一种基于水量水质耦合模型的突发性水污染事件应对方法

摘要

本发明公开了一种基于水量水质耦合模型的突发性水污染事件应对方法，包括模拟河网水动力模型，模拟河网水质模型和河网水动力模型与水质模型的耦合。本发明中，利用实测资料对模型参数进行率定，依托产汇流子模型和河网及闸坝调度子模型的水量模拟，依托不同水质模块子模型，对河流水体进行模拟的水质模拟，实现重点河段水量变化、取排水变化和水污染过程要素单独或协同变化条件下的河网水质高精度模拟，在水质监测信息系统建设的基础上，利用计算机技术、网络技术、数据交换技术等实现水文、水质和污染源等监测数据、基础数据进行整合和汇集管理，为突发性水污染事件的处理提供指导。

说明书

技术领域

本发明涉及水环境模拟技术领域，特别涉及一种基于水量水质耦合模型的突发性水污染事件应对方法。

背景技术

环境是人类赖以生存和发展的基本条件，环境污染问题已经成为威胁人类生存的头号问题之一，尤其是水环境污染更是直接危及到人类的生命和健康。近些年来，突发性水污染事件频繁发生，已引起社会的广泛关注和各级政府的高度重视。为此，需要开发一套计算高效、方便易行且适用于水文水环境耦合模拟模型，适用于突发性水污染事件发生的快速准确定位，与复杂环境条件下发生的突发性水污染事件的预警预报。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明可以解决，现有无法对突发性水污染事件进行预警预报，无法为突发性水污染事件的处理提供指导的难题。

(二)技术方案

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案，一种基于水量水质耦合模型的突发性水污染事件应对方法，具体包括以下步骤：

S1，模拟河网水动力模型：利用实测资料对模型参数进行率定，依托产汇流子模型和河网及闸坝调度子模型的水量模拟；

S2，模拟河网水质模型：依托不同水质模块子模型，对河流水体进行模拟的水质模拟，实现重点河段水量变化、取排水变化、和水污染过程要素单独或协同变化条件下的河网水质高精度模拟；

S3，河网水动力模型与水质模型的耦合：在水质监测信息系统建设的基础上，利用计算机技术、网络技术、数据交换技术等实现水文、水质和污染源等监测数据、基础数据进行整合和汇集管理，构建水量水质耦合模型。

作为本发明的一种优选技术方案，所述S1中，具体包括以下步骤：

S110，构建河网水动力模型基本结构，河网水动力模型由四大模块组成，即数据文件模块、产汇流模块、主计算模型模块和计算结果输出模块，各模块又包括若干子模块；

S120，构建河网水动力数学模型，河网水动力学模型的基本方程为扩展后的Saint-Venant方程，具体表达式如下：

①和②式中，Q为流量；h为水位；A为有效过水断面面积；A

S130，确定河网水动力模型边界条件，外边界条件，作为输入资料给定，内部边界条件用相容条件给定；

S140，嵌入降雨产流模型，在该河网水动力模型中嵌入降雨产流模型，输入雨型后，产生的地面径流以侧向入流的方式，直接进入河网的水动力计算，其中：

将流域分单元处理，降雨产流模型以三水源模型为基础，结合河网的特征构成的，降雨产流模型结构包括水面蒸发和地面蒸发的蒸散发量；根据蓄满产流理论得出的产流量；地面径流、壤中流和地下径流的水源划分和汇流计算量。

作为本发明的一种优选技术方案，所述S120中，侧向流的动量L包括侧向入流的动量、侧向出流的动量和侧向渗流的动量，其中：

侧向入流的动量计算表达式为：

L＝qv

侧向出流的动量计算表达式为：

L＝-qQ/A ④；

侧向渗流的动量计算表达式为：

L＝-0.5qQ/A ⑤；

③式中，v

作为本发明的一种优选技术方案，所述S120中，风对水面的阻力W

W

⑥式中，C

且相对风速V

V

⑦式中，V＝Q/A，V

作为本发明的一种优选技术方案，所述S140中，汇流计算量具体包括线性水库法计算得出的壤中流、地下径流的出流量，以及采用单位线法并进行非线形化处理计算得出的地面汇流量、地面出流量。

作为本发明的一种优选技术方案，所述S2中，具体包括以下步骤：

S210，建立河网水质模型的基本结构，河网水质模型的基本结构包括数据文件模块、水动力参数模块、计算模型模块和计算结果输出模块，其中：

数据文件模块包括基本参数子模块、边界条件子模块、点源子模块和非点源子模块，基本参数子模块包含计算总时间、时间步长、扩散系数、流速水力系数、流速水力指数、水深水力系数、水深水力指数、水体环境参数和42个生化反应参数，边界条件子模块包含8个子模型所要求的边界条件，点源子模块和非点源子模块包含污染源的资料；

水动力参数模块由河网水动力模型提供水质计算的流速、水量的水动力参数；

计算模型模块包括光合模型、有机磷模型、无机磷模型、有机氮模型、硝化氮模型、氨氮模型、CBOD模型和DO模型；

计算结果输出模块包括文本项目件输出和地理信息图形显示系统；

S220，建立河网水质的数学模型，其计算方程表达式为：

⑧式中，x为河道的纵向座标；C为水质指标的浓度，单位为mg/L或g/m

S230，河网水质化学过程和生物转化过程的数学模型，按水质指标构建包括溶解氧(DO)模型、化学需氧量(CBOD)模型、氨氮(NH

S240，计算常用的DO、BOD和COD的模型，按照模拟的复杂程度，分四个层次进行模拟，得到4个常用的方程形式，即S-P方程，S-P修正方程，完全线性方程和非线性方程。

作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤S3中，具体包括以下步骤：

S310，将水动力模型的计算结果,按水质模型所需的水力参数数据文件的格式形成水力参数文件，由水质模型按需读取；

S320，对每个河道的结点单独编号；

S330，随水位变化，调整河道的糙率；

S320，进行氨氮(NH

(三)有益效果

本发明提供的基于水量水质耦合模型的突发性水污染事件应对方法，能够对重点河段水量变化、取排水变化、水污染过程等要素单独或协同变化条件下的河网水质高精度模拟；预测不同水体、断面的水质，识别污染物迁移转化、水体富营养化在时空尺度上的演变规律；在水质监测信息系统建设的基础上，利用计算机技术、网络技术、数据交换技术等实现水文、水质多数据源的汇集与分析耦合；能解决突发性水污染事件发生的快速准确定位与复杂环境条件下发生的突发性水污染事件的预警预报等问题，为防汛指挥系统预案编制和实时指挥，河网内闸群、泵站计算机控制系统实时控制提供基础计算平台。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明的流程示意框图；

图2是本发明河网水动力模型的基本结构示意框图；

图3是本发明河网水质模型的基本结构示意框图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

如图1-3所示，一种基于水量水质耦合模型的突发性水污染事件应对方法，具体包括以下步骤：

S1，模拟河网水动力模型：利用实测资料对模型参数进行率定，依托产汇流子模型和河网及闸坝调度子模型的水量模拟；

S2，模拟河网水质模型：依托不同水质模块子模型，对河流水体进行模拟的水质模拟，实现重点河段水量变化、取排水变化、和水污染过程要素单独或协同变化条件下的河网水质高精度模拟；

S3，河网水动力模型与水质模型的耦合：在水质监测信息系统建设的基础上，利用计算机技术、网络技术、数据交换技术等实现水文、水质和污染源等监测数据、基础数据进行整合和汇集管理，构建水量水质耦合模型。

在本实施例中，所述S1中，具体包括以下步骤：

S110，构建河网水动力模型基本结构，河网水动力模型由四大模块组成，即数据文件模块、产汇流模块、主计算模型模块和计算结果输出模块，各模块又包括若干子模块；

S120，构建河网水动力数学模型，河网水动力学模型的基本方程为扩展后的Saint-Venant方程，具体表达式如下：

①和②式中，Q为流量；h为水位；A为有效过水断面面积；A

S130，确定河网水动力模型边界条件，外边界条件，作为输入资料给定，内部边界条件用相容条件给定；

S140，嵌入降雨产流模型，在该河网水动力模型中嵌入降雨产流模型，输入雨型后，产生的地面径流以侧向入流的方式，直接进入河网的水动力计算，其中：

将流域分单元处理，降雨产流模型以三水源模型为基础，结合河网的特征构成的，降雨产流模型结构包括水面蒸发和地面蒸发的蒸散发量；根据蓄满产流理论得出的产流量；地面径流、壤中流和地下径流的水源划分和汇流计算量。

在本实施例中，所述S120中，侧向流的动量L包括侧向入流的动量、侧向出流的动量和侧向渗流的动量，其中：

侧向入流的动量计算表达式为：

L＝qv

侧向出流的动量计算表达式为：

L＝-qQ/A ④；

侧向渗流的动量计算表达式为：

L＝-0.5qQ/A ⑤；

③式中，v

作为本发明的一种优选技术方案，所述S120中，风对水面的阻力W

W

⑥式中，C

且相对风速V

V

⑦式中，V＝Q/A，V

在本实施例中，所述S140中，汇流计算量具体包括线性水库法计算得出的壤中流、地下径流的出流量，以及采用单位线法并进行非线形化处理计算得出的地面汇流量、地面出流量。

在本实施例中，所述S2中，具体包括以下步骤：

S210，建立河网水质模型的基本结构，河网水质模型的基本结构包括数据文件模块、水动力参数模块、计算模型模块和计算结果输出模块，其中：

数据文件模块包括基本参数子模块、边界条件子模块、点源子模块和非点源子模块，基本参数子模块包含计算总时间、时间步长、扩散系数、流速水力系数、流速水力指数、水深水力系数、水深水力指数、水体环境参数和42个生化反应参数，边界条件子模块包含8个子模型所要求的边界条件，点源子模块和非点源子模块包含污染源的资料；

水动力参数模块由河网水动力模型提供水质计算的流速、水量的水动力参数；

计算模型模块包括光合模型、有机磷模型、无机磷模型、有机氮模型、硝化氮模型、氨氮模型、CBOD模型和DO模型；

计算结果输出模块包括文本项目件输出和地理信息图形显示系统；

S220，建立河网水质的数学模型，其计算方程表达式为：

⑧式中，x为河道的纵向座标；C为水质指标的浓度，单位为mg/L或g/m

S230，河网水质化学过程和生物转化过程的数学模型，按水质指标构建包括溶解氧(DO)模型、化学需氧量(CBOD)模型、氨氮(NH

S240，计算常用的DO、BOD和COD的模型，按照模拟的复杂程度，分四个层次进行模拟，得到4个常用的方程形式，即S-P方程，S-P修正方程，完全线性方程和非线性方程。

在本实施例中，所述步骤S3中，具体包括以下步骤：

S310，将水动力模型的计算结果,按水质模型所需的水力参数数据文件的格式形成水力参数文件，由水质模型按需读取；

S320，对每个河道的结点单独编号；

S330，随水位变化，调整河道的糙率；

S320，进行氨氮(NH

需要说明的是：

1)河网水动力模型的基本方程的离散格式是四点加权隐式有限差分格式，函数ψ及其时间导数和空间导数的离散公式为：

将式⑨、⑩和

式中，

式中Pj是湿周。

对每一条河道可以写出以

在本模型中为了考虑可能局部出现急流与缓流交替的混合流流态，还对式①和②式用特征逆风格式进行离散。

利用求解效率高的Newton-Raphson迭代法求解。

从而可得第n步形为

A

的Newton方程组，其中A

河网水动力模型只对河道及各河道的结点编号，对河道的汇流点不编号，从而不需要对汇流结点水位先行求解。河道编号从主干河道开始，先对支流编号，再对网状河道编号。求解按主干道、支流和网状河道的次序进行。步骤如下：

先对主河道进行计算。

计算时给定支流的入流流量的预估值。有了支流的入流流量的预估值和上、下游边界条件，即可求得主河道各断面处的水位与流量。这样，每条支流与干流交汇点处的水位也可得到。

以由此得到的水位作为支流的下游边界条件，结合各支流的外边界条件即可求解每条支流，如果被求解支流有上级支流或网状河道汇入。同样需给定这些上级支流或网状河道的入流流量的预估值。

对于网状河道，则用其与各支流汇入点处的水位为边界条件求解。

网状河道、支流求解后，得到网状河道汇入支流和支流汇入干流断面处的流量的计算值。按松弛算法的基本原理构造这些汇流断面处的流量的新的估计值。

以每条支流的流量的新的估计值作为干流的侧向入流，再求解干流，又可得干流各断面新的水位，以交汇点处新的水位作为支流的边界条件再求解各支流，如此循环，直至满足收敛条件：

2)式⑧方程的离散采用显式差分格式，对流项差方用Euler前差分，弥散项用中心差分。

水质模型使用S-P方程，S-P修正方程，完全线性方程和非线性方程进行计算DO和BOD。

2.1)Streeter-Phelps方程

S-P方程假定DO浓度仅与BOD反应和复氧过程有关，同时把BOD降解一为一级反应。

这里的C

2.2)修正的Streeter-Phelps方程

2.3)完全线性模型

方程把NBOD分为矿化(即腐殖作用或氨化)和硝化作用两部分，同时增加了浮游植物的光合作用和呼吸作用的影响，模型包含5个方程：

2.4)非线性模型

非线性模型是在完全线性方程中加入DO浓度的反馈项。

河网水动力模型与水质模型的耦合模型只对每个河道的结点单独编号，避免了繁琐的河道汇流点的编号过程，提高了增减模拟河道的方便和水利分片组合的灵活性。

本模型采用用Newton-Raphson迭代法直接求解非线性方程组，求解速度快和精度高。

河道的糙率可随水位，流向自动调整，能够更好地模拟潮流流态。

可以模拟实际的不规则河道断面，使模拟结果更接近实际情况。

水工建筑物(水闸、涵管、堤内排水涵管、泵站等)的模拟。模型不仅可以对建筑物的位置，规模，尺寸正确模拟，还考虑了运行工况(包括水闸的开启过程，正、反向流及按水位或时间启闭水闸，一闸多门可以逐个闸门分别进行运行控制等)。

与河道连通的小型湖塘的模拟。河网内部若存在与河道连通的小型湖塘，则河网的调蓄功能得到提高。本模型可以提供这类小型湖塘的功能模拟。

综上所述，本发明，能够对重点河段水量变化、取排水变化、水污染过程等要素单独或协同变化条件下的河网水质高精度模拟；预测不同水体、断面的水质，识别污染物迁移转化、水体富营养化在时空尺度上的演变规律；在水质监测信息系统建设的基础上，利用计算机技术、网络技术、数据交换技术等实现水文、水质多数据源的汇集与分析耦合；能解决突发性水污染事件发生的快速准确定位与复杂环境条件下发生的突发性水污染事件的预警预报等问题，为防汛指挥系统预案编制和实时指挥，河网内闸群、泵站计算机控制系统实时控制提供基础计算平台。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。