CN102609603A - 水质信息计算装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水质信息计算装置及方法，用于水污染事故中模拟计算污染物的浓度。其中，水质信息计算装置包括：信息输入模块，用于输入上游河流断面反映污染物浓度的信息；计算模块，用于根据所述信息输入模块的输入信息，采用二维水质模拟系统动力学模型计算下游河流断面污染水质的污染物浓度；显示模块，用于显示信息输入模块输入的信息及计算模块输出的计算结果。本发明提供的水质信息计算装置将系统动力学应用于水污染事故水质变化的动态模拟研究，建立了二维水质模拟系统动力学模型，对污染物在河流中通过对流、弥散以及由化学反应和生物吸收引起的衰减等物理、化学和生物过程导致的浓度变化进行动态仿真模拟，对下游断面污染物的浓度进行预测。

Description

水质信息计算装置及方法

技术领域

本发明涉及水质分析技术领域，特别地，涉及一种水质信息计算装置及方法。

背景技术

近年来我国重大水污染事故频繁发生，对生态环境、人民健康及社会安全造成严重影响。例如，发生在2005年11月份的松花江水污染事故和12月份的广东北江镉污染都是重大水污染事故的典型案例。在水污染事故的应急过程中，迫切需要掌握污染带的时空分布及污染物的浓度，从而快速、有效地制订应急响应的策略方案。为满足水污染事故快速处置的要求，结合事故现场的实际监测数据，利用水质数学模型(简称“水质模型”)对污染团到达各重要断面的时间、浓度、影响范围等做出及时准确的预测，模拟各种应急策略和方案的效果，为事故的应急决策提供定量参考的依据，是提升环境事故应急能力的重要途径。

美国环境保护局提出的水质模型系统，Water Quality Analysis SimulationProgram(WASP)，是为分析池塘、湖泊、水库、河流、河口和沿海水域的一系列水质问题而设计的动态的多箱式模型，研究的问题包括生化需氧量(BOD)、溶解氧(DO)动力学、营养物/富营养化、有毒化学成分运移等，在国外被广泛地用于预测水质对自然和人为污染的反应。

WASP包括两个独立的计算程序：DYNHYD和WASP，它们可以联合运行，也可以独立运行。DYNHYD是水动力学程序，用来模拟水的动力学过程；WASP是水质程序，它模拟水中各种污染物的运动与相互作用，包括EUTRO和TOXI是两个子模型，它们可以装入水质程序中运行。其中TOXI模拟有毒物质的污染，包括有机污染物、重金属和底泥；EUTRO用来分析传统的污染，包括溶解氧、生化需氧量、氮和磷等营养素。WASP提供了一个很灵活的模拟系统，在其基本程序中反映了对流、弥散、点杂质负荷与扩散杂质负荷以及边界的交换等随时间变化的过程，包括了溶解氧、富营养化、有毒物和有机化合物等四个动力学平衡计算过程。经简化WASP模型可用下式表示：

$\frac{\∂}{\∂t}\left(\mathrm{AC}\right)=\frac{\∂}{\∂x}(-U_x\mathrm{AC}+E_{T}A\frac{\∂C}{\∂x})+A(S_L+S_B)+{\mathrm{AS}}_x$

另外，美国环保局于1970年推出QUAL-I水质综合模型，1973年开发出QUAL-II模型。QUAL-II是一个具有多种用途的河流水质模型，可按用户所希望的任意组合方式模拟15种水质成分，包括：生化需氧量(BOD)、溶解氧(DO)、水温(T)、叶绿素a(藻类)、氨氮、亚硝酸氮、硝酸氮、有机磷、溶解磷、大肠杆菌、任意一种可降解物质和三种任选的非降解物质，该模型可以应用于既有主流又有支流的均匀河流断面。QUAL-II模型假设物质在河流中的主要迁移方式是平流和弥散，且认为这种迁移发生在河道或水道的纵轴方向上，所以该模型是一个一维水质模型。这个模型可以描述同时有多个排放口并有支流流入和取水流出的河流系统。QUAL-II模型可用于研究流入污水负荷对受纳河流的水质影响，也可用于非点源问题的研究，既可作为稳态模型也可作为时变的动态模型，其基本方程是一个平移-弥散质量迁移方程，同时考虑了水质组分间的相互作用以及组分外部源和汇对组分浓度的影响。

对任意的水质变量C，方程均可写为下式的形式：

$\frac{\∂C}{\∂t}=\frac{\∂\left(A_x{D}_l\frac{\∂C}{\∂x}\right)}{\∂x}\mathrm{dx}-\frac{\∂\left(A_x\stackrel{\‾}{u}C\right)}{\∂x}\mathrm{dx}+\left(A_x\mathrm{dx}\right)\frac{\∂C}{\mathrm{dt}}+s$

该方程右边的4项分别代表扩散、平流、组分反应和组分外部源汇项。

但是，现有技术采用的水质模型系统存在以下缺点：

(1)模型缺乏较强的调控功能，难以通过对各种参数的调整，为水污染事故的预测和应急措施方案的优选提供量化参考的依据；

(2)模型模拟结果的空间可视化程度低，表达效果不够清晰和直观；

(3)模型参数众多，参数率定所需要的数据量大，难以解决水污染事故现场监测数据缺乏导致的模型参数率定难的问题；

(4)模型操作复杂，使用者需要耗费一定的时间了解模型，不能在事故发生后通过简单操作，迅速获得满足一定精度要求的数值解。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种水质信息计算装置和计算水质污染物浓度的方法，在水污染事故的应急过程中，给事故应急人员采取及时、有效的事故应变措施提供宝贵的决策依据，利用水质模型对污染物在随水流迁移过程中导致的浓度变化进行动态模拟，对下游段面污染物的浓度时空分布进行定量预测，以及能够根据各种需要通过模型调控进行多方案的模拟和比较。

为了解决上述问题，一方面提供了一种水质信息计算装置，用于水污染事故中模拟计算污染物的浓度，包括：

信息输入模块，用于输入上游河流断面反映污染物浓度的信息；

计算模块，用于根据所述信息输入模块的输入信息，采用二维水质模拟系统动力学模型计算下游河流断面污染水质的污染物浓度；

显示模块，用于显示所述信息输入模块输入的信息及所述计算模块输出的计算结果。

优选的，所述信息输入模块输入的信息包括：初始断面的污染物浓度值、河流断面的纵向流速、河流断面的纵向弥散系数、河流断面的横向弥散系数、河流断面污染物的衰减速率系数、河流模拟纵向空间步长、横向空间步长。

优选的，所述计算模块采用的二维水质模拟系统动力学模型具体为：

$\frac{\∂C}{\∂t}=E_x\frac{{\∂}^{2}C}{\∂x^2}+E_y\frac{{\∂}^{2}C}{\∂y^2}-u_x\frac{\∂C}{\∂x}-\mathrm{kC}$

其中，C代表河流断面的污染物浓度，E_x代表河流断面的纵向弥散系数，E_y代表河流断面的横向弥散系数，u_x代表河流断面的纵向流速，k代表河流断面污染物的衰减速率系数。

优选的，所述计算模块具体包括：

流入速率计算单元，用于根据所述信息输入模块输入的相关信息，计算河流断面经对流和弥散后的污染物浓度流入速率；所述相关信息包括：初始断面的污染物浓度值、河流断面的纵向流速、河流断面的纵向弥散系数、河流断面的横向弥散系数、河流模拟纵向空间步长、河流模拟横向空间步长；

流出速率计算单元，用于根据所述信息输入模块输入的相关信息，计算河流断面经过对流、弥散和衰减后的污染物浓度流出速率；所述相关信息包括：初始断面的污染物浓度值、河流断面的纵向流速、河流断面的纵向弥散系数、河流断面的横向弥散系数、河流断面污染物浓度的衰减速率系数、河流模拟纵向空间步长、河流模拟横向空间步长；

浓度计算单元，用于根据流入速率计算单元获得的污染物浓度流入速率和流出速率计算单元获得的污染物浓度流出速率计算某一时刻某河流断面污染物的浓度值。

优选的，所述计算模块还包括距离计算单元，用于根据所述信息输入模块输入的河流断面的纵向流速，计算污染物在模拟时间内流过的距离。

优选的，所述显示模块还用于以表函数或图形方式呈现河流断面的纵向流速、河流断面的纵向弥散系数、河流断面的横向弥散系数、河流断面污染物浓度的衰减速率系数与污染物在模拟时间内流过的距离之间的关系。

优选的，所述河流模拟纵向空间步长Δx、横向空间步长Δy满足以下条件：

$\frac{\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\Δx}}\≤\frac{1}{u},\frac{\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\Δ}{x}^2}\≤\frac{1}{2E_x},\frac{\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\Δ}{y}^2}\≤\frac{1}{2E_y}$

其中，u代表河流断面的纵向平均流速，E_x代表河流断面的纵向弥散系数，E_y代表河流断面的横向弥散系数。

另一方面，提供了一种水质信息计算方法，利用上述任一水质信息计算装置模拟水质污染物浓度，包括：

信息输入模块接收包括初始断面的污染物浓度值、河流断面的纵向流速、河流断面的纵向弥散系数、河流断面的横向弥散系数、河流断面的污染物浓度衰减速率系数、河流模拟纵向空间步长、河流模拟横向空间步长信息；

计算模块根据上述信息，采用二维水质模拟系统动力学模型计算下游河流断面污染水质的污染物浓度。

与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有以下优点或有益效果：

本发明提供的水质信息计算装置中，将系统动力学应用于水污染事故水质变化的动态模拟研究，建立了二维水质模拟系统动力学模型，并通过数字计算机进行图形呈现，对污染物在河流中通过对流、弥散以及由化学反应和生物吸收引起的衰减等物理、化学和生物过程导致的浓度变化进行动态仿真模拟。实现对下游断面污染物的浓度预测。

附图说明

图1是本发明采用的二维水质模拟系统的因果关系图；

图2是本发明二维水质模拟系统动力学模型中单个体积微元内物质输入、输出的关系示意图；

图3是本发明用于有限差分解的X-Y-T网格平面示意图；

图4是本发明水质信息计算装置实施例的结构框图；

图5是本发明水质信息计算装置实施例的具体结构示意图；

图6是本发明实施例中利用有限差分法划分的河流断面网格示意图；

图7是本发明实施例中纵向流速u随污染物在模拟时间内流过的距离S变化的曲线分布图；

图8是本发明中二维水质模拟系统动力学模型的结构图形界面示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

在详细讨论本发明前，涉及数字计算机的一般考虑由以下背景技术提供：典型的一个数字计算机由三个主要单元组成：(a)一个中央处理器，即CPU；(b)一个存储器；(c)多个输入/输出口。存储器起存储指令及数据的作用，指令为指导CPU动作的信息编码部分，数据是由CPU处理过的信息编码部分。存储在存储器中的一组逻辑关系的指令被称为程序。因此，CPU从存储器中以逻辑顺序“读”每个指令，并用它起动处理操作。假如指令顺序是相干的且逻辑的，则处理的程序将产生明了且令人满意的结果。

如上所述，存储器还用来存储指导操作的指令和待操作的数据。该程序的结构必须使CPU在它认为是指令时，不读非指令词。CPU能迅速存取任何存储在存储器中的数据，并包括其本身的瞬时存储寄存器中的数据，但是经常需要处理的数据是事先所不知道的或者是由所存的信息中不能得到的。这一问题是由配置具有一个或多个输入/输出口的计算机解决。然后CPU编址这些端口，并将来自与其耦合的外部设备的数据输入或将数据输出到该外部设备。一种与外部设备联系的替代方法是与每个具有惟一编址的设备联接，从而允许CPU像处理存储单元那样处理这些设备。例如，可输出到由人工操作使用的显示器上，或到外围设备(如打印机)或到存储设备或者该输出可以构成程控信号指导其它系统运行。在本发明中，输入和输出口同时允许CPU和存储器与外部设备联系。

本发明的核心思想之一在于：提供一种水质信息计算装置，以数字计算机为载体，运用图形语言建立反映水质信息的各变量间的因果反馈关系，直观表达变量之间以及变量对结果的因果反馈关系，使具有变量间因果关系复杂、非线性、时变特点的水污染模拟问题变得更加直观、可控。

本发明提供的水质信息计算装置是基于一种河流水质模型设置的。河流水质模型描述了污染物质在水中的物理、化学、生物等作用过程的规律，可以很好地对地表水水质的变化趋势进行预测。

根据污染物在空间的迁移转化方式，可将河流水质模型分为零维、一维、二维、三维模型。本发明提供的水质计算装置主要用于对大型河流、河口、海湾等水质模拟和预测，因此，采用较为精确的二维水质模拟动力学模型。

本发明采用二维水质模拟动力学模型分析污染物浓度及其扩散参数在水流方向以及同一水平面内垂直于水流方向上，即纵向和横向上的变化。

首先，参照图1所示的二维水质模拟系统的因果关系图，在该因果关系图中，河流某断面的污染物浓度受以下几个因素的影响，包括：上一断面流入的污染物，本断面流出的污染物，纵向断面由于弥散作用输入、输出的污染物，横向断面由于弥散作用输入、输出的污染物，通过化学反应以及吸附、挥发等物理过程消耗的污染物等。

在河流中污染物迁移转化的过程中，考虑到一般情况下河流中的弥散作用远大于湍流扩散和分子扩散作用，因此，对于污染物在河流中的分散作用，只考虑弥散作用对污染物浓度的影响，忽略湍流扩散和分子扩散的影响。

参照图2，示出了二维水质模拟系统动力学模型中单个体积微元内物质输入、输出的关系示意图。从图2可以看出，单位时间内，经该体积微元流入、流出的污染物量分别为：

u_xCΔyΔz代表平流推移输入量；

代表纵向弥散扩散输入量；

代表横向弥散扩散输入量；

代表平流推移项经过Δx的变化历程后污染物的输出量；

代表纵向弥散扩散项经Δx的变化历程后污染物的输出量；

代表横向弥散扩散项经Δy的变化历程后污染物的输出量。

需要说明的是，由于河流断面的横向水流对污染物浓度变化的影响比较小，所以本发明中将河流断面因横向水流引起的污染物输入、输出量忽略不计。

根据图1所示的二维水质模拟系统因果关系，借助于图2所示的二维模型中体积微元内物质输入、输出的关系示意图，并将河流断面的纵向流速u_x、河流断面的纵向弥散系数E_x、河流断面的横向弥散系数E_y看作常数，可以得到均匀水流场中二维水质模拟系统动力学模型的基本形式为：

$\frac{\∂C}{\∂t}=E_x\frac{{\∂}^{2}C}{\∂x^2}+E_y\frac{{\∂}^{2}C}{\∂y^2}-u_x\frac{\∂C}{\∂x}-\mathrm{kC}$ 公式(1)

其中，E_x代表河流断面纵向即x方向的弥散系数，E_y代表河流断面横向即y方向的弥散系数，u_x代表河流断面的纵向流速，k为河流断面污染物的衰减速率系数。

需要说明的是，上述二维水质模拟动力学模型是在考虑污染物在纵向和横向存在浓度梯度的情况下导出的。

一般非稳态的水质模型的基本方程难以用解析法求解，在本发明采用图3所示的用于有限差分解的X-Y-T网格平面示意图，选择有限差分法的数值解法，将公式(1)所示二维河流水质偏微分方程近似表达为如下差分方程：

$\frac{C_{i,j}^{n+1}-C_{i,j}^n}{\mathrm{\Δt}}=E_x^{i,j}\frac{C_{i+1,j}^n-{2C}_{i,j}^n+C_{i-1,j}^n}{{\mathrm{\Δx}}^2}+E_y^{i,j}\frac{C_{i,j+1}^n{-2C}_{i,j}^n+C_{i,j-1}^n}{\mathrm{\Δ}{y}^2}$ 公式(2)

$-u_{i,j}\frac{C_{i,j}^n-C_{i-1,j}^n}{\mathrm{\Δx}}-k_{i,j}{C}_{i,j}^n$

经整理可得：

$C_{i,j}^{n+1}=C_{i+1,j}^n\left(\frac{E_x^{i,j}\mathrm{\Δt}}{{\mathrm{\Δx}}^2}\right)+C_{i,j}^n(1-\frac{2E_x^{i,j}\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\Δ}{x}^2}-\frac{{2E}_y^{i,j}\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\Δ}{y}^2}-\frac{u_{i,j}\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\Δx}}-k_{i,j}\mathrm{\Δt})$ 公式(3)

$+C_{i-1,j}^n(\frac{E_x^{i,j}\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\Δ}{x}^2}+\frac{u_{i,j}\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\Δx}})+C_{i,j-1}^n\left(\frac{E_y^{i,j}\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\Δ}{y}^2}\right)+C_{i,j+1}^n\left(\frac{E_y^{i,j}\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\Δ}{y}^2}\right)$

其中，公式(3)中，

为第(i，j)河流断面的纵向弥散系数；

为第(i，j)河流断面的横向弥散系数；u_i，j代表第(i，j)河流断面的纵向平均流速；k_i，j代表第(i，j)河流断面污染物的衰减速率系数。

在图3中，纵向即水流方向，设为x轴，横向即在同一水平面内垂直于水流方向的方向坐标，设为y轴。

由公式(3)可见，第(i，j)河流断面(n+1)时刻的浓度值

可由前一时刻即n时刻的第(i+1，j)，(i，j)，(i-1，j)，(i，j-1)，(i，j+1)河流断面的浓度值，即

以及其它参数迭代计算而得。因此，若已知初始时刻即n＝0时各河流断面的浓度值

和起始河流断面各时刻的浓度值且令

(其中，l为x轴方向最后一个节点的x坐标，参见图3)，即可迭代求出各断面、各时刻的污染物浓度

在利用有限差分法对公式(1)所示的水质动力学模型求解时，差分格式应满足一定的位置步长与时间步长之间的关系，以保持计算中数值的稳定(运算中的舍入误差能保持有限或逐渐消失，而不是不断增长)和收敛(即差分方程的近似解能收敛或逼近于原微分方程的精确解)。为使上述差分方程的解稳定和收敛，应该使“步长比”(或断面比)满足关系式(4)。

$\frac{\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\Δx}}\≤\frac{1}{u},\frac{\mathrm{\Δt}}{{\mathrm{\Δx}}^2}\≤\frac{1}{2E_x},\frac{\mathrm{\Δt}}{{\mathrm{\Δy}}^2}\≤\frac{1}{2E_y}$ 公式(4)

其中，Δt为时间步长，Δx为纵向空间步长，Δy为横向空间步长，E_x代表纵向弥散系数，E_y代表横向弥散系数。

由于系统动力学模型的实质是微分方程组，通过对前述方程(3)进行整理，得式(5)。

$C_{i,j}^{n+1}=C_{i,j}^n+(\frac{E_x^{i,j}{C}_{i+1,j}^n+E_x^{i,j}{C}_{i-1,j}^n}{{\mathrm{\Δx}}^2}+\frac{E_y^{i,j}{C}_{i,j+1}^n+E_y^{i,j}{C}_{i,j-1}^n}{\mathrm{\Δ}{y}^2}+\frac{u_{i,j}{C}_{i-1,j}^n}{\mathrm{\Δx}})\mathrm{\Δt}$ 公式(5)

$-(\frac{{2E}_x^{i,j}{C}_{i,j}^n}{\mathrm{\Δ}{x}^2}+\frac{2E_y^{i,j}{C}_{i,j}^n}{\mathrm{\Δ}{y}^2}+\frac{u_{i,j}{C}_{i,j}^n}{\mathrm{\Δx}}+k_{i,j}{C}_{i,j}^n)\mathrm{\Δt}$

以上对本发明的理论基础进行了描述。

对应上述二维水质模拟系统动力学模型，本发明实施例提供了一种水质信息计算装置。该装置用于水污染事故中模拟计算污染物的浓度，具体结构参照图4所示，包括：

信息输入模块1，用于输入反映上游河流断面污染物浓度的信息。

信息输入模块1输入的信息可以包括：初始断面的污染物浓度值C0、河流断面的纵向流速u_x、河流断面的纵向弥散系数E_x、河流断面的横向弥散系数E_y、河流断面污染物的衰减速率系数k、河流模拟纵向空间步长dx、河流模拟横向空间步长dy。

信息输入模块1可以具体是数字计算机的键盘、鼠标等信息输入设备。

计算模块2，用于根据信息输入模块1的输入信息，利用公式(5)所示的二维水质模拟系统动力学模型计算下游河流断面污染水质的污染物浓度。

需要说明的是：公式(5)是二维水质模拟系统动力学模型公式(1)采用有限差分法进行数值求解后得到的差分方程。

计算模块2可以具体是存储在计算机存储器中、反映公式(5)逻辑关系的一段计算机程序，该程序可以指导CPU动作，根据信息输入模块1中输入的信息计算河流某一时刻某断面处的污染物浓度值。

显示模块3，用于显示信息输入模块1输入的信息及计算模块2输出的计算结果。

显示模块3可以具体是计算机的显示器或者监视器等显示设备。与信息输入模块1和计算模块2通信，显示信息输入模块1的信息、计算模块2的计算结果，并显示各输入参数与输出结果之间的因果关系。

参照图5示出了本发明水质信息计算装置实施例的具体结构示意图，如图所示，信息输入模块1可以具体包括：

步长设定单元11，用于设置模拟计算过程的纵向空间步长Δx、横向空间步长Δy。

通过步长设定单元11，可以不断调整纵向空间步长Δx、横向空间步长Δy的值，不仅使上述各参数的关系满足公式(4)的要求，并且可以根据具体情况不断调试，以确定最优值。

具体地，Δx表示河流断面的纵向长度，Δy表示河流断面的横向长度，如图6所示，本发明实施例采用的模型为二维水质模型，可将河流分为平面网格进行模拟，展现水中污染物在时间及空间上的变化。例如：如果将一条10公里长、30米宽的河流纵向平均分为10段、横向平均分为3段，即形成了10×3的平面矩形网格，则每个网格的长度为Δx(1公里)，宽度为Δy(10米)，见图6所示。对应，河流断面的污染物浓度用C的二维数组C[i][j]表示。

边界条件输入单元12，用于输入模型的边界条件，上述边界条件包括但不限于初始断面的污染物浓度值。

本发明将河流视为二维流场，模型边界只考虑上游边界，以被研究河流断面初始断面的污染物浓度的实际监测值作为边界条件输入。

纵向流速输入单元13，用于输入河流某断面的纵向流速u_x。

弥散系数设定单元14，用于设定河流某断面的纵向弥散系数E_x和横向弥散系数E_y。

衰减速率系数设定单元15，用于设定河流某断面处污染物的衰减速率系数k。衰减速率系数k可以包括但不限于是因物理、化学、生物等作用引起的污染物衰减速率系数。

计算模块2具体包括：

流入速率计算单元21，用于根据信息输入模块1输入边界条件，如初始断面的污染物浓度值C0、河流断面的纵向流速u_x、河流断面的纵向弥散系数E_x、河流断面的横向弥散系数E_y、河流模拟纵向空间步长Δx，河流模拟横向空间步长Δy，计算河流断面经对流和弥散后的污染物浓度流入速率C_in。

流入速率计算单元21根据上述各变量计算C_in的公式为：

$\frac{E_x^{i,j}{C}_{i+1,j}^n+E_x^{i,j}{C}_{i-1,j}^n}{{\mathrm{\Δx}}^2}+\frac{E_y^{i,j}{C}_{i,j+1}^n+E_y^{i,j}{C}_{i,j-1}^n}{\mathrm{\Δ}{y}^2}+\frac{u_{i,j}{C}_{i-1,j}^n}{\mathrm{\Δx}}$ 即公式(5)的第二项。

其物理意义为：上一段河流通过对流和弥散两个物理过程输入到本段河流断面的污染物浓度的流入速率。由于C以二维数组的形式表现，因此，C_in同样也以二维数组的形式表现。

流出速率计算单元22，用于根据信息输入模块1输入边界条件如初始断面的污染物浓度值C0、河流断面的纵向流速u_x、河流断面的纵向弥散系数E_x、河流断面的横向弥散系数E_y、河流断面污染物的衰减速率系数k、河流模拟纵向空间步长Δx，河流模拟横向空间步长Δy，计算河流断面经过对流、弥散和衰减后的污染物浓度流出速率C_out。

流出速率计算单元22根据上述各变量计算C_out的公式为：

$\frac{{2E}_x^{i,j}{C}_{i,j}^n}{\mathrm{\Δ}{x}^2}+\frac{2E_y^{i,j}{C}_{i,j}^n}{\mathrm{\Δ}{y}^2}+\frac{u_{i,j}{C}_{i,j}^n}{\mathrm{\Δx}}+k_{i,j}{C}_{i,j}^n$ 即公式(5)的第三项。

其物理意义为：本段河流通过对流、弥散和衰减三个物理过程污染物减少污染物浓度的速率。由于C以二维数组的形式表现，因此，C_out同样也以二维数组的形式表现。

浓度计算单元23，用于根据第一计算单元21获得的污染物浓度流入速率C_in和第二计算单元22获得的污染物浓度流出速率C_out计算某一时刻、某河流断面污染物的浓度值。

具体计算公式为： $C_{i,j}^{n+1}=C_{i,j}^n+C_{in}*\mathrm{\Δt}-C_{\mathrm{out}}*\mathrm{\Δt}$

其中，上式表示的物理意义为：第(i，j)河流断面n+1时刻的污染物浓度

等于该河流断面n时刻的污染物浓度

与前一河流断面经过对流、弥散输入到本河流断面的污染物浓度C_in*Δt之和，减去本河流断面经过对流、弥散、衰减后减少的污染物浓度C_out*Δt。

在本发明的另一优选实施例中，上述计算模块2还可以进一步包括：

距离计算单元(图中未示出)，用于根据纵向流速输入单元13输入的纵向流速u_x计算污染物在模拟时间内流过的距离S。

进而可以采用模拟时间内流过的距离S以表函数信息反映与u、E_x、E_y、k的关系，更清楚、直观地表达u_x、E_x、E_y、k随空间、时间的变化趋势。

由于河流不同断面不同时刻的u_x、E_x、E_y、k四个变量的值是不断变化的，因此在污染事故过程中精确描述四个变量随空间和时间的分布几乎不可能。本发明实施例建立状态变量S的目的就是为了采用表函数的形式确定上述四个变量随S变化的曲线分布，从而近似表示它们的空间和时间分布。例如：污染物在模拟时间内流过的距离S为0～480km，u的取值范围为0～2.0km/h，u随S变化的表函数见图7所示。

显示模块3可以简单以表函数或图形方式呈现河流断面的纵向流速、河流断面的纵向弥散系数、河流断面的横向弥散系数、河流断面污染物的衰减速率系数与污染物在模拟时间内流过的距离的关系。也可以用图形方式清楚地展现二维水质模拟系统动力学模型的结构，显示效果如图8所示。在图8中，以模块图形及带箭头的曲线将模型变量间复杂的关系以图形方式呈现，清楚、明了地展现出二维水质模型的各变量与其影响因子之间的相互关系。模型模拟结果的空间可视化程度高，表达效果清晰和直观。

其中，图8中，模块dx、dy是步长设定单元11的图形呈现，dx、dy相当于Δx、Δy。模块C0是边界条件输入单元12的图形呈现。模块u是纵向流速输入单元13的图形呈现。模块E_x、E_y是弥散系数设定单元14的图形呈现。模块k是衰减速率系数设定单元15的图形呈现。模块C_in是流入速率计算单元21的图形呈现。模块C_out是流出速率计算单元22的图形呈现。模块C是浓度计算单元23的图形呈现。模块S是距离计算单元的图形呈现。模块f用以控制S的速率，其值等于河流纵向水流流速u_x。

该计算装置运用图形作为沟通语言建立变量间的因果反馈关系，将变量间的关系利用箭头连接，同时将各变量输入与其相关变量建立变量间的因果及反馈关系。这对模型结构的了解和改变具有很大的帮助，适合用于探讨具有变量间因果关系复杂、非线性、时变特点的水污染模拟问题。

需要说明的是，上述空间步长等参数是可以调整的，这样，在水污染事故处理过程中、水质监测人员可以通过上述各输入单元轻松地调控参数进行情景模拟，考察在不同参数或不同策略因素输入时系统动态变化的行为和趋势，从而为水污染应急措施的优选提供定量化的、科学的依据。

另外，该计算装置中的计算模型以反馈环路为基础，具有一定的参数不敏感性。在数据不足及某些参量难以量化时，只要估计的参数是落在其可信度之内，模型依然可以显现出相同的系统趋势、行为模式和波动周期等问题，适合由于水污染事故的突发性所造成的实时监测数据缺乏和某些参数难以确定的情况。

以上实施例对本发明提供的水质信息计算装置进行了详细的描述。需要说明的是，上述装置实施例属于优选实施例，所涉及的单元和模块并不一定是本发明所必需的。

对应与上述水质信息计算装置实施例，本发明还提供了一种计算水质污染浓度的方法，具体包括以下步骤：

步骤S1、信息输入模块接收包括初始断面的污染物浓度值、河流断面的纵向流速、河流断面的纵向弥散系数、河流断面的横向弥散系数、河流断面的污染物浓度衰减速率系数、河流模拟纵向空间步长、河流模拟横向空间步长信息；

步骤S2、计算模块根据上述信息，采用二维水质模拟系统动力学模型计算下游河流断面污染水质的污染物浓度。

具体地，计算模块根据上述信息计算某河流断面经对流和弥散后的污染物浓度流入速率和该河流断面经过对流、弥散和衰减后的污染物浓度流出速率，乘以时间，得出该河流断面某时刻的污染物浓度。

综上，本发明将系统动力学应用于水污染事故水质变化的动态模拟研究，建立了二维水质模拟系统动力学模型，并通过数字计算机进行计算和图形呈现，对污染物在河流中通过对流、弥散以及由化学反应和生物吸收引起的衰减等物理、化学和生物过程导致的浓度变化进行适时动态仿真模拟。实现对下游断面污染物的浓度预测，以及根据不同水文参数和应急调控策略的模型调控功能，为突发水污染事故应急措施方案的优选提供量化参考的依据。

并且，本发明采用的二维水质模拟系统动力学模型具备以下优点：一是具有较快的收敛速度，能在污染事故发生后迅速做出预测；二是具有很好的稳定性，能够在各种地理条件、水文条件下计算出合理的解；三是操作简单易行，在污染事故发生后能够通过简单的操作，迅速的获得满足一定精度要求的数值解；四是具有一定的参数不敏感性，能够应对由于数据缺乏造成的模型参数率定问题。在水污染事故的应急过程中，可以快速利用水质模型对污染物在随水流迁移过程中导致的浓度变化进行动态模拟，对下游段面污染物的浓度时空分布进行定量预测，以及能够根据各种需要通过模型调控进行多方案的模拟和比较，能够及时有效地给事故应急人员采取事故应变措施提供宝贵的决策依据，使污染物对河流水质的污染减低到最小。

本发明提供的水质信息计算装置和水质信息计算方法在水污染应急中的应用，将有助于提高我国水环境污染事故环境应急工作的科学性、有效性和定量性。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于方法实施例而言，由于其与装置实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见装置实施例的部分说明即可。

以上对本发明所提供的一种水质信息计算装置，以及一种计算水质污染物浓度的方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上上述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种水质信息计算装置，用于水污染事故中模拟计算污染物的浓度，其特征在于，包括：

信息输入模块，用于输入上游河流断面反映污染物浓度的信息；

计算模块，用于根据所述信息输入模块的输入信息，采用二维水质模拟系统动力学模型计算下游河流断面污染水质的污染物浓度；

显示模块，用于显示所述信息输入模块输入的信息及所述计算模块输出的计算结果。

2.根据权利要求1所述的水质信息计算装置，其特征在于，所述信息输入模块输入的信息包括：初始断面的污染物浓度值、河流断面的纵向流速、河流断面的纵向弥散系数、河流断面的横向弥散系数、河流断面污染物的衰减速率系数、河流模拟纵向空间步长、横向空间步长。

3.根据权利要求1所述的水质信息计算装置，其特征在于，所述计算模块采用的二维水质模拟系统动力学模型具体为：

$\frac{\∂C}{\∂t}=E_x\frac{{\∂}^{2}C}{\∂x^2}+E_y\frac{{\∂}^{2}C}{\∂y^2}-u_x\frac{\∂C}{\∂x}-\mathrm{kC}$

其中，C代表河流断面的污染物浓度，E_x代表河流断面的纵向弥散系数，E_y代表河流断面的横向弥散系数，u_x代表河流断面的纵向流速，k代表河流断面污染物的衰减速率系数。

4.根据权利要求1所述的水质信息计算装置，其特征在于，所述计算模块具体包括：

流入速率计算单元，用于根据所述信息输入模块输入的相关信息，计算河流断面经对流和弥散后的污染物浓度流入速率；所述相关信息包括：初始断面的污染物浓度值、河流断面的纵向流速、河流断面的纵向弥散系数、河流断面的横向弥散系数、河流模拟纵向空间步长、河流模拟横向空间步长；

流出速率计算单元，用于根据所述信息输入模块输入的相关信息，计算河流断面经过对流、弥散和衰减后的污染物浓度流出速率；所述相关信息包括：初始断面的污染物浓度值、河流断面的纵向流速、河流断面的纵向弥散系数、河流断面的横向弥散系数、河流断面污染物浓度的衰减速率系数、河流模拟纵向空间步长、河流模拟横向空间步长；

浓度计算单元，用于根据所述流入速率计算单元获得的污染物浓度流入速率和所述流出速率计算单元获得的污染物浓度流出速率计算某一时刻某河流断面污染物的浓度值。

5.根据权利要求4所述的水质信息计算装置，其特征在于，所述计算模块还包括距离计算单元，用于根据所述信息输入模块输入的河流断面的纵向流速，计算污染物在模拟时间内流过的距离。

6.根据权利要求5所述的水质信息计算装置，其特征在于，所述显示模块还用于以表函数或图形方式呈现河流断面的纵向流速、河流断面的纵向弥散系数、河流断面的横向弥散系数、河流断面污染物浓度的衰减速率系数与污染物在模拟时间内流过的距离之间的关系。

7.根据权利要求2所述的水质信息计算装置，其特征在于，所述河流模拟纵向空间步长Δx、横向空间步长Δy满足以下条件：

$\frac{\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\Δx}}\≤\frac{1}{u},\frac{\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\Δ}{x}^2}\≤\frac{1}{2E_x},\frac{\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\Δ}{y}^2}\≤\frac{1}{2E_y}$

其中，u代表河流断面的纵向平均流速，E_x代表河流断面的纵向弥散系数，E_y代表河流断面的横向弥散系数。

8.一种水质信息计算方法，利用权利要求1至7任一所述的水质信息计算装置模拟计算水质污染物浓度，其特征在于，包括：

信息输入模块接收包括初始断面的污染物浓度值、河流断面的纵向流速、河流断面的纵向弥散系数、河流断面的横向弥散系数、河流断面的污染物浓度衰减速率系数、河流模拟纵向空间步长、河流模拟横向空间步长信息；

计算模块根据上述信息，采用二维水质模拟系统动力学模型计算下游河流断面污染水质的污染物浓度。

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