一种面向水环境质量监测的动态模拟污染物扩散的方法

摘要

本发明涉及一种面向水环境质量监测的动态模拟污染物扩散的方法，包括以下步骤：建立河流模型；然后按连续稳定排放模型或者瞬时排放模型计算某区段中测定点的当前污染物浓度；将当前污染物浓度与环保标准相对比，确定水质等级，并用颜色渲染河流模型中的该区段。本发明不受时间、地域限制，更重要的是不会真正造成水体污染，而且可随时模拟污染物扩散情况，从而对于找到规划工厂选址和城市发展的最佳方案提供强大的信息参考；可根据不同要求，设定众多参数，模拟不同情况下，污染物的扩散情况，从而满足不同的需求。

说明书

技术领域

本发明涉及水环境质量监测领域，具体的说是一种面向水环境质量监测的 可视化动态模拟污染物扩散的方法。

背景技术

水乃生命之源，水在自然环境和社会环境中，都是极为重要而活跃的因素。 水在不停的流动着，在人体里，在农田里，在工厂里，使整个世界充满生机和 活力，是这个世界最宝贵的财富。因此对水环境质量监测的研究具有重要的现 实意义。

近年来，随着全球环境气候的日益严峻,以及水污染事件的频发，世界各国 不断加大对环境保护的力度，面对如此形式，迫切需要通过环境信息化手段和 环境监测能力的提高来为政府相关部门在保护环境、规划社会发展等方面提供 决策所需要的信息支持。

在已有的水环境质量监测中，往往都是通过传感器不断监测水质，一旦监 测到水体遭到污染后采取相关应急措施，但是实际上已经造成了无法挽回的损 失。事实上可以合理规划工厂选址，尽可能减少造成水质污染的因素，因此现 有的水环境质量监测方法已经不能满足当今社会可持续发展的要求。

发明内容

针对上述技术不足，本发明提供的一种面向水环境质量监测的可视化动态 模拟污染物扩散的方法，可重复再现污染物对水质的影响，从而对社会的可持 续发展提供科学支持。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种面向水环境质量监测的 动态模拟污染物扩散的方法，包括以下步骤：

建立河流模型；然后按连续稳定排放模型或者瞬时排放模型计算某区段中 测定点的当前污染物浓度；将当前污染物浓度与环保标准相对比，确定水质等 级，并用颜色渲染河流模型中的该区段。

所述建立河流模型包括以下步骤：

步骤1)将河流的两岸构建成分别由若干线段首尾连接构成的两条曲线，然 后在两条曲线中间建立一条由若干线段构成河流中心线；

步骤2)确定中心线的起始点，并记下该点的坐标；从起始点沿河流流向依 次搜索若干个点，任意相邻的两点间距为设定步长；

步骤3)在表示两岸的两条曲线外侧选任意一点，并将该点在河流中心线上 进行映射得到映射点，将任选点与映射点连线并延伸成一条直线，以该直线与 两曲线以及河流中心线的交点为起点，沿河流方向、在曲线以及河流中心线上 每隔设定步长取点，直到曲线结束；将所取的各点连线并进行坐标转化，形成 网格状的河流模型。

所述连续稳定排放模型包括：按时间与污染物浓度的关系式和按距离与污 染物浓度的关系式。

所述按时间与污染物浓度的关系式为：

$C=C_0\exp \left[\frac{{u_x}^{2}t}{2D_x}(1-\sqrt{1+\frac{4K{D}_x}{u_x^2}})\right]$

其中，C₀为污染物在河流中的初始浓度Q为河流流量，C₁为河流中污染物的本底浓度，C₂为污水中的污染物浓度，q为排入河流的污水的 流量；C为污染物的浓度，D_x为纵向弥散系数，u_x为断面平均流速，K为污染物的 衰减速度，t为时间。

所述按距离与污染物浓度的关系式为：

$C=C_0\exp \left[\frac{u_{x}x}{2D_x}(1-\sqrt{1+\frac{4K{D}_x}{u_x^2}})\right]$

其中，C₀为污染物在河流中的初始浓度Q为河流流量，C₁为河流中污染物的本底浓度，C₂为污水中的污染物浓度，q为排入河流的污水的 流量；C为污染物的浓度，D_x为纵向弥散系数，u_x为断面平均流速，K为污染物 的衰减速度，x为污染源到当前点之间的距离。

所述瞬时排放模型为：

$C(x,t)=\frac{M}{2A_c{\left(\pi D_{L}t\right)}^{1/2}}\exp \left(\frac{-\mathrm{Kx}}{u}\right)\exp (-\frac{{(x-\mathrm{ut})}^2}{4D_{L}t})$

其中，x为污染源到当前点之间的距离，t为时间，C(x,t)为起始点源下游距 离x处、时间t时的浓度；u为河流流速，M为溶解的污染物总量，A_c为河流横断 面面积，D_L为河流纵向离散系数，K为衰减速度。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.可视化。污染物浓度值与环保标准相对比，确定水质等级，并用相应 颜色进行渲染。在系统上可以明显看到污染物浓度随时间、距离的变化而动态 呈现出不同的颜色。更加方便直观的展现污染物对环境的影响程度。

2.可重复。不受时间、地域限制，更重要的是不会真正造成水体污染， 而且可随时模拟污染物扩散情况，从而对于找到规划工厂选址和城市发展的最 佳方案提供强大的信息参考。

3.可设定。可根据不同要求，设定众多参数，模拟不同情况下，污染物 的扩散情况，从而满足不同的需求。

附图说明

图1为河流建模示意图。

图2为河流概化示意图。

图3为地图上选点并获得映射点示意图。

图4为切割河区形成面状区段示意图。

图5为模拟运行算法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明涉及一种面向水环境质量监测的可视化动态模拟污染物扩散的方 法。该方法主要是根据水环境质量监测的要求，设定待模拟河流、河流流速、 污染物类型、排放的污染物浓度、废水排放量等相关重要参数，其次，在地图 上沿河流拾取一个初始点，假定其为排放污染物的一个污染源，然后，依据不 同的模拟方式和模拟类型，进行可视化动态模拟污染物沿河流扩散的情况。

包括以下步骤：

步骤1：河流建模。将天然河流的两岸模型化为两条由一系列微小曲线段构 成曲线，并沿河流方向顺时针给每个曲线段赋予一个编号。另外在两岸中间建 立一条有一系列直线段构成河流中心线。

步骤2：河流概化。选定评价河流，根据河流的流向，确定河流的起始点， 并记下该点的坐标，然后沿着河流的方向将河流概化为一系列连续的小片段， 并且每个片段赋予一个编号。

步骤3：地图上选点并计算该点在河流中心上的映射点，设置参数，然后进 行坐标转化。

步骤4：根据步骤3中设定的模拟方式和模拟类型，进行相应的模型计算。

所述的计算模型包括连续排放稳定模型和瞬时排放模型。连续排放稳定模 型采用如下计算：

初始浓度：$C_0=\frac{Q{C}_1+q{C}_2}{Q+q}$

扩散浓度：

直接根据距离计算的公式：$C=C_0\exp \left[\frac{u_{x}x}{2D_x}(1-\sqrt{1+\frac{4K{D}_x}{u_x^2}})\right]$

忽略纵向弥散：C＝C₀exp[-(Kx/u)]

根据时间计算的公式：

(流速相差不大，大致可以认为匀速的情况下)

忽略纵向弥散：C＝C₀exp(-Kt)

C₀为污染物在河流中的初始浓度；Q为河流流量；C₁为河流中污染物的本底 浓度；q为排入河流的污水的流量；C₂为污水中的某污染物浓度；C为污染物的浓 度；D_x为纵向弥散系数；u_x为断面平均流速；K为污染物的衰减速度(衰减系数)； t为时间。

瞬时排放模型采用如下方式计算：在瞬时点源下游x距离处，t时间时，浓 度可按下式计算：

$C(x,t)=\frac{M}{2A_c{\left(\pi D_{L}t\right)}^{1/2}}\exp \left(\frac{-\mathrm{Kx}}{u}\right)\exp (-\frac{{(x-\mathrm{ut})}^2}{4D_{L}t})$

式中：C(x,t)为瞬时点源下游距离x处，时间t时的浓度，mg/L；u为河 流流速，m/s；M为溶解的污染物总量(小于或等于排放量)，g；A_c为河流横断面 面积，m²；D_L为河流纵向离散系数，m²/s；K为衰减系数。

所述的河流概化方法为：从河流中心线的起始点开始，搜索到第二个节点 (假定步长为100m)，若两点间的距离大于步长，根据步长在两点间插入节点， 使任意两点间的距离为100m，由两点生成一条线段并赋予一个编号；若距离小 于步长，继续搜索下一个节点，将两段合为一段，然后再依步长划分河段。依 次遍历河流上的节点，直至到最后一个节点。

所述的地图选点方法是：获取选定点的地理坐标并计算该点到河流中心线 的映射点，然后获得该映射点所在河流中心线区段的编号。

所述坐标变换是：采用西安80坐标系(代号2386)将点投影成平面坐标以 便进行几何计算，在平面坐标系内，按几何办法求点，将点拼成线后在投影回 去。

所述的模型计算的方法是：首先，从映射点至指定距离或者河流终点，过 每一个节点做一条垂线，相交于河岸两点，其次，根据交点所在线段编号由小 到大顺序，依次连接各个交点形成河流的面状片段，最后，根据指定模拟方式 (按时间或距离)和模拟类型(按连续稳定排放或瞬时排放)计算当前河流区 段的污染物浓度值，并将计算结果与环保标准相对比，确定水质等级，用相应 颜色进行渲染。

如图1所示，进行河流建模。将天然河流的两岸模型化为两条由一系列直线 段(可根据与实际河岸长度的比例关系设定)构成曲线，并沿河流方向顺时针 给每个直线段赋予一个编号(例如：RB_00000001，…)。为方便以后模型计算， 在两岸中间建立一条有一系列直线段构成河流中心线。

如图2所示，进行河流概化。根据河流的流向，确定河流的起始点，并记下 该点的坐标。从河流中心线的起始点开始，搜索到第二个节点(假定步长为 100m)，若两点间的距离大于步长，根据步长在两点间插入节点，使任意两点间 的距离为100m，由两点生成一条线段并赋予一个编号(例如：RC_00000001，…)； 若距离小于步长，继续搜索下一个节点，将两段合为一段，然后再依步长划分 河段。依次遍历河流上的节点，直至到最后一个节点。

如图3所示，地图上选择点，记做点S，首先判断点S是否在河流中心线上， 如果不在，则需要过点S向河流中心线作垂线段交河流中心线于点S’，从而得 到映射点S’。

如图4所示，从映射点至指定距离(按距离模拟)或者河流终点(按时间模 拟)，过每一个节点做一条垂线，相交于河岸两点，然后，根据交点所在河岸曲 线段编号顺河流方向由小到大顺序，依次连接各个交点形成河流的面状片段。

如图5所示，模拟运行算法。计算当前河流区段的污染物浓度值，并将计算 结果与环保标准相对比，确定水质等级，用相应颜色进行渲染。

本发明具体包括以下步骤：

步骤1：模拟运行算法数据初始化。设定参数例如排污口信息(污染物排放 量等)、河流基本信息(如流速等)和地图基本信息等。

步骤2：选择计算模型，如果是连续稳定排放模型，则转到步骤3，如果是 瞬时排放模型，则转到步骤4。

步骤3：依据连续稳定排放模型，首先，判断模拟方式，如果模拟方式是按 距离，则转到步骤4，如果模拟方式是按时间，则转到步骤5。

步骤4：初始浓度计算

直接根据距离计算扩散浓度：$C=C_0\exp \left[\frac{u_{x}x}{2D_x}(1-\sqrt{1+\frac{4K{D}_x}{u_x^2}})\right]$

忽略纵向弥散：C＝C₀exp[-(Kx/u)]

根据此公式计算出的浓度一直保持这个值。然后，转到步骤7。

步骤5：根据时间计算的公式：

(流速相差不大，大致可以认为匀速的情况下)

忽略纵向弥散：C＝C₀exp(-Kt)

式中：C₀为污染物在河流中的初始浓度；Q为河流流量；C₁为河流中污染物 的本底浓度；q为排入河流的污水的流量；C₂为污水中的某污染物浓度；C为污染 物的浓度；D_x为纵向弥散系数；u_x为断面平均流速；K为污染物的衰减速度(衰 减系数)；t为时间。

根据公式计算完后，转到步骤7。

步骤6：依据瞬时排放模型计算当前位置到最新步长的污染物浓度值，在 瞬时点源下游x距离处，t时间时，浓度可按下式计算：

$C(x,t)=\frac{M}{2A_c{\left(\pi D_{L}t\right)}^{1/2}}\exp \left(\frac{-\mathrm{Kx}}{u}\right)\exp (-\frac{{(x-\mathrm{ut})}^2}{4D_{L}t})$

式中：

C(x,t)为瞬时点源下游距离x处，时间t时的浓度，mg/L；u为河流流速， m/s；M为溶解的污染物总量(小于或等于排放量)，g；A_c为河流横断面面积，m²； D_L为河流纵向离散系数，m²/s；K为衰减系数。

用此公式计算时，计算同一位置不同时间的浓度转到步骤7。

步骤7：如果未达到最大步长，将计算结果对比环保标准，确定水质等级， 并用相应颜色渲染当前区段，重新转到步骤2，否则模拟结束。