CN102663223A - 复杂河网突发污染事件动态污染场计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂河网突发污染事件动态污染场计算方法。本发明提供的方法，包括如下步骤：1)根据污染源位置和河道空间分布确定模型计算的河网区域范围，用软件进行河道断面和节点划分，得到河网的断面空间分布；2)分别获取数据1、数据2、数据3、数据4和数据5；3)将2)得到的数据1-5分别输入开放水体污染应急系统，软件号：2011SR086425，分别生成如下相应的数据文件。本发明的实验证明，由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明开发和应用的一维河网模型采用环状和枝状混合河网统一求解模式，可以实用任意河网的求解，河网模型求解快速，具有灵活快速的特点。

Description

复杂河网突发污染事件动态污染场计算方法

技术领域

本发明涉及数值建模方法，尤其涉及一种复杂河网突发污染事件动态污染场计算方法。

背景技术

复杂河网地区的水环境不仅对区域的景观生态，同时对水体中的生物群落、饮用水安全等方面有重要的影响，当污染事故发生后，需要快速计算出各种因素影响下污染物浓度场的动态分布，并进行直观的显示，然后在根据污染场的动态变化和污染物的理化特性采用一定的工程和其它非工程措施确定出减少污染损失的有效办法。当前，我国水污染事故日益频发，但水环境风险预警应急技术相对落后，急需要研发出相关的计算、可视化与管理系统，为污染事故的快速计算、情景分析、事故评估和防污决策提供手段与依据。

对于污染物突发事件常有特点如下：

(1)突发水体污染事故的地点是：河道、沟渠、管道、河网、水库、湖泊等，本申请涉及的主要是河道、沟渠、河网的自由明渠水体，这些水体的空间尺度变化较大，边界复杂，河网形态和类型众多，这需要模型所采用的计算网格和断面在计算边界拟合、断面布设、加密和组合等控制方面有较强的适用能力，并能适用于各种河网类型及其不同的流动形态，而大多数模型采用的单一河道和简单河网很难灵活适应这些具有复杂变化的边界；

(2)由于点、面源污染事故发生具有突发性，发生污染的位置和个数据有较大的偶然和变动性，因此需要在模型计算过程中任意灵活给定，即当在程序界面上给定污染源的位置、时间和排放方式后需要设计专门的算法转化成水质数学模型特需的边界形式；

(3)由于污染物的种类繁多、物理化学参数各异，各种污染物在水中的降解和反应系数差异较大，很难也没有必要在模型中全面计算各种污染物，依据相关数据库查询污染物理化参数并输入到模型界面对话框中进行计算，即模型的参数需要灵活设定；

(4)计算结果需要进行多用户、多权限(专家、管理部门、公众)快速动、静态态显示与发布，以便于专家对污染事故快速决策，公众的快速了解与撤离等。从上述特点来看，目前绝大多数水质模型与软件、可视化平台都没有具体针对水环境应急决策这一特殊问题开展专门的计算方法与软件平台研究。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种河网区域突发污染事故污染场动态变化的检测方法。

本发明提供的方法，包括如下步骤：

1)根据污染源位置和河道空间分布确定模型计算的河网区域范围；

2)分别获取数据1、数据2、数据3、数据4和数据5；

上述数据1为先用软件1进行步骤1的河网区域范围的河道断面和节点划分，得到河网的断面空间分布；再根据每个所述断面的实测地形通过软件2进行河道大断面地形插值，得到断面数据和插值数据作为数据1；数据1具体如表1所示：

表1为断面数据插值数据

上述数据2为根据污染发生的时间确定模型计算的时间范围和模型计算时间步长得到模型计算控制表，作为数据2；上述数据2为开始模拟时间、结束模拟时间、计算时间步长、输出时间步长、初始水位、开始时刻风场和结束时间风场，如表2所示；

表2为模型计算控制表

开始模拟时间	……
		结束模拟时间	……
计算时间步长(Sec)	……
		输出时间步长(Sec)	……
初始水位(黄海高程m)	……
		开始时刻风场速度(m/s)	……
开始时刻风场方向(度)	……
		结束时刻风场速度(m/s)	……
结束时刻风场方向(度)	……

上述数据3为获取计算区域边界断面上所需要的水位、流量或本底水质浓度时间序列条件，通过模型计算时间步上的插值后付给模型，作为计算边界条件，即为数据3，如表3和表4所示：

表3为边界文件组织表

边界编号

所属汊点编号

边界名称

边界HQ类型

所属河道编号

所属断面号

文件名

表4为边界文件数据内容形式(DatongQ0707.txt)

其它边界条件数据格式与此类似，只是单位不同，水位单位为m，流量单位为m³/s，水质单位为mg/l。

数据3是河网模型边界条件的组织形式，提供边界条件对应的断面编号，边界的类型、对应的边界数据文件名称等。

数据4根据污染事故的影响时间尺度确定模型计算的时间范围，其变化范围为几小时至几年，污染事故发生的时间应该包括在模型的计算的时间范围内，模型计算时间步长与水流流态及其大断面的间距有关，一般情况下取值为300s，计算时刻风速及其初始的水位条件采用现场估计或实测值。

上述数据4为设定模型中每个断面计算初始时刻的水位、初始的流量、初始的流速和初始的待测污染物的浓度作为数据4；

复杂河网初始的水位和流量比较复杂和繁琐，合理的设定水位和流量值对模型的求解稳定性有一定的帮助，本申请构建的模型可以采用自动迭代求解，无需人工设定，且求解具有较好的精度；

上述数据5为检测待测污染物的种类、泄漏点个数、泄漏时间、泄漏点的位置坐标、泄漏重量、密度、水中溶解速率、饱和溶解度、挥发性和降解速率作为数据5，如表5所示：

表5为点源位置污染物质的参数

模型会根据事故点的位置坐标采用最近距离的方法确定出污染事故点所对应的模型断面；

3)采用数值计算模型软件读取数据1-5并进行动态计算，得到每个断面位置处不同时刻的水流流速、断面平均流量和污染物浓度，从而得到河网系统的污染物动态。

模型在计算过程中会根据上述数据信息进行自动的计算，并输出相应的计算结果。

模型计算所需要的基础数据为上述河网大断面数据文件(数据1)、所述河网子河道-节点-断面拓扑结构文件(数据2)、所述模型计算控制文件(数据3)、所述边界条件时序文件(数据4)和所述初始条件数据文件(数据5)，准备好上述文件后即可进行计算。

在上述方法中，步骤2)中，所述软件1为ArcGIS，所述软件2为Tecplot；

所述数据1中的插值地形的计算方法为三角平面线性插值算法；

所述数据5中的位置坐标为经纬度坐标或方里网坐标；本申请构建了两个坐标的相互转换子程序；

步骤3)中，所述数值计算模型软件为开放水体污染应急系统，软件号：2011SR086425，提交日期，2010-12-26。

在上述方法中，模型中所用到的控制方程包括：一维明渠非恒定流方程组、水质连续方程、系列与纵向扩散系数、污染物物理化学降解的辅助方程；非恒定流方程组采用Preissmann格式离散，并根据河网中各条河道进出流量满足质量守恒构建系列线性方程组，采用线性矩阵的求解算法进行求解即可算出每个断面的水位和流量过程，然后求解水质过程，水质方程采用迎风隐式差分进行离散，分为不同的流态并结合不同化学物质的物理、化学和生物的降解过程和特定参数即可构建线性方程组，最后求解污染物线性方程即可求解出不同断面的不同时间的待测污染物的浓度，并输出河网系统的污染物时空动态变化过程的计算结果。

上述的模型计算方法中，所述一维明渠非恒定流方程组如下：

连续方程： $\frac{\∂A}{\∂t}+\frac{\∂Q}{\∂x}=q---\left(1\right)$

运动方程： $\frac{\∂Q}{\∂t}+\frac{\∂}{\∂x}\left(\frac{Q^2}{A}\right)+\mathrm{gA}(\frac{\∂Z}{\∂x}+s_f+s_e)+L=0---\left(2\right)$

式中：A-过水断面面积，Q-流量，q-旁侧入流，x-沿主流向的曲线距离，t-时间，g-重力加速度，Z-水位，s_f-能坡，其表达式为：

式中n为糙率系数，在具体的计算过程中需要根据实际情况率定，B为河宽，s_e-河道的局部水头损失坡降，L-侧向流的动量：当侧向入流时，(u_b为侧向入流沿主流向x的速度分量)；当侧向出流时，L＝-qQ/A。

所述水质连续方程如下：

河道方程： $\frac{\∂\left(\mathrm{AC}\right)}{\∂t}+\frac{\∂\left(\mathrm{QC}\right)}{\∂x}-\frac{\∂}{\∂x}\left({\mathrm{AE}}_x\frac{\∂C}{\∂x}\right)+S_c-S=0---\left(3\right)$

河道交汇点方程： $\underset{l=1}{\overset{\mathrm{NL}}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\mathrm{QC}\right)}_{l,j}={\left(\mathrm{C\Ω}\right)}_j{\left(\frac{\mathrm{dZ}}{\mathrm{dt}}\right)}_j+S_j---\left(4\right)$

式中：Q、Z分别为流量和水位；A为河道断面面积；E_x为纵向分散系数；C为水流中输送的物质浓度；Ω为河道交汇点-节点的水面面积；j为节点编号；l及NL为与节点j相连接的河道编号及河道数；S_c为与输送物质浓度有关的衰减相，可写为S_c＝k_dAC；K_d为衰减因子；S为河道外部的源或汇项；S_j为节点内部和外部的源或汇项。

所述系列与纵向扩散系数如下：

纵向扩散系数主要采用的公式形式为：

E(x)＝Max(0.007·(B/H)^2.1·|U/U_*|^0.7·H·U_*，5.0)           (5)

纵向扩散系数的单位为m²/s，一般取值在5-100之间：式中B为河宽，单位为m，H为河道水深，单位为m，U_*摩阻流速的表达式为：

单位为m/s，g为重力加速度，数值为9.81，J为水面比降，为无量纲单位。

所述污染物化学降解的辅助方程如下：

针对不同的污染物质的化学参数在公式(3)中使用S_c来加以表示，其计算公式与污染物质的物化性质有密切关系，参数复杂多样，但其主要的表达形式为：

S_c＝f(k，t，C-C_max，V_Disolve，C_max，S_Volat......)           (6)

式中k为污染物质的降解常数，与污染物质的物化特性有关，C为水流中输送的物质浓度，C_Max为污染物质的最大浓度，也是污染物质的饱和溶解度，其单位为mg/l，V_Disolve为可溶固体污染物质的溶解速度，单位为每kg的固体球状污染物质固体颗粒每秒在水中的溶解的质量(mg)，单位为：mg/Sec/kg，S_Volat为污染物质的挥发特性，单位为mg/Sec/kg。

本发明采用的技术方案如下：

为了有效考虑河网等复杂结构水系的水污染快速输运过程，通过构建混合河网结构的求解模型进行快速求解，该求解模式可以考虑非恒定流作用下及不同排放方式作用下的污染物输运过程；

由于实际计算过程中可能会采用不同的坐标体系(经纬度，xy坐标等)，因此开发了基于高斯-克吕格方法的经纬度和xy坐标转化模型，并集成于系统之中，以满足不同坐标系统的求解问题，增加计算的灵活性和减小人为工作量；

本文模型充分考虑到了计算的灵活性，都是“无结构”形式的网格，因此计算具有较好的通用性；

本发明的实验证明，由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明开发和应用的一维河网模型采用环状和枝状混合河网统一求解模式，可以实用任意河网的求解，河网模型求解快速，具有灵活快速的特点；2、模型能够适应各种复杂的突发点和面源污染事故、污染物参数和实际理化因子的灵活配置并进行模拟；3、开发出污染场动态输运可视化系统和相应的系统参数配置系统平台；4、本发明提供了一种高效、快速、准确的复杂河流水环境数值模拟方法，可广泛用于复杂河网水环境突发污染事件数值模拟(或者是“模拟”或者是“预测”或者是“应急预测”等)过程中。该方法可对各种复杂河网的水环境的突发污染事故进行全面、高效、准确的模拟计算。

附图说明

图1为计算系统流程图

图2为河网断面分布图(长江下游)

图3为长江南京段、滁河下游及其南京工业园区河网分布图

图4为一维河网模型计算的局部流场和水位分布图

图5为长江南京化工区河网点源排放污染物质浓度分布计算结果(图中坐标单位为经纬度)

图6为零维模型计算的点源污染源在均匀流速场作用下污染场动态变化过程(图中坐标单位为m)

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

由于发生污染事故的水体可能是河流、湖泊、河口、复杂河网等区域，本申请的主要限于狭长型的河道、沟渠，尤其针对于复杂河网的情况，求解的要素很多，因此本申请分为六种排放方式进行求解。

以下的实施例便于更好地理解本发明，但并不限定本发明。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。

实施例1：一维模型检测

系统的实施主要涉及研究区域的选择和网格生成、地形插值、模型计算时段和步长确定、边界条件、初始条件的输入、泄漏污染物质的特征参数确定、坐标转化、模型计算及其结果输出等，涉及的流程图见图1，下面以南京八卦洲区域硝基苯污染对南京河段及其长江下游影响为例对本发明的技术方案进行阐述。

假定南京龙翔液体化工码头仓储有限公司罐区苯酚泄露事故，事故所处断面是一维河网编号为1173的断面，事故点的经纬度为(118.824989 32.289437)排放物质特性：苯酚30t，瞬时排放。这里以长丰河路(赵桥河以北，留左村路段)运行车辆发生苯酚泄漏事故为例，泄漏量以规模为30t的槽车计。由于长丰河路一面紧挨着长丰河，没有任何围栏等防护措施，发生泄漏扩散后，大量污染物会快速进入长丰河，现场控制稍有不慎，还会进入长江，将会严重污染饮用水源和破坏水生环境，威胁周围居民的健康。

1、确定计算区域范围

根据污染源位置和河道空间分布确定模型计算的河网区域范围，用ArcGIS软件进行河道断面和节点划分，得到河网的断面空间分布。

一维模型的计算量相对较小，计算区域和计算时间尺度可以选择较大，本计算的空间范围选择为整个长江下游段(大通-长江口)，全长约600km(如图2)，区间包含重要的河网及其支流滁河中下游重要河网(覆盖整个南京工业园区区域，见图3)，选择此范围有利于计算发生在长江下游沿岸的污染事故的污染场在下游的输运过程及其长期影响，同时还可以提供给二、三维模型提供边界和初始条件。

2、分别获取数据1、数据2、数据3、数据4和数据5；

1)数据1的获得

进行网格的划分及其插值：计算网格为系列河道的大断面，大断面的间距一般为1-5km，模型中用到的断面个数为：1217个，计算过程中可以根据收集的实测地形插值出网格节点的地形分布，如地形数据缺少或要求快速计算的条件下，可以根据计算经验对模型网格节点的地形进行假定，在本研究案例中，用实测的地形数据进行插值(用Tecplot软件)，插值的算法采用基于三角网格的三角平面线性插值算法进行插值地形(结果具体见表1)。

表1河网模型河道大段断面数据插值数据说明

2)、数据2的获得

进行模型计算时段和步长确定：根据污染发生的时间确定模型计算的时间范围和模型计算时间步长得到模型计算控制表，作为数据2。

模型的计算时间范围需要包含污染发生及其随后的有效影响的时间范围，且与模型的计算速度有密切关系，模型的计算时间段为1个月，在输入文件inputSource.txt中，文件主要内容解释为(模型计算的时间范围和模型计算时间步长数据为表2)：

表2为模型计算控制表

开始模拟时间	2007-01-0308:00:00
		结束模拟时间	2007-01-1008:00:00
计算时间步长(Sec)	300
		输出时间步长(Sec)	3000
初始水位(黄海高程m)	4.3
		开始时刻风场速度(m/s)	5.0
开始时刻风场方向(度)	90
		结束时刻风场速度(m/s)	5.0
结束时刻风场方向(度)	90

3)、数据3的获得

进行边界条件确定：获取计算区域边界断面上所需要的水位、流量或本底水质浓度时间序列条件，通过模型计算时间步上的插值后付给模型作为计算边界条件，即为数据3。

边界条件包括水流边界条件和水质本底值边界条件，边界条件主要为水位、流量和各类本底污染物质的浓度，其主要的数据是时间序列过程，由于不同的计算区域其边界条件个数和类型不同，采用的数据结构如表3所示，相应数据存储于Boundarypoint structure data.txt中。表3中的最后一列存储各个文件中。其中第一个站流量边界条件形式如表4所示，其它边界条件数据格式与此类似，只是单位不同，水位单位为m，流量单位为m³/s，水质单位为mg/l：

表3边界文件组织表

边界编号	所属汊点编号	边界名称	边界HQ类型	所属河道编号	所属断面号	文件名
							1	1	大通	2	1	1	DatongQ0707.txt
2	18	赤镇	2	55	791	ChizhQ0707.txt
							3	20	襄河全椒	2	95	1086	QuanjQ0707.txt
4	24	清流和来安河	2	96	1098	QinglQ0707.txt
							5	35	沛河进口	2	97	1108	PeiheQ0707.txt
6	51	皂河进口	2	98	1114	ZhaohQ0707.txt
							7	53	八百河陈杨	2	114	1208	ChenyQ0707.txt
8	85	吴淞	1	53	761	WusongZ0707.txt
							9	86	连心港	1	54	790	WusongZ0707.txt

上述表3中的HQ类型中的1代表水位过程标识，2代表流量过程标识。

表4边界文件数据内容容形式(DatongQ0707.txt)

4)数据4的获得

设定模型中每个断面计算初始时刻的水位、初始的流量、初始的流速和初始的待测污染物的浓度作为数据4；

初始条件的输入：初始条件包括初始的水位、流量、流速及其污染物浓度等条件，本申请所建立的模型系统直接根据具体情况在模型系统中给定，或者通过模型的冷启动过程中直接计算给定，在一维河网是通过迭代计算求解。由于在复杂河网中很难准确给定，本申请开发的模型具有采用高水位逐渐下降至给定水位的迭代算法可以很好解决这个问题。

5)数据5的获得

点源位置污染物质的参数确定：检测待测污染物的种类、泄漏点个数、泄漏时间、泄漏点的位置坐标、泄漏重量、密度、水中溶解速率、饱和溶解度、挥发性和降解速率作为数据5。

在模型系统中需要对污染物质种类(假定为硝基苯)，排放点个数、排放时间、位置坐标、排放重量、密度、水中溶解速率、饱和溶解度(％)、挥发性Kg/(S.Kg)等需要进行数据说明。其数据存储于inputsourcedata(Pointwq).txt中。具体的设置见表5，表中的参数主要通过查询系统中的相应文件来获取。

表5为点源位置污染物质的参数

其中，通常条件下，我国地图坐标系统主要采用方里网、经纬度坐标系统等，在中大比例尺的地图系统下，主要采用高斯-克吕格分3度和6度带进行投影，为了针对不同的坐标系统，单独编写了基于高斯-克吕格投影分带投影作用下两个坐标系统的相互转化子模型C#类，并集成在系统中实现在经纬度地图中直接实现点源污染物位置经纬坐标的提转化为方里网坐标，同时在数据可视化的过程中也可将方里网坐标转化为经纬度坐标。

3、模型运行

模型的主要算法说明：模型中子河道采用的一维明渠非恒定流方程组(圣维南方程组)，计算采用Preissmann格式离散控制方程，对于较小的河道交汇区，水位涨落引起的水体容积变化可以忽略，根据交汇区各条进出子河段进出流量满足质量守恒构建求解矩阵进行求解。由于河网结构复杂，河道纵横交错，尤其对于平原河网地区，水流流向顺逆不定、水流中输送的物质浓度属非稳态非均匀变化等特点。本研究开发的模型采用顺、逆、顺逆、逆顺等四种流态求解方法，污染物质的输运方程采用隐式方法进行求解，运用这一方法进行数值求解，不仅能反映平原河网水环境的各种特点，而且还具有所需的计算机内存少，计算速度快，计算相对准确的特点。

将步骤2得到的数据1-5分别输入数值计算模型软件(开放水体污染应急系统，软件号：2011SR086425，提交日期，2010-12-26)读取数据1-5即可进行污染事故污染场的动态计算，模型在计算过程中会根据上述数据信息进行自动的计算，并输出相应的计算结果。

计算模型所用到的方程如下：

连续方程： $\frac{\∂A}{\∂t}+\frac{\∂Q}{\∂x}=q---\left(1\right)$

运动方程： $\frac{\∂Q}{\∂t}+\frac{\∂}{\∂x}\left(\frac{Q^2}{A}\right)+\mathrm{gA}(\frac{\∂Z}{\∂x}+s_f+s_e)+L=0---\left(2\right)$

式中：A-过水断面面积，Q-流量，q-旁侧入流，x-沿主流向的曲线距离，t-时间，g-重力加速度，Z-水位，s_f-能坡，其表达式为：

式中n为糙率系数，在具体的计算过程中需要根据实际情况率定，B为河宽，s_e-河道的局部水头损失坡降，L-侧向流的动量：当侧向入流时，(u_b为侧向入流沿主流向x的速度分量)；当侧向出流时，L＝-qQ/A。

所述水质连续方程如下：

河道方程： $\frac{\∂\left(\mathrm{AC}\right)}{\∂t}+\frac{\∂\left(\mathrm{QC}\right)}{\∂x}-\frac{\∂}{\∂x}\left({\mathrm{AE}}_x\frac{\∂C}{\∂x}\right)+S_c-S=0---\left(3\right)$

河道交汇点方程： $\underset{l=1}{\overset{\mathrm{NL}}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\mathrm{QC}\right)}_{l,j}={\left(\mathrm{C\Ω}\right)}_j{\left(\frac{\mathrm{dZ}}{\mathrm{dt}}\right)}_j+S_j---\left(4\right)$

式中：Q、Z分别为流量和水位；A为河道断面面积；E_x为纵向分散系数；C为水流中输送的物质浓度；Ω为河道交汇点-节点的水面面积；j为节点编号；l及NL为与节点j相连接的河道编号及河道数；S_c为与输送物质浓度有关的衰减相，可写为S_c＝K_dAC；K_d为衰减因子；S为河道外部的源或汇项；S_j为节点内部和外部的源或汇项。

所述系列与纵向扩散系数如下：

纵向扩散系数主要采用的公式形式为：

E(x)＝Max(0.007·(B/H)^2.1·|U/U_*|^0.7·H·U_*，5.0)          (5)

纵向扩散系数的单位为m²/s，一般取值在5-100之间：式中B为河宽，单位为m，H为河道水深，单位为m，U_*摩阻流速的表达式为：单位为m/s，g为重力加速度，数值为9.81，J为水面比降，为无量纲单位。

所述污染物化学降解的辅助方程如下：

针对不同的污染物质的化学参数在公式(3)中使用S_c来加以表示，其计算公式与污染物质的物化性质有密切关系，参数复杂多样，但其主要的表达形式为：

S_c＝f(k，t，C-C_max，V_Disolve，C_max，S_Volat......)          (6)

式中k为污染物质的降解常数，与污染物质的物化特性有关，C为水流中输送的物质浓度，C_Max为污染物质的最大浓度，也是污染物质的饱和溶解度，其单位为mg/l，V_Disolve为可溶固体污染物质的溶解速度，单位为每kg的固体球状污染物质固体颗粒每秒在水中的溶解的质量(mg)，单位为：mg/Sec/kg，S_Volat为污染物质的挥发特性，单位为mg/Sec/kg。

采用Preissmann格式离散方法，根据河网中各条河道进出流量满足质量守恒构建求解矩阵进行求解得到不同断面的不同时间的待测污染物的浓度。

上述一维模型计算出的水动力和污染物质计算结果见图4和图5，图4是河网模型计算的南京工业园区复杂河网的水位和流量的计算结果，并根据抛物线经验分布计算出河网的流场分布图。从图中看出，模型计算的复杂河网的水位和流场空间分布合理，通过其他区域的计算表明模型计算的水位和流量的分布与实测值具有较好的吻合，可以满足污染应急计算的要求。图5是模型计算的在设计的污染物排放情况下，某一时刻南京化工区污染物浓度的空间变化过程。从图中可以看到污染物在河网中的空间分布情况和影响区域。

从上述结果可以看出河网系统的污染物动态。

实施例2、零维模型的主要的计算方法和步骤：

对于需要快速估算且地形、水位和流量等边界条件数据缺少的情况下，可以考虑使用零维模型来进行快速的计算。模型的采用持续和瞬时点源公式来加以计算。

(1)模型的主要原理：

瞬时源二维扩散模型方程为：

$\frac{\∂c}{\∂t}+U\frac{\∂c}{{\∂x}_1}=D_{11}\frac{{\∂}^{2}c}{{{\∂x}_1}^2}+D_{22}\frac{{\∂}^{2}c}{{{\∂x}_2}^2}---(3-1)$

该方程的求解为： $c(x_1,x_2,t)=\frac{M}{\sqrt{4\mathrm{\π}{D}_{11}{D}_{22}}}\exp [-\frac{{(x_1-U_t)}^2}{4D_{11}t}-\frac{x_2^2}{4D_{22}t}]---(3-2)$

式中c为物质浓度，x₁，x₂分别为x，y两个方向的坐标，D₁₁，D₂₂分别为x，y两个方向的紊动扩散系数，M为物质质量(kg)；

对于连续源二维扩散计算公式，其计算公式形式为：

$c(x_1,x_2)=\frac{\stackrel{\·}{M}}{U\sqrt{4\mathrm{\π}{\mathrm{Dx}}_1/U}}\exp [-\frac{x_2^{2}U}{4{\mathrm{Dx}}_1}]---(3-3)$

式中

为线源强度，级每单位长度单位时间内扩散出的质量。公式的适用范围是计算t？

的情况，此时浓度分布趋于稳定。公式的计算结果才成立。

模型在编写过程中，分为x，y两个方向，点源的位置(x0，y0)，其扩散的距离是相对于点源的位置。计算其点源不同时刻的对流扩散作用下的浓度变化。

(2)计算区域的网格剖分与网格区域水深

其主要的网格剖分方法与二维模型的网格剖分方法相同，尤其0维模型不需要详细地形，只需要给出计算区域平均的水深即可；

(3)污染源位置设定：其设定方法与上述一维河网和二维模型相同；在0维模型的污染物质不考虑污染物质的下沉、化学反应；

(4)边界条件的给定：零维模型中需要给出区域流速场，一般情况下给定均值即可，也可以直接调用二维模型计算的流场使得计算更加合理；

(5)计算运行及其结果

设定好上述的各种条件后，即可运行模型，假定一个点源污染物质在均匀水流中，模型的计算得到的不同时刻污染物质的扩散和稀释过程如下图6所示，从图中可以看出，零维计算模型能够出污染物质的对流和扩散过程；模型中可以设定x，y方向的扩散系数以反映出物质在主流和横向流方向的紊动扩散的差异。

小结：

由于开发的模型具有通用性，开发的软件系统(二维模型部分)实际应用于大连石油泄漏污染场的实际计算，并为环保部和863环评专家评价大连石油泄漏对海域环境的影响评价提供技术和计算支持，同时专利涉及的技术(一维模型部分)还用于三峡水库调度作用下库区假定污染物的迁移和扩散过程，唐山陡河水库的污染场的计算，具有较好的应用前景。

Claims (2)

1.一种河网区域突发污染事故污染场动态变化的检测方法，包括如下步骤：

1)根据污染源位置和河道空间分布确定模型计算的河网区域范围；

2)分别获取数据1、数据2、数据3、数据4和数据5；

所述数据1为先用软件1进行步骤1的河网区域范围的河道断面和节点划分，得到河网的断面空间分布；再根据每个所述断面的实测地形通过软件2进行河道大断面地形插值，得到断面数据和插值数据作为数据1；

所述数据2为根据污染发生的时间确定模型计算的时间范围和模型计算时间步长得到模型计算控制表，作为数据2；

所述数据2为开始模拟时间、结束模拟时间、计算时间步长、输出时间步长、初始水位、开始时刻风场和结束时间风场；

所述数据3为获取计算区域边界断面上所需要的水位、流量或本底水质浓度时间序列条件，通过模型计算时间步上的插值后付给模型作为计算边界条件，即为数据3；

所述数据4为设定模型中每个断面计算初始时刻的水位、初始的流量、初始的流速和初始的待测污染物的浓度作为数据4；

所述数据5为检测待测污染物的种类、泄漏点个数、泄漏时间、泄漏点的位置坐标、泄漏重量、密度、水中溶解速率、饱和溶解度、挥发性和降解速率作为数据5，

3)采用数值计算模型软件读取上述1)得到的数据1-5并进行动态计算，得到每个断面位置处不同时刻的水流流速、断面平均流量和污染物浓度，从而得到河网系统的污染物动态。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

步骤2)中，所述软件1为ArcGIS，所述软件2为Tecplot；

所述数据1中的插值地形的计算方法为三角平面线性插值算法；

所述数据5中的位置坐标为经纬度坐标或方里网坐标；

步骤3)中，所述数值计算模型软件为开放水体污染应急系统，软件号：2011SR086425。

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