一种渠道突发水污染事故限制扩散的调控方法

摘要

本发明公开了一种渠道突发水污染事故限制扩散的调控方法，在污染事故发生后可通过关闭下游节制闸，将污染物控制在闸内，通过计算下游各节制闸临界关闸时间，可判断关闭下游节制闸的具体位置，解决了无法确定关闭下游具体节制闸及何时关闭的问题，具有物理概念清晰、计算量小、结果直观等优点，可为渠道污染事故原位处置技术提供技术支撑。

说明书

技术领域

本发明涉及突发水污染事件应急处置领域，具体地指一种渠道突发 水污染事故限制扩散的调控方法。

背景技术

引水渠道跨越长度大，干渠交叉建筑物众多，易发生突发水污染事 件。突发水污染事故不同于一般的水污染，它没有固定的排放方式和排 放途径，是突然发生，瞬时或短时间内大量地排放污染物质，对环境造 成严重污染和破坏。其特点主要表现在事件发生的不确定性强、危害程 度高、管控难度大、处置时间紧等。突发水污染事故处置不当或不及时， 将会造成环境污染、生态破坏等危害，甚至发生停水、人员伤亡等。

目前所见关于突发污染事故的专利多为处置方法、模型预测、预警 系统等方面的专利，未见对渠道内污染物限制扩散方面的专利，如一种 基于云技术的突发性水环境风险预测系统及方法(CN104050388A)、基 于物联网的大型水域突发水污染应急处置系统和方法(CN103236020A)、 基于水动力约束原理的突发水污染生物预警装置及方法 (CN103149336A)、一种廊道式水质污染预警装置及预警方法 (CN103105398A)、突发水污染事件监控预警系统(CN102855526A)等。

实际上突发水污染事故发生后，为了方便快速处置、减少污染影响 的范围和程度，首先应限制污染物影响的范围，尽量减少受污染水体总 量。对渠道而言，可采用限制扩散的调控技术，即在一定时间内关闭下 游节制闸将污染物限制在闸内，然后再进行集中处置。

发明内容

本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种渠道突发 水污染事故限制扩散的调控方法，以使在突发水污染事故发生后，可快 速处置、减少污染影响范围和程度。

本发明的技术方案为：一种渠道突发水污染事故限制扩散的调控方 法，它包括以下步骤：

1)计算污染物泄漏点下游节制闸最晚关闸时间，该最晚关闸时间 即临界关闸时间，在所述临界关闸时间内关闭下游节制闸以将污染物限 制在下游节制闸内，所述临界关闸时间的计算方法为：

1.1)计算污染物泄漏至开始闭闸时间间隔t(min)内污染团峰值 输移距离D_v：

D_v＝60v_st              式1)

式1中，v_s为时间间隔t(min)内污染团峰值输移速度；

1.2)开始闭闸至水体静止污染团峰值输移距离D_R包扩两部分，即 节制闸完全关闭的时间t_close t_close(min)内水体输移距离D_M D_M和水流往复 污染团输移距离D_F D_F；

D_M＝0.5×60×v_st_close            式2)

D_F＝C_at_close+C_b                  式3)

D_R＝D_M+D_F＝0.5×60×v_st_close+C_at_close+C_b         式4)

式中：v_s为关闸前水流速度(m/s)；

C_a和C_b分别为拟合参数；

1.3)在T(T＝t+t_close)时间内污染团纵向长度W表示为：

$v=d\sqrt{{\sigma }_x^2}/\mathrm{dt}$                   式5)

$W=\underset{0}{\overset{T}{\int }}\mathrm{vdt}=C_c\sqrt{60}{(t+t_{\mathrm{close}})}^{0.5}$                   式6)

式中：v为污染团纵向拉伸速度，C_c为纵向拉伸系数；

1.4)计算临界关闸时间：

D_v+D_M+D_F+0.5W＜L                   式7)

式7)中：L为污染物泄漏点至下游节制闸的距离；

将式1)、式2)、式3)、式6)代入式7)即可得到一个关于t的非 线性方程：

${60v}_{s}t+0.5\times 60\times v_s{t}_{\mathrm{close}}+C_a{t}_{\mathrm{close}}+C_b+{0.5C}_c\sqrt{60}{\left({t+t}_{\mathrm{close}}\right)}^{0.5}<L$   式8)

利用式8)即可求得污染物泄漏点至开始闭闸的时间间隔t(min)， 即为临界关闸时间；

2)利用步骤1)计算污染物泄漏点下游第一个节制闸临界关闸时 间，若第一个节制闸临界关闸时间小于实际操作时间，则关闭该节制闸 将无法限制污染物在该节制闸内，需计算下游第二个节制闸临界关闸时 间；

3)以下节制闸依次类推，直至临界关闸时间大于实际时间，该节 制闸即为需要关闭的节制闸。

其中：式8)中污染物泄漏点至开始闭闸的时间间隔(t)使用迭 代法进行求解的方法为：

令函数f(t)为：

${f\left(t\right)=60v}_{s}t+0.5\times 60\times v_s{t}_{\mathrm{close}}+C_a{t}_{\mathrm{close}}+C_b+{0.5C}_c\sqrt{60}{\left({t+t}_{\mathrm{close}}\right)}^{0.5}-L$

则函数的导数f'(t)为：

$f^{\prime }\left(t\right)={60v}_s+0.25C_c\sqrt{60}{\left({t+t}_{\mathrm{close}}\right)}^{-0.5}$

$t_{n+1}=t_n-\frac{f\left(t_n\right)}{f^{\prime }\left(t_n\right)}$

当|t_n+1-t_n|小于某一微小变量，t_n+1即为临界关闸时间。

本发明的一种渠道突发水污染事故限制扩散的调控方法，解决了无 法确定关闭下游具体节制闸及何时关闭的问题，具有物理概念清晰、计 算量小、结果直观等优点，可为渠道污染事故原位处置技术提供技术支 撑。

具体实施方式

一种渠道突发水污染事故限制扩散的调控方法在intel fortran 11.1上开发，运行环境为Microsoft visual studio 2012，详细流程 如下，

1、首先输入基本参数，包括节制闸完全关闭时间t_close、纵向拉伸系 数C_c等参数；

2、计算污染物泄漏点下游第一个节制闸临界关闸时间，计算方法 为：

2.1)计算污染物泄漏至第一个节制闸开始关闭时的时间间隔t (min)内污染团峰值输移距离D_v：

D_v＝60v_st               式1)

式1中，v_s为时间间隔t(min)内污染团峰值输移速度，为已知 量；

2.2)第一个节制闸开始关闭至水体静止污染团峰值输移距离D_R包 扩两部分，即第一个节制闸完全关闭的时间t_close(min)内水体输移距离 D_M和水流往复污染团输移距离D_F；

D_M＝0.5×60×v_st_close                式2)

D_F＝C_at_close+C_b               式3)

D_R＝D_M+D_F＝0.5×60×v_st_close+C_at_close+C_b          式4)

式中：v_s为关闸前水流速度(m/s)，为已知量；

C_a和C_b分别为拟合参数，可根据水动力模拟结果拟合求出或者类比 相关工程给出；

t_close为第一个节制闸完全关闭时间，可根据节制闸的特性进行设置；

1.3)在T(T＝t+t_close)时间内污染团纵向长度W表示为：

$v=d\sqrt{{\sigma }_x^2}/\mathrm{dt}$                  式5)

$W=\underset{0}{\overset{T}{\int }}\mathrm{vdt}=C_c\sqrt{60}{(t+t_{\mathrm{close}})}^{0.5}$                   式6)

式中：v为污染团纵向拉伸速度，可参考《南水北调中线明渠段 事故污染特性模拟方法研究》；

C_c为纵向拉伸系数，可根据文献或者类比相关工程给出；

1.4)计算临界关闸时间：

D_v+D_M+D_F+0.5W＜L                式7)

式7)中：L即为污染物泄漏点至第一个节制闸的距离，可实际测 量得出；

将式1)、式2)、式3)、式6)代入式7)即可得到一个关于t的非 线性方程：

${60v}_{s}t+0.5\times 60\times v_s{t}_{\mathrm{close}}+C_a{t}_{\mathrm{close}}+C_b+{0.5C}_c\sqrt{60}{\left({t+t}_{\mathrm{close}}\right)}^{0.5}<L$   式8)

利用式8)即可求得污染物泄漏点至第一个节制闸开始关闭的时间 间隔t，该时间间隔t即为污染物泄漏点下游第一个节制闸临界关闸时 间；

3、第一个节制闸临界关闸时间小于实际操作时间，则关闭该节制 闸将无法限制污染物在第一个节制闸内，需计算下游第二个节制闸临界 关闸时间；

4、以下节制闸依次类推，直至临界关闸时间大于实际时间，该节 制闸即为关闭的节制闸；

5、最后输出闸址信息及其临界关闸时间。

式8)中污染物泄漏点至开始闭闸的时间间隔(t)可使用迭代法 进行求解，其求解方法为：

令函数f(t)为：

${f\left(t\right)=60v}_{s}t+0.5\times 60\times v_s{t}_{\mathrm{close}}+C_a{t}_{\mathrm{close}}+C_b+{0.5C}_c\sqrt{60}{\left({t+t}_{\mathrm{close}}\right)}^{0.5}-L$

则函数的导数f'(t)f'(t)为：

$f^{\prime }\left(t\right)={60v}_s+0.25C_c\sqrt{60}{\left({t+t}_{\mathrm{close}}\right)}^{-0.5}$

$t_{n+1}=t_n-\frac{f\left(t_n\right)}{f^{\prime }\left(t_n\right)}$

当|t_n+1-t_n|小于某一微小变量，t_n+1即为临界关闸时间。

临界关闸时间控制方程f(t)为非线性方程，方程含有多解，使用迭 代法进行求解可能会出现不符合物理现象的解，此时初始值的选取尤为 重要。为确保解的合理性，临界关闸时间可表示为污染物泄漏点至下游 节制闸距离L与水体流速v_s的比值。

本发明在污染事故发生后可通过关闭下游节制闸，将污染物控制在 闸内，通过计算下游各节制闸临界关闸时间，可判断关闭下游节制闸的 具体位置，解决了无法确定关闭下游具体节制闸及何时关闭的问题，具 有物理概念清晰、计算量小、结果直观等优点，可为渠道污染事故原位 处置技术提供技术支撑。