0）exp(KhLr22Qp)Qp（1）式中：Cs为水库水质目标浓度值，mg/L；C0为水库初始断面污染物浓度，mg/L；K为污染物综合衰减系数，s-1；为扩散角，当排污口在水库开阔岸边垂直排放时，=；hL为水库扩散区平均水深，m；r为计算水域外边界到入河排污口的距离，m；Qp为排污口废污水排放流量，m3/s。1.2富营养水库纳污能力计算模型当水库出现富营养化趋势时，可选取总氮作为水库富营养化指标，纳污能力的计算公式1如下：MN=LSA（2）LS=PshQa/（1-Rp）V（3）式中：MN为水库总磷纳污能力，t/a；LS为水库总磷单位面积的纳污能力，mg/（m2a）；A为水库水面积，m2；Ps为水库总磷的年平均控制浓度，g/m3；h为水库计算水域的平均水深，m；Qa为水库出流水量，亿m3/a；Rp为总磷在水库中的滞留系数，a-1；V为水库容积，m3。2纳污能力计算智能化模型设计及运用2.1纳污能力计算智能化模型设计原理在河长制水质水量评价服务系统平台上开发水域纳污能力计算智能化模型，采用RESTful技术架构，该技术架构是目前较为先进和主流的架构技术，能够实现前后端分离，使得前端的复杂需求和后端的数据及业务流相互独立，实现短期内业务功能的开发。针对界面逻辑元素和数据结构编写双重需求采用Java和vue语言和面向服务的（B/S）架构，将水域纳污能力计算模型及有关的数据、信息封装成相对独立的组件，并打包成为水域纳污能力计算组件库；将水域纳污能力计算组件库在河长制水质水量评价服务系统平台注册并发布服务，同时凤亭河水库纳污能力智能化计算研究彭斌，吕俊，唐婕，黄小芸(广西壮族自治区水文中心，南宁530023)摘要在河长制水质水量评价服务系统平台上开发智能化的水库纳污能力计算模型，并运用该模型对凤亭河水库氨氮、总氮纳污能力的智能化计算结果进行验算及分析。得出2021年凤亭河水库氨氮、总氮纳污能力比2020年减少的主要原因是水库氨氮、总氮污染物浓度有所升高，计算分析结果表明该模型准确快捷可视，提升了服务河湖管理的智能化水平。关键词氨氮；总氮；纳污能力；智能化计算；凤亭河水库中图分类号X524；X26文献标识码A文章编号1003-1510（2023）01-0006-03 新技术研究与应用 6DOI:10.16014/ki.1003-1510.2023.01.029广西水利水电 GUANGXI WATER RESOURCES&HYDROPOWER ENGINEERING 2023（1）提供对外访问接口。建立基于河长制水质水量评价服务系统可视化综合集成支持平台的水域纳污能力计算智能化模型，从而提升水域纳污能力实时计算的智能化水平。2.2纳污能力计算智能化模型运用根据河流湖库的实际情况，系统提供不同类型的水质模型可供选择。纳污能力计算模块通过对水域进行概化，根据河流或水库水质站区划和环境管理（不同区域、不同发展期）的要求，确定水质控制目标，结合河流湖库的相关水文信息、污染物降解特征来调用水质模型，分别计算河流湖库特征污染物的纳污能力，系统水域纳污能力计算智能化示意图见图1。图1河长制水质水量评价服务系统水域纳污能力计算智能化示意图3水库纳污能力计算分析3.1水库选取概况选取近年水质下降或营养化程度加重的水库作为典型水库进行纳污能力计算。凤亭河水库位于广西壮族自治区南宁市良庆区大塘镇和上思县东屏乡境内，是以灌溉为主，兼有防洪、发电、饮用功能的大（2）型水库。与2020年相比，2021年凤亭河水库水质有所下降，而且营养状态指数接近轻度富营养状态，造成水库水质下降和富营养化的主要影响因子分别为氨氮和总氮，因此，选取氨氮和总氮作为计算凤亭河水库纳污能力的主要水质参数，采用不同模型分别计算凤亭河水库氨氮和总氮的纳污能力。3.2计算参数的设定凤亭河水库氨氮和总氮纳污能力计算参数分别见表1、表2。3.3水库纳污能力计算分析3.3.1水库氨氮和总氮纳污能力计算智能化（1）当某污染源（入河排污口）废污水排入凤亭河水库，污染水域的氨氮非均匀混合，造成水库氨氮浓度升高时，运用河长制水质水量评价服务系统，选择湖库混合的非均匀混合模块，将凤亭河水库氨氮入库断面浓度及有关参数输入运算模块中，得到凤亭河水库2020、2021年氨氮纳污能力智能化计算结果分别为38.21、12.95 t/a（见图2）。表1凤亭河水库氨氮纳污能力计算参数年份20202021初始断面污染物浓度C0/（mg/L）0.1770.611水质目标浓度值CS/（mg/L）1.001.00氨氮综合衰减系数K/（1/s）0.1100.110扩散角/3.143.14扩散区水库平均水深hL/m5.684.24水域外边界到入河排污口距离r/m0.6820.669废污水排放流量Qp/（m3/s）0.8730.625表2凤亭河水库总氮纳污能力计算参数年份20202021总氮年平均控制浓度Ps/（mg/L）1.001.00扩散区水库平均水深hL/m5.684.24年出流水量Qa/（亿m3/a）1.100.98年出流的总氮平均浓度Pa/（mg/L）0.5331.070年入流的总氮平均浓度Pi/（mg/L）0.4640.741年出库的总氮量W出/（t/a）63.5486.38年入库的总氮量W入/（t/a）53.9957.95总氮在水库中的滞留系数Rp/（1/a）-0.18-0.49设计水文条件下的水库容积V/m32.701.73单位水面积的总氮水域纳污能力LS/（mgm-2a-1）1.971.61水库水面积A/m223.2315.887彭斌，吕俊，唐婕，黄小芸:凤亭河水库纳污能力智能化计算研究（2）运用河长制水质水量评价服务系统，选择湖库富营养化的非库湾模块，将水库总氮控制浓度及有关参数输入运算模块中，得到凤亭河水库2020、2021年总氮纳污能力智能化计算结果分别为45.68、25.59 t（见图3）。图2凤亭河水库氨氮纳污能力智能化计算结果3.3.2计算结果的人工验算与分析（1）人工运用Excel的编辑功能将较为繁琐的纳污能力计算解析式进行编辑，分别将水库氨氮、总氮及参数输入相关公式进行计算，计算得凤亭河水库2020、2021年氨氮纳污能力结果分别为38.20、13.00 t/a，2020、2021年总氮纳污能力结果分别为45.70、25.60 t。使用河长制水质水量评价服务系统智能化计算凤亭河水库氨氮、总氮纳污能力与人工运用Excel编辑解析式的计算结果一致，说明运用系统计算水库纳污能力的结果准确快捷。（2）凤亭河水库网箱养鱼、农业面源污染、生活污水直接排放，造成2021年氨氮、总氮污染物浓度比2020年分别上升2.45、1.01倍，2021年凤亭河水库水质由2020年的类下降为类，2021年凤亭河水库营养状态指数比2020年上升11.1%。（3）2021年凤亭河水库氨氮、总氮纳污能力比2020年分别降低66.0%、44.0%，导致凤亭河水库氨氮、总氮纳污能力降低的主要原因是氨氮、总氮污染物浓度升高。4结语（1）在河长制水质水量评价服务系统平台上开发污染物纳污能力计算模型，并运用该模型计算出凤亭河水库的氨氮、总氮纳污能力，通过验算证明该模型计算结果准确快捷，解决了以往采用解析式计算较为繁琐耗时的问题，进一步提升了河长制水质水量评价服务系统的智能化水平。（2）2021年凤亭河水库氨氮、总氮纳污能力比2020年降低主要是水库网箱养鱼、农业面源污染、生活污水直接排放造成氨氮、总氮污染物浓度升高导致的。（3）纳污能力大小在很大程度上决定区域水资源的承载状态2，应加大对凤亭河水库网箱养鱼综合整治力度，推广测土配方施肥技术，推广绿色防控技术，减少化学肥料以及农药施用量，加快推进农村生活污水治理，提高凤亭河水库水资源的承载能力，保障水库水资源的持续利用。参考文献1GB/T25173-2010，水域纳污能力计算规程S.2王春泽，乔光建，等.水文知识读本（第三分册）M.北京：中国水利水电出版社，2011.（责任编辑：刘征湛）图3凤亭河水库总氮纳污能力智能化计算结果（英文摘要下转第 21 页）8广西水利水电 GUANGXI WATER RESOURCES&HYDROPOWER ENGINEERING 2023（1）常值进行过滤处理，优化算法，或配置更高清摄像头和亮度更强的补光措施提高测验精度。（3）当前系统平台在实时数据查询、整编方面功能偏弱，建议按照 水文资料整编规范（SL/T247-2020）和 河流流量测验规范（GB 50179-2015）要求，生成用于资料整编的时间、水位、流量格式和测深记载及流量计算表（水面浮标法），便于水文工作者开展日常资料整编和研究分析工作。6结语邹圩（二）水文站视频影像AI测流系统经与流速仪常测法比测，取得了较为理想的比测成果。通过率定分析，数据拟合较好，通过曲线检验，认为视频影像AI测流技术在邹圩（二）水文站使用可行。因该项技术具有全天候、非接触、可视化、适用性强等优点，可尝试推广在河宽100 m左右，中泓稳定，流速较大并具备网络宽带和市电的水文站使用，提升水文站现代化技术应用和先进设备配备，实现流量在线监测和远程可视化管理。（责任编辑：刘征湛）Measurement and analysis of river surface flow field based on videoimage AI technologyQIN Zhuang-quan(Hydrology Center of Guangxi Zhuang Autonomous Region,Nanning 530023,China)Abstract:For the on-line flow monitoring at Zhouxu(II)Hydrological Station,the results of comparative measurement respectively by video image AI flow measurement and conventional cableway current meter method were analyzed and studied.The correlation between virtual flow and actual measuring flow of calibrated section conforms tohydrological specification.The results of study demonstrate that on-line flow monitoring based on video image AIflow measurement technology is feasible at Zhouxu(II)Hydrological Station.Key words:Video image AI flow measurement technology;flow;calibration analysis;Z