[發明專利]一種河流水質預測方法

有效

• 申請號: 201710250354.5
• 申請日: 2017-04-17
• 公開（公告）號: CN107091911B
• 公開（公告）日: 2020-01-31
• 發明（設計）人: 于魯冀;梁亦欣;張寬;王燕鵬;孫一兵;張燦
• 申請（專利權）人: 鄭州大學環境技術咨詢工程有限公司
• 主分類號: G01N33/18
• 分類號: G01N33/18;G06F30/20
• 代理公司: 41113 鄭州天陽專利事務所(普通合伙)
• 代理人: 聶永杰

1.一種河流水質預測方法，其特征在于，該方法包括以下具體步驟：

(1)對于被預測河流，利用Google Earth里“添加路徑”的功能，描繪出被預測河流的具體邊界，邊界必須為閉合的路徑曲線，且與被預測河流最新的衛星地圖影像相吻合，并將該邊界導出為.kml格式文件；

(2)在ArcGIS軟件中導入被預測河流邊界的.kml文件，通過“Data Management Tools”中的“Feature Vertices To Points”工具將被預測河流邊界轉化為點；再通過“Projections and Transformations”工具將點的WGS 1984坐標轉化為單位為米的WGS-1984-Alberts坐標；將轉換后的被預測河流邊界點位坐標存儲為.p2d格式的文本文件；

所述的.p2d格式的文本文件是由WGS-1984-Alberts坐標系下的每個被預測河流邊界點的坐標構成，每個坐標占一行，左側橫坐標為WGS 1984坐標系下的經度，右側縱坐標為WGS 1984坐標系下的緯度，中間為空格；

(3)將被預測河流邊界的.p2d文件導入CVLGrid1.0軟件中，利用該軟件對被預測河流進行網格劃分，將劃分好的被預測河流網格導出為.cvl文件；

所述的對被預測河流進行網格劃分的方法為：①在“Layer Control”面板中新建“Spline”圖層，利用“Draw a New Spline”功能分別沿著被預測河流左右邊界進行描線，兩條邊線不能交叉；②描完被預測河流的左右邊界以后，在河流橫向分段添加截線，截線要盡可能與兩條邊垂直，每條截線之間不能交叉；③利用“Generate Grid”功能生成被預測河流網格，其中“I-Cells Number”為被預測河流每2條截線之間的網格數，“J-Cells Number”為被預測河流橫向的網格數，為1；

(4)在EFDC-Explorer中導入被預測河流的.cvl網格文件，采用以下步驟建立被預測河流的水動力模型：

①按經驗值確定被預測河流的初始水深；②利用已知的河底高程點采用插值的方法確定整個被預測河流的河底高程；③利用經驗系數法的被預測河道曼寧粗糙系數；④確定被預測河流的各個入流邊界的流量時間序列，和出流邊界水位的時間序列，入流邊界包括上游來水和各污染源以及支流匯入；⑤將各流量時間序列與具體的河流網格關聯起來，建立流量邊界，將出流邊界水位的時間序列與具體的河流網格關聯起來，建立開邊界；⑥確定模擬的開始和結束時間，采用動態時間步長對水動力模型進行模擬，而后對其進行率定，滿足模型誤差要求；⑦在率定好的水動力模型的基礎上，采用與率定所用數據完全不同的時間序列對模型進行驗證，滿足誤差要求；

步驟③所述的利用經驗系數法設置河道曼寧粗糙系數為下表：

河道種類	曼寧粗糙系數
平坦的混凝土	0.012
普通的混凝土涂層	0.013
最優條件下的泥土河道	0.017
直的未襯砌的泥土河道	0.020
天然的河流與河道	0.020～0.035
河床遍布巖石的山間溪流，河道多變與沿岸有植	0.040～0.050
沒有植物的淤積河道	0.011～0.035

；

步驟④、⑤所述的時間序列是由時間和流量、水質濃度或水位2列數據構成的序列，其時間為“Julian Date”，計算方法由下式給出：

式中：I為年，J為月，K為日，若將某一參考日期的Julian Date設置為0，則其他日期的Julian Date為兩個Julian Date之間的差值；

步驟⑤所述的將各流量時間序列與具體的河流網格關聯起來是指在各邊界位置所對應的網格上建立邊界條件，流量邊界需將該邊界的流量設置為對應的流量時間序列，水質設置為對應的水質時間序列，出流邊界則只需將其水位設置為對應的水位時間序列；

步驟⑥所述的模擬的開始和結束時間中，結束時間是指實際需要考察的時間段的結束時間，而開始時間需要較實際需要考察的開始時間提前一段時間，以此保證實際需要考察的時間開始時河流達到較為準確的初始狀態；所述的動態時間步長是指，在EFDC-Explorer中將時間步長設置為1s以下的參考值，安全系數為0.5以下，則模型計算時會根據計算情況自動調整時間步長，提高模型的適應能力，以防計算出現錯誤；

(5)在建立水動力模型的基礎上，采用以下步驟建立被預測河流的水質模型：方法是：

①設定被測河流水質時間序列，并與流量邊界關聯起來；②設定模擬的開始和結束時間，采用動態時間步長對水質模型進行模擬，而后調整衰減系數對水質模型進行率定，滿足模型誤差要求；③在率定好的水質模型的基礎上，采用與率定所用數據完全不同的時間序列對模型進行驗證，滿足誤差要求；

(6)將被預測河流流量邊界實時監控的流量和水質數據導入水質模型，根據所預測的時間，確定模擬開始時間和結束時間，采用動態時間步長進行模擬，得到未來一段時間內被預測河流的水質分布情況，實現對被預測河流的水質預測；

所述的將被預測河流流量邊界實時監控的流量和水質數據導入水質模型是指將當前實時日期及其之前一段保證涵蓋開始時間的流量和水質監測數據導入流量邊界，當前實時日期之后的時間序列不做更改；所述的確定模擬開始時間和結束時間中結束時間是指所需預測的時間段的終止時間，開始時間需較當前實時的時間提前一段時間，以保證模擬至當前時間時，河流處于較為準確的狀態。