[發明專利]基于可溶性污染物在水環境中輸移擴散模型的評估方法

有效

• 申請號: 202010025579.2
• 申請日: 2020-01-10
• 公開（公告）號: CN111241758B
• 公開（公告）日: 2022-09-20
• 發明（設計）人: 張影;楊曉東;趙秋娜
• 申請（專利權）人: 燕山大學里仁學院
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F113/08;G06F111/08;G06F119/14
• 代理公司: 北京華際知識產權代理有限公司 11676
• 代理人: 葉宇

本發明涉及基于可溶性污染物在水環境中輸移擴散模型的評估方法，以圣維南方程和一維對流擴散方程為基礎，設置汊點連接，建立一維河網汊點模型，通過Preissmann四點隱式格式離散轉化為線性方程組，基于三級聯解法的思想，應用追趕法，求得污染物濃度時空變化的遞推關系，帶入初始、邊界條件，將未知數集中到汊點上，運用超松弛迭代法求解汊點未知數，然后帶入各單一直流河段分別求解。針對概化斷面數據支撐不足的情況，本發明創新性地采用Google Earth遙感與圖像處理技術相結合，設計合理可行的數據提取方法，得到基礎數據，并通過水力學公式，計算河網模型必要的水力參數；關于參數率定方面，采用改進的Bayesian?MCMC方法對模型的參數進行率定。

技術領域

本發明涉及水環境評估領域，尤其是一種一維河網水動力水質模型數據的獲取方法及模型針對具體河流區域的實際應用。

背景技術

水庫是我國重要的淡水資源，隨著社會經濟的發展和人口數量的增多，給我國水庫資源安全帶來了巨大壓力，水污染層出不窮。水庫上游地區的河流污染直接影響著庫區的水質安全，因而研究庫區上游區域河網的污染物遷移和轉化規律，對水庫的日常治理及水污染突發事件的決策處理有著十分重要的意義。隨著CFD的興起與高速發展，國內外對水動力水質模型研究的學者頗多，模型的理論研究及數值計算已趨于成熟，對于污染物在特定區域的河網水系統中的遷移和轉換規律的模擬，多建立一維河網水動力水質模型，模型的求解需將整個河網系統劃分為大量的概化斷面，因而需要龐大的基礎數據支撐。

目前主流的方法是通過測量幾個典型斷面的實測數據，然后采用插值法獲得全部斷面的數據，而對于河道地形復雜的研究區域，建立監測站的成本太高，所以有實測數據的典型斷面數量很少，結果導致插值得到數據與實際數據相差較大，使得模型的準確性不高。為解決這一難題，盧敏等人提出一種利用Google Earth遙感影像提取河流多期水面寬度，結合實測最大水深獲取河流概化斷面參數的方法，并分別用概化斷面和實測斷面在MIKE11下構建少資料河流一維水動力水質模型，對兩種斷面模型的計算結果進行對比分析。但只應用Google Earth遙感影像，提取的信息有限。

發明內容

本發明目的在于提供一種設計合理、計算精確、應用廣泛的基于可溶性污染物在水環境中輸移擴散模型的評估方法。

為實現上述目的，采用了以下技術方案：本發明所述方法包括以下步驟：

S1，數據收集，基于公共部門提供、查閱文獻資料、實地勘測得到的部分實測數據，采用Google Earth遙感技術和圖像處理技術，設計基礎數據提取方法；

計算得到河道寬度、斷面間距、河床海拔、河道形狀、糙率、水深等基礎數據，通過水力學相關的計算公式，分別計算濕周、流量、流量模數、斷面面積、水位、水力半徑、水力坡度等必要水力參數，為一維河網水動力水質模型提供數據支撐；

S2，應用系統工程的設計思想，將整個流域概化為一個由單一河段和汊點組成的系統，把上游河流化分為主干流和支流，并通過汊點連接；

本發明以桃林口水庫上游河流流域為案例分析，進行河網系統的設計和模擬計算。桃林口位于溫帶大陸性季風區，降水主要集中在7、8兩個月，上游河流以青龍河水系為主，除主干河流(青龍河)和幾大支流外，其他河流的經流量均小于10m³/s，而且河流的徑流量集中于汛期7、8月，其他時間段內流量較小，甚至出現斷流的情況。

為簡化問題，研究主要矛盾，本發明根據上游流域特點，忽略其他細小河流的影響，只選擇汛期的青龍河主干道及4條徑流量較大的支流作為主要的河流研究對象，將流域中的河流概化為9個河段和4個汊點，然后分別建立河段結構體和汊點結構體，通過汊點連接機制連接，進行河網系統的構建。并在每條河段選取多個典型斷面(如圖4)，在此基礎上，運用分段樣條插值，細化河段的劃分。為滿足伯努利方程的微分性質，本發明取500m的斷面間距。