[發(fā)明專利]基于長膜泥沙的水體元素遷移擴散的分析方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010619264.0
• 申請日: 2020-06-30
• 公開（公告）號: CN111982740B
• 公開（公告）日: 2021-12-07
• 發(fā)明（設計）人: 趙慧明;張岳峰;湯立群;王崇浩;郭傳勝;劉大濱;劉冰;張立紅;馮浩川;王玉海;王小紅;高曉薇
• 申請（專利權）人: 中國水利水電科學研究院
• 主分類號: G01N7/04
• 分類號: G01N7/04
• 代理公司: 北京聿宏知識產(chǎn)權代理有限公司 11372
• 代理人: 吳大建;康志梅

1.一種基于長膜泥沙的水體元素遷移擴散的分析方法，其包括：

步驟D：提供長膜泥沙飽和吸附量計算項數(shù)和計算系數(shù)以及長膜泥沙生物膜的生長時間，計算長膜泥沙的飽和吸附量；

步驟E：利用水體元素濃度、擴散系數(shù)、水力要素以及步驟D所得的所述長膜泥沙的飽和吸附量計算水體元素的遷移擴散規(guī)律，

其中，所述長膜泥沙飽和吸附量計算項數(shù)和計算系數(shù)、水體元素濃度以及擴散系數(shù)由具體的水體環(huán)境給定；所述水力要素通過提供的初始河道斷面資料、上游邊界條件、下游邊界條件及河道糙率計算得到；

所述擴散系數(shù)包括縱向彌散系數(shù)、吸附和解吸速率系數(shù)；

所述水力要素包括斷面平均水流流速，

所述長膜泥沙的飽和吸附量S_m采用式(8)進行計算：

式(8)中，t_B為生物膜的生長時間；n為項數(shù)，k₀、k_i、k_j皆為無量綱計算系數(shù)，均由具體水體環(huán)境給定，

所述水體元素的遷移擴散規(guī)律采用式(6)進行計算：

式(6)中，C為水體元素濃度，t為時間，u為斷面平均水流流速，x為斷面間河段長度，A為過水斷面面積，D_x是縱向彌散系數(shù)，S為懸移質(zhì)斷面平均含沙量，N為單位質(zhì)量長膜泥沙對元素的吸附量。

2.根據(jù)權利要求1所述的分析方法，其特征在于，所述水體元素選自水體中的非金屬元素和金屬離子中的一種或幾種。

3.根據(jù)權利要求2所述的分析方法，其特征在于，所述水體元素選自磷元素、氮元素、硫元素、銅離子、鋅離子和鉛離子中的一種或幾種。

4.根據(jù)權利要求1～3中任一項所述的分析方法，其特征在于，長膜泥沙對水體元素的吸附速率采用式(7)進行計算：

式(7)中，N為單位質(zhì)量長膜泥沙對元素的吸附量，t為時間，k_x和k_y分別是吸附和解吸速率系數(shù)，C為水體元素濃度，S_m為長膜泥沙的飽和吸附量。

5.根據(jù)權利要求1-3中任一項所述的分析方法，其特征在于，所述水體元素為磷元素時，所述長膜泥沙的飽和吸附量S_m采用式(13)進行計算：

式(13)中，t_B為生物膜的生長時間。

6.一種基于長膜泥沙的水沙動力學模擬方法，其包括如下步驟A、步驟B和步驟C以及根據(jù)權利要求1-5中任一項所述的分析方法：

步驟A：提供初始河道斷面資料、上游邊界條件、下游邊界條件及河道糙率，計算出斷面的水力要素，進而得到整個河道的水力要素分布；

步驟B：利用步驟A所得的水力要素計算出水體紊動剪切速率，根據(jù)所得的所述水體紊動剪切速率和測定的水質(zhì)參數(shù)計算出懸移長膜泥沙生物絮凝體的特征數(shù)據(jù)；

步驟C：利用上游來沙過程、所述步驟A所得的水力要素、所述步驟B所得的懸移長膜泥沙生物絮凝體的特征數(shù)據(jù)計算出相應斷面長膜泥沙的沖刷淤積及運動輸移，進而得到?jīng)_淤之后的河道斷面情況。

7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于，

所述水力要素包括流量、流速、水位和水深；和/或

所述水質(zhì)參數(shù)包括水體營養(yǎng)濃度、生物膜最大指定生長速率、營養(yǎng)物質(zhì)的半飽和濃度、懸移長膜泥沙生物絮凝體攜帶生物膜的能力系數(shù)、生物絮凝計算系數(shù)和破壞計算系數(shù)；和/或

所述懸移長膜泥沙生物絮凝體分為懸移泥沙和懸移生物膜兩部分，并引入分形維數(shù)理論；和/或

所述懸移長膜泥沙生物絮凝體的特征數(shù)據(jù)包括懸移長膜泥沙生物絮凝體的粒徑、密度、組成和結(jié)構中的至少一種。

8.一種用于權利要求6或7所述的方法的水沙水質(zhì)模型系統(tǒng)，其包括：

水動力學模塊，用于計算整個河道的水力要素分布；

泥沙生物絮凝模塊，用于計算懸移長膜泥沙生物絮凝體的特征數(shù)據(jù)；

泥沙動力學模塊，用于計算長膜泥沙的沖刷淤積及運動輸移，進而得到河道演變規(guī)律；

長膜泥沙吸附特性模塊，用于計算長膜泥沙的飽和吸附量；以及

水質(zhì)模塊，用于計算水體元素的遷移擴散規(guī)律。