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1、10申请公布号CN104077487A43申请公布日20141001CN104077487A21申请号201410315149922申请日20140704G06F19/00201101C02F9/1420060171申请人南京大学地址210023江苏省南京市栖霞区仙林大道163号72发明人张瑞斌钱新高海龙朱文婷54发明名称一种利用水质模型模拟优选水质改善方案的方法57摘要本发明公开了一种利用水质模型模拟优选水质改善方案的方法，属于水污染控制领域。其步骤为1应用QUAL2K模型模拟河流水动力与水质，对模型参数进行校准与验证；2在河流岸边采用挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物绳三种水处理技术分别处理。
2、河水；3通过水处理现场实验数据，计算得出挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物绳三种水处理技术的降解系数；4由挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物绳三种技术排列组合为六种水质改善方案，采用现场实验得到的降解系数，通过QUAL2K模型模拟六种不同的水处理技术组合方案；5计算各种方案末端出水的负荷削减率，采用层次分析法综合评价选取最优组合方案。通过本发明的运用，可以有效解决水质改善方案优化选择的问题，为环境管理部门提供决策支持。51INTCL权利要求书2页说明书5页附图1页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书5页附图1页10申请公布号CN104077487ACN1040774。
3、87A1/2页21一种利用水质模型模拟优选水质改善方案的方法，其步骤为1应用QUAL2K模型模拟河流水动力与水质，对模型参数进行校准与验证；2在河流岸边采用挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物绳三种水处理技术分别处理河水；3通过水处理现场实验数据，计算得出挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物绳三种水处理技术的降解系数；4由挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物绳三种技术排列组合为六种水质改善方案，采用现场实验得到的降解系数，通过QUAL2K模型模拟六种不同的水处理技术组合方案；5计算各种方案末端出水的负荷削减率，采用层次分析法综合评价选取最优组合方案。2根据权利要求1所述的一种利用水质模型模拟优选水质改善方。
4、案的方法，其特征在于将水处理技术现场实验得到的降解系数输入水质模型，采用QUAL2K模型模拟水质改善方案。3根据权利要求1所述的一种利用水质模型模拟优选水质改善方案的方法，其特征在于沉水植物沉床、挺水植物浮床、生物绳三种水处理技术的降解系数通过现场实验实测数据计算获得。4根据权利要求1所述的一种利用水质模型模拟优选水质改善方案的方法，其特征在于通过水质模型模拟方法对水质改善方案进行优化选择。5根据权利要求1所述的一种利用水质模型模拟优选水质改善方案的方法，其特征在于通过该方法的运用，能在多种水处理技术的众多组合方案中优选出效果最优方案，有效解决水质改善方案优化选择的问题，为环境管理部门提供决策。
5、支持。6一种利用水质模型模拟优选水质改善方案的方法，其步骤为1应用QUAL2K模型模拟河流水动力与水质，对模型参数进行校准与验证；2在河流岸边采用挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物绳三种水处理技术分别处理河水；3通过水处理现场实验数据，计算得出挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物绳三种水处理技术的降解系数；4由挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物绳三种技术排列组合为六种水质改善方案，采用现场实验得到的降解系数，通过QUAL2K模型模拟六种不同的水处理技术组合方案；5计算各种方案末端出水的负荷削减率，采用层次分析法综合评价选取最优组合方案；上述步骤15具体优选步骤如下1通过实地调查与资料收集，获取河流模拟。
6、所需的水动力水质数据，包括流量、流速、河宽、河深、生化需氧量BOD、氨氮NH3N、硝氮NO3N、总氮TN、无机磷、总磷TP。应用QUAL2K模型对河流的水动力与水质进行模拟，并与实测数据进行对比分析，进行河流水质模型参数的校准与验证；2在河流岸边采用挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物绳三种水处理技术分别处理河水。实验装置采用有机玻璃水箱，实验安排在气温变化不大、植物生长旺盛、微生物增殖较快的春夏季节。挺水植物采用真空塑料水面浮床种植于有机玻璃水箱，沉水植物使用塑料筛固定于水箱中，生物绳横纵间隔一定距离悬挂并固定在水箱中。通过恒流泵控制实验装置中的水流流量，使流速与河流平均流速相同，采样后现场对每。
7、个技术单元进、出水水质进行监测；3通过水处理现场实验，得到3种技术对BOD、NH3N、NO3N、有机氮、有机磷、无机磷的处理结果数据，采用一级动力学反应方程计算得出各水处理技术对污水处理厂尾水中主要水质指标的降解系数，包括BOD氧化速率、氨氮硝化速率、硝氮反消化速率、有机氮水解速权利要求书CN104077487A2/2页3率、有机磷水解速率、无机磷吸收速率。由于实验用水为河流现场取水，实验设计流速与河流流速一致，因此水质状况相同、水动力状况相似，计算得到的参数应用于河流水处理技术模拟是合理可靠的；一级动力学反应方程，即CC0EKT，式中T为反应时间，D；K为氨氮降解系数，1/D；C为T时刻测定。
8、的污染物浓度，MG/L；C0为污染物的初始浓度，MG/L。由式可得降解系数KT1LNC0/C。根据初始浓度与测定结果浓度比值的自然对数与时间天线性回归，得到降解方程，斜率为降解系数；4在不同河段设置不同技术的降解系数，代表模拟不同的水处理技术。将河流划分为3个河段，把各水处理技术的降解系数输入水质模型中对应河段，代表模拟各种不同的组合方案。挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物绳可排列组合为6种水质改善方案。根据现场实验得到的降解系数设定各河段主要水质参数，采用QUAL2K模型模拟6种水质改善方案分别在河流中的实施；QUAL2K模型是美国环保局研发的QUAL系列水质模型的最新版本，是一个综合性、多样。
9、化的河流水质模型，适用于模拟完全混合的枝状河流水质。该模型可用于模拟流域枝状河网，它既可以用作为稳态模型，也可以用作为时变的动态模型。5由模拟结果计算得出各种方案对主要水质指标的负荷削减率，选取BOD、NH3N、NO3N、有机氮、有机磷、无机磷主要水质指标建立水质改善方案效果评估指标体系，然后采用比率标度法计算得出各水质因子的权重系数，最后通过层次分析法综合评价选取最优水质改善方案。权利要求书CN104077487A1/5页4一种利用水质模型模拟优选水质改善方案的方法技术领域0001本发明涉及污染河流水质改善方案的优化选择方法，具体地说是一种利用水质模型模拟方法对水质改善方案进行优化选择的方法。
10、。背景技术0002污水处理技术根据处理原理的不同，分为物理方法、化学方法和生态方法三大类。过去几十年，物理、化学方法在国内外应用广泛，取得了较好的水质净化效果。物理方法虽然工艺设备简单、易于操作，处理效果明显，但往往治标不治本；化学方法虽然操作简单，用量少，治理见效快，一般作为应急方案，但成本较高，容易引起二次污染。因此，近年来生态处理方法得到极大关注与广泛应用。0003生态处理方法是国内外近年来发展很快的一种新技术，它利用培育的植物或培养、接种的微生物的生命活动，对水中污染物进行转移、转化及降解，从而使水体得到净化，具有处理效果好、工程造价相对较低、能耗低、运行成本低廉的优点。生态处理法主要。
11、包括投加菌种法、曝气复氧法、生物膜法、水生植物净化法、人工湿地技术、生态浮床。000420世纪末，国内外学者开始研究污水处理技术的综合评价，其方法主要包括灰色系统评价、层次分析法评价、效益评价指数模型评价、模糊综合评价及多种方法耦合应用。近几年，国外学者就生态环境问题进行了多方面、多角度、全方位、定量化的评价研究。学者一般从经济、社会、环境三个方面选择具有代表性的多项综合评估指标，根据层次分析法确定各项指标的权重，再采用灰色评估法建立了城市污水处理工程综合评估模型。国内针对污水处理效果的综合评价和应用大多是采用层次分析法和模糊综合评价，而且均是针对污水处理工程实施后的效果评价，忽略了污水处理工。
12、程实施前的优选评估，在环境管理实践中缺乏实用性与前瞻性。0005目前的水处理效果评价方法主要是针对单项技术或者某项方案处理效果的评价，或者多种技术处理效果的比较，忽略了污水处理工程实施前的优选评估，而且对于多种技术不同排列组合方案的优选评估方法目前尚未有报道。因此，亟需发明出实用有效的多种技术不同组合方案的定量优选评估方法，为河流水质改善技术组合方案的优选评估提供依据。0006近年来，美国环保局研发的一维河流水质模型QUAL2K模型在河流、流域水质模拟预测中应用广泛，QUAL2K模型能够较全面的反映污水中氮、磷、藻类、微生物的迁移转化，用于模拟低污染水的水动力水质变化过程是准确可靠的。因此，本。
13、发明采用QUAL2K模型，对河流水质改善方案进行模拟优选，为环境管理部门水污染治理方案的选择提供一种新的方法。发明内容00071发明要解决的技术问题0008本发明的目的是提供一种利用水质模型优化选择河流水质改善方案的方法。采用说明书CN104077487A2/5页5水质模型模拟多种水处理技术排列组合的各种水质改善方案，通过层析分析法综合评价筛选出效果最优方案，为环境管理部门提供决策支持，该方法可以有效解决水质改善方案优化选择的问题。00092技术方案0010一种利用水质模型模拟优选水质改善方案的方法，其步骤为1应用QUAL2K模型模拟河流水动力与水质，对模型参数进行校准与验证；2在河流岸边采用。
14、挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物绳三种水处理技术分别处理河水；3通过水处理现场实验数据，计算得出挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物绳三种水处理技术的降解系数；4由挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物绳三种技术排列组合为六种水质改善方案，采用现场实验得到的降解系数，通过QUAL2K模型模拟六种不同的水处理技术组合方案；5计算各种方案末端出水的负荷削减率，采用层次分析法综合评价选取最优组合方案。通过本发明的运用，可以有效解决水质改善方案优化选择的问题，为环境管理部门提供决策支持。00111通过实地调查与资料收集，获取河流模拟所需的水动力水质数据，包括流量、流速、河宽、河深、生化需氧量BOD、氨氮NH3N。
15、、硝氮NO3N、总氮TN、无机磷、总磷TP。应用QUAL2K模型对河流的水动力与水质进行模拟，并与实测数据进行对比分析，进行河流水质模型参数的校准与验证。00122在河流岸边采用挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物绳三种水处理技术分别处理河水。实验装置采用有机玻璃水箱，实验安排在气温变化不大、植物生长旺盛、微生物增殖较快的春夏季节。挺水植物采用真空塑料水面浮床种植于有机玻璃水箱，沉水植物使用塑料筛固定于水箱中，生物绳横纵间隔一定距离悬挂并固定在水箱中。通过恒流泵控制实验装置中的水流流量，使流速与河流平均流速相同，采样后现场对每个技术单元进、出水水质进行监测。00133通过水处理现场实验，得到3种技。
16、术对BOD、NH3N、NO3N、有机氮、有机磷、无机磷的处理结果数据，采用一级动力学反应方程计算得出各水处理技术对污水处理厂尾水中主要水质指标的降解系数，包括BOD氧化速率、氨氮硝化速率、硝氮反消化速率、有机氮水解速率、有机磷水解速率、无机磷吸收速率。由于实验用水为河流现场取水，实验设计流速与河流流速一致，因此水质状况相同、水动力状况相似，计算得到的参数应用于河流水处理技术模拟是合理可靠的。0014一级动力学反应方程，即CC0EKT，式中T为反应时间，D；K为氨氮降解系数，1/D；C为T时刻测定的污染物浓度，MG/L；C0为污染物的初始浓度，MG/L。由式可得降解系数KT1LNC0/C。根据初。
17、始浓度与测定结果浓度比值的自然对数与时间天线性回归，得到降解方程，斜率为降解系数。00154在不同河段设置不同技术的降解系数，代表模拟不同的水处理技术。将河流划分为3个河段，把各水处理技术的降解系数输入水质模型中对应河段，代表模拟各种不同的组合方案。挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物绳可排列组合为6种水质改善方案。根据现场实验得到的降解系数设定各河段主要水质参数，采用QUAL2K模型模拟6种水质改善方案分别在河流中的实施。0016QUAL2K模型是美国环保局研发的QUAL系列水质模型的最新版本，是一个综合性、多样化的河流水质模型，适用于模拟完全混合的枝状河流水质。该模型可用于模拟流域枝说明书CN。
18、104077487A3/5页6状河网，它既可以用作为稳态模型，也可以用作为时变的动态模型。00175由模拟结果计算得出各种方案对主要水质指标的负荷削减率，选取BOD、NH3N、NO3N、有机氮、有机磷、无机磷主要水质指标建立水质改善方案效果评估指标体系，然后采用比率标度法计算得出各水质因子的权重系数，最后通过层次分析法综合评价选取最优水质改善方案。0018层次分析法是用系统分析的方法，对评价对象依评价目的所确定的总评价目标进行连续性分解，得到各级各层评价目标，并以最下层指标作为衡量目标达到程度的评价指标。然后依据这些指标计算出一个综合评分指数对评价对象的总评价目标进行评价，依其大小来确定评价对。
19、象的优劣等级。0019比率标度法主要用于人们估计事物的质量区别，一般可以用5种判别很好地表示出来，当需要更高的精度时，还可以在相临判别之间做出比较，从而形成9种判别，用数量表示就是9个标度参见表1。0020表1标度及其含义00210022根据比率标度法，得到各种指标的成对比较判断优选矩阵，按公式1计算初始权重系数。00230024按公式2计算归一化权重系数。00250026将公式2计算得到的权重系数，代入AIW1R1W2R2WMRMI1，224，M1，2，得到各方案的负荷削减效果综合评价指数值。其中AI为第I个方案负荷削减效果综合评价指数值，M为水质因子个数，R为子各水质因子去除率，W为各水质。
20、因子权重系数。00273本发明的有益效果0028通过本发明的运用，能在多种水处理技术的众多组合方案中优选出效果最优方案，有效解决水质改善方案优化选择的问题，提供环境管理部门决策参考，避免效果不佳或不能达到预期目标的设计方案得以实施，节约人力、物力、财力，使社会、经济、环境效益最大化。附图说明说明书CN104077487A4/5页70029图1本发明的技术流程框图。0030图2水处理现场实验设计示意图，其中1代表水泵，2代表初沉池，3代表恒流泵，4代表入流，5代表挺水植物浮床，6代表沉水植物沉床，7代表生物绳，8代表出流。具体实施方式0031以太湖流域河网地区红旗河为例，应用本发明方法进行了水质。
21、改善方案的优化选择。红旗河位于武进区洛阳镇，西起马弛站浜，东入武进港，全长168KM，河宽平均16M，河深平均168M，水流缓慢。应用QUAL2K模型模拟红旗河的水动力与水质，进行参数校验。0032实验设计见图2。在红旗河岸边，采用挺水植物浮床、采用沉水植物沉床、生物绳分别对河水进行处理。实验在长60CM、宽40CM、高50CM的水缸中进行，设计的水深40CM，出流流量使每个装置的水力停留时间是1天。首先用水泵将河水抽入初沉池，沉淀一天，然后流入挺水植物浮床、沉水植物沉床、生物绳三个实验装置中。挺水植物床种植美人蕉，植株高度范围在2030CM，设置横纵间隔均为15CM左右，采用真空塑料水面浮床。
22、固定于竹制框架上，在水箱中种植12株美人蕉。沉水植物床种植金鱼藻06KG，使用塑料筛固定于水箱中。生物绳采用日本TBR株式会社研发的PPK45型，生物绳上下两端固定在竹制框架上，设置横纵间隔均为10CM，在水箱中安装长度04M的生物绳24根，生物绳设置好后，将竹制框架放置于水箱中。0033通过实验监测的进水浓度和出水浓度，采用一级动力学反应方程计算得到各水处理技术的主要水质降解系数，包括BOD氧化速率、氨氮硝化速率、硝氮反消化速率、有机氮水解速率、有机磷水解速率、无机磷吸收速率。由挺水植物浮床、采用沉水植物沉床、生物绳三种技术排列组合为六种方案，见表2所示。0034表2三种技术组合的水质改善方。
23、案00350036将河流分划分为上游、中游、下游三段，每段05KM。根据现场实验得到的降解系数设定各河段主要水质参数，主要降解系数分别为BOD氧化速率、氨氮硝化速率、硝氮反硝化速率、有机氮水解速率、有机磷水解速率、无机磷吸收速率。采用QUAL2K模拟六种水质改善方案，得到各方案的水质指标出水浓度。根据水质改善方案模拟结果与河流末端出水浓度，计算得到各方案主要水质因子的削减率见表3所示。0037表3各方案末段出水主要水质因子的削减率0038说明书CN104077487A5/5页80039选取BOD、NH3N、NO3N、有机氮、有机磷、无机磷6个水质指标建立水质改善方案效果评估指标体系。采用比率标。
24、度法，计算得到BOD、NH3N、NO3N、有机氮、有机磷、无机磷的权重系数分别为023、032、010、015、009、011。0040将权重系数代入AIW1R1W2R2WMRM得到方案、的负荷削减效果评价指数值分别为041，040，038，036，037，038，六种方案对红旗河的处理效果由强到弱依次为、。方案依次设计生物绳、挺水植物浮床、沉水植物沉床对红旗河负荷削减效果最佳。而且由、处理效果均较强可知，上游设置生物绳技术处理效果较好。0041以上所述，仅是本发明的实施案例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。说明书CN104077487A1/1页9图1图2说明书附图CN104077487A。