滇池流域营养盐迁移转化全过程机理模拟、预测及优化调控技术,供应,水专项,监测与预警,监测与识别技术
技术简介/摘要
该项技术主要由两个部分构成:滇池流域营养盐迁移转化全过程模拟技术和基于非线性系统“模拟-优化”耦合模型的容量总量控制技术。这两项技术以流域产生的污染负荷与水体水质响应为研究对象,前者通过构建滇池流域水文与非点源地表过程模拟技术、滇池营养盐水质水动力过程模拟技术、复杂过程模拟模型参数估计与不确定性分析技术研究了营养盐在滇池流域迁移转化的全过程并最终对滇池水质的影响,后者通过受体模型的流域水污染源解析技术、贝叶斯递归回归树模型(BRRT)、强化区间线性规划模型(EILP),研究了在给定的水质目标下,滇池流域各个污染源的容量总量及其优化配置方案。此二者实现了由产生的污染负荷到滇池水质响应再到控制产生的污染负荷这一循环反馈过程。
(二)工艺流程:如图
(三)关键技术
该项技术主要由两个部分构成:滇池流域营养盐迁移转化全过程模拟技术和基于非线性系统“模拟-优化”耦合模型的容量总量控制技术。
1)滇池流域营养盐迁移转化全过程模拟技术
滇池流域营养盐迁移转化全过程模拟技术包括滇池流域水文与非点源地表过程模拟技术(以HSPF和SWAT为计算平台)和滇池营养盐水质水动力过程模拟技术(以EFDC为计算平台)两项模拟技术,并采用复杂过程模拟模型参数估计与不确定性分析技术进行模型参数估值。HSPF和EFDC通过流量、温度和营养盐浓度进行参数传递。
2)基于非线性系统“模拟-优化”耦合模型的容量总量控制技术
开发了受体模型的流域水污染源解析技术、贝叶斯递归回归树模型(BRRT)、强化区间线性规划模型(EILP)。其中,受体模型的流域水污染源解析技术采用时空分异性分析子模型把每个空间(或时间)样本当作1类,以样本的参数为变量,按照一定的量化规则将2类合并成1个新类Gr,直到满足分类要求为止。随后,则只需要针对各典型类进行机理模型的参数估计,再推广到同类其他水文单元,从而快速实现降雨—径流、非点源迁移转化的参数空间分异性。贝叶斯递归回归树(BRRT)模型,将采用全局随机搜索和局部贪婪算法相结合的方式,利用多元线性回归最终实现各叶节点的不确定性“X-Y”响应模拟。强化区间线性规划(EILP)模型针对强化区间不确定性变量与参数,在偏序集合范畴内证明目标函数(EIOF)的适宜区间 及期望值;通过分解EILP为两个子模型,将不确定性直接体现在优化框架中。
推广应用案例
实际应用案例介绍:
1)滇池流域营养盐迁移转化全过程模拟技术
滇池流域水文与非点源地表过程模拟以HSPF为计算平台,将滇池流域分为110个子流域分别进行校准,校准该模型采用的是1999~2005年的数据,验证该模型采用的是2006~2009年的数据。以盘龙江和宝象河流域为例说明了该模型的校准结果,包括流量校准和水质校准(TN和TP),几项主要污染物指标的模拟值与观测值基本吻合。
滇池营养盐水质水动力过程模拟以EFDC作为计算平台,其水质浓度的模拟采用逐日入湖负荷量核算结果,进行了年周期长时间系列的模拟,模拟结果与滇池每月一次的常规水质监测结果进行比较,其变化规律基本一致。同时,也采用2008年-2010年的数据资料进行了模拟验证,几项主要污染物指标的模拟值与观测值基本吻合。
2)基于非线性系统“模拟-优化”耦合模型的容量总量控制技术
基于非线性系统“模拟-优化”耦合模型的容量总量控制技术,可以得到滇池“流域-子流域”尺度容量总量分配优化方案。将110个子流域结果合并为8个控制单元,即松华坝水源保护区、城西草海汇水区、外海北岸重污染排水区、外海东北岸城市-城郊-农村复合污染区、外海东岸新城区、外海东南岸农业面源污染控制区、外海西南岸高富磷区、外海西岸湖滨散流区。本课题确定了滇池流域8个控制单元在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类水水质标准下的最大允许入湖量、最小削减量和削减率。
基于上述关键技术,结果表明:如果要实现外海III类水环境功能要求,滇池流域TN、TP陆域最大允许入湖负荷分别为2054吨/年和81吨/年(不含内源和大气沉降规模)。
相应地,预测得到不同水情条件(丰、平、枯)下滇池的水质响应,即2030年滇池TP浓度为0.045mg/L~0.048mg/L,TN浓度为0.87mg/L~0.93mg/L,滇池外海水质浓度均满足湖泊Ⅲ类水质目标。
工艺流程图: