CN103077307A - 一种基于干旱缺水河流生态修复的水动力学模拟方法 - Google Patents

Abstract

一种基于干旱缺水河流生态修复的水动力学模拟方法，属于河道生态修复技术领域，其特征在于：对于现状河道，采用二维水动力学模型计算流速分布，以确定河道主流线和流势；对于生态工程初步设计完成后的河道，采用一维水动力学模型求解水面沿河道变化的特征，以保证防洪安全；采用二维水动力学模型计算流速分布，以确定河道主流线和流势；对于生态修复后的河道采用水质模型计算COD和氨氮两种污染物的沿程分布。本发明把不同维数的数学模型结合起来，在生态修复的不同阶段，采用不同的模型，既保证模型预测精度，又保证了计算速度的提高，同时又综合考虑了重要污染物的浓度分布和变化，解决了精度和速度的矛盾。

Description

一种基于干旱缺水河流生态修复的水动力学模拟方法

技术领域

本发明涉及一种基于干旱半干旱地区的河道生态修复的水动力学模型方法，可以预测河道的流速流势和河道的防洪安全，为生态工程的设计提供支撑，并可以预报水质情况，属于河道生态修复技术领域。

背景技术

河流是在自然界中最常见的水体之一。河流一方面在为国民经济的发展和人民生活提供很多便利，灌溉、排水、航运、发电等水利工程作用的发挥，都是以河流为基础的，另一方面洪水也是自然灾害之一，洪水带来的河道和堤防安全隐患是河道治理中的首要问题。随着经济的发展，很多河流成为工业和生活的就近纳污场所，受到不同程度的污染。缺水干涸的河流成为挖沙采沙工地，沙石坑使得河道的地形严重复杂化。

随着人们生活水平的提高及经济的不断进步，河道管理的内容已经逐渐拓展到整个河流的生态层面上。干旱半干旱地区的缺水少水河道的生态修复问题也已经提上日程。生态修复工程在河道中的布置，应该保护河道易冲刷的区域，同时应顺应河道原有的河势；生态修复后的河流，糙率发生变化，河道和堤防的安全问题，生态修复工程的安全问题，以及河道水质状况都是需要解决的问题。

干旱半干旱地区的河流，生态系统严重退化，河床沙化严重，不能只靠简单的生态浮岛就可以解决河道的生态问题。在生态修复过程中，面临的问题和矛盾是传统的单一水力学模型系统所不能回答和解决的，单纯采用一维，或者二维都是不妥当的。模型的维数越高，计算的精度越高，但是计算速度越慢，因此应该将不同维数的模型结合起来，既保证模型预测的精度，又保证模型计算的速度，另外，由于涉及到水质问题，模型应该综合考虑污染物的浓度的分布和变化。

发明内容

本发明主要针对实际工程需要，建立了一种基于河道生态修复的水动力学模型系统，该系统涵盖水面线预报，主流路以及河势分布，污染物浓度分布等模拟功能，具有功能齐全，方便实用的特点。其特征在于，是在计算机中依次按以下步骤实现的：

步骤(1) 计算机首先判断输入的河道状态信号：现状河道、生态工程初步设计完成后的河道、或生态修复后的河道；

对于现状河道，执行步骤(3)；

对于生态工程初步设计完成后的河道，执行步骤(2)(3)；

对于生态修复后的河道，执行步骤(4)；

步骤(2) 对于生态工程初步设计完成后的河道，按下式计在时刻t下，按下列联立方程组计算河道水位Z沿距离x的变化情况

$\frac{\∂A}{\∂t}+\frac{\∂Q}{\∂x}=0$

$\frac{\∂Q}{\∂t}+\frac{\∂}{\∂x}\left(\frac{Q^2}{A}\right)+\mathrm{gA}\frac{\∂Z}{\∂x}+g\frac{Q\left|Q\right|}{C^2\mathrm{AR}}=0$

A为过水面积，是流量Q和水位Z的函数；

Q为流量，未知量；

t为时间；

x为沿程距离；

g为重力加速度；

Z为水位，未知量；

是水力半径，湿周χ可根据水位Z可以求出；

为谢才阻力系数，n为糙率系数，根据在河道中的不同的位置分区给出；

步骤(3) 对于现状河道或生态工程初步设计完成后的河道，解下述联立方程组

$\frac{\∂h}{\∂t}+\frac{\∂\mathrm{uh}}{\∂x}+\frac{\∂\mathrm{vh}}{\∂y}=0$

$\frac{\∂u}{\∂t}+u\frac{\∂u}{\∂x}+v\frac{\∂h}{\∂y}+g\frac{\∂h}{\∂x}+g\frac{u\sqrt{u^2+v^2}}{C^2}=v_t(\frac{{\∂}^{2}u}{\∂x^2}+\frac{{\∂}^{2}u}{\∂y^2})$

$\frac{\∂v}{\∂t}+u\frac{\∂v}{\∂x}+v\frac{\∂v}{\∂y}+g\frac{\∂h}{\∂y}+g\frac{v}{h}\frac{\sqrt{u^2+v^2}}{C^2}=v_t(\frac{{\∂}^{2}v}{\∂x^2}+\frac{{\∂}^{2}v}{\∂y^2})$

h为水深，未知量；

g为重力加速度；

为谢才阻力系数，n为粗糙系数，根据在河道中的不同的位置分区给出；

v_t为x、y方向紊动粘性系数，取为0.002；

u、v分别表示x、y方向水流运动速度，未知量；

步骤(4) 对于生态修复后的河道，设定再生水的流量和浓度，排入口的位置和河道中的流量,按下式计算COD和氨氮两种污染物的沿程分布

$\frac{\∂}{\∂t}\left(\mathrm{AS}\right)=\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{AE}\frac{\∂S}{\∂x}\right)-\frac{\∂\left(\mathrm{QS}\right)}{\∂x}+A\frac{\mathrm{dS}}{\mathrm{dt}}+S_u$

S是河道中污染物浓度，表示COD或者氨氮的浓度，未知量；

E是纵向离散系数，采用费希尔公式E=0.011u²B²/hu_*计算，u为断面平均流速，B为水面宽度，h为断面水深，u_*为摩阻流速；

是生化反应项：

对于COD：

，K_c为COD衰减系数，取0.08；

对于氨氮：

，K_N为氨氮衰减系数，取0.1；

S_u是源、汇项，根据入汇再生水的流量和浓度确定。

附图说明

图1――模拟系统结构框架图

图2――本发明的程序流程框图

具体实施方式

本发明有两部分组成：水动力学模块和水质模块，第一部分水动力学模块是系统的核心部分，利用一维模块确定水面线的沿程分布，利用二维模块具体模拟主河道流速分布，可分析河道走势情况和河道内沙石坑对行洪安全的影响，为生态修复工程在河道的弯曲度、主河道河宽提供设计参考。第二部分是水质模块，计算特定水流条件下的污染物扩散和浓度分布情况。

（1）数据预处理：

针对的缺水少水需要生态修复的河道，需要对它的特征数据进行预处理：包括河道的大断面资料，地形数据，洪水流量过程线，堤岸高程，以及再生水的排入口的位置和入流量等等。

在水动力学模块中，在河道横断面上进行分区，在不同的分区内，根据种植植被包括乔木，灌木，草皮等的阻力特性给定糙率，为生态修复提供初步的糙率依据。

（2）实时计算过程：

首先对现状河道，采用二维水动力学模块计算流速分布，分析得到河道的主流线分布。对于生态工程初步设计完成后的河道，在设计洪水标准下，通过采用一维水动力学模块计算得到水面线的分布，保证生态修复工程和河道堤岸的防洪安全；通过二维水动力学模块计算流速分布，分析主流线和流势，根据河流流势和水面线对生态工程的布置进行调整，使得生态工程在整体上不改变河流的主流线的分布。

对于生态修复后的河道，利用再生水的流量和浓度，排入口的位置以及河道中的水流量，计算得到沿程COD和氨氮两种污染物分布，验证河道的水质达标情况。

Claims (1)

1.一种基于干旱缺水河流生态修复的水动力学模拟方法，其特征在于，是在计算机中依次按以下步骤实现的：

步骤(1) 计算机首先判断输入的河道状态信号：现状河道、生态工程初步设计完成后的河道、或生态修复后的河道；

对于现状河道，执行步骤(3)；

对于生态工程初步设计完成后的河道，执行步骤(2)(3)；

对于生态修复后的河道，执行步骤(4)；

步骤(2) 对于生态工程初步设计完成后的河道，按下式计在时刻t下，按下列联立方程组计算河道水位Z沿距离x的变化情况

$\frac{\∂A}{\∂t}+\frac{\∂Q}{\∂x}=0$

$\frac{\∂Q}{\∂t}+\frac{\∂}{\∂x}\left(\frac{Q^2}{A}\right)+\mathrm{gA}\frac{\∂Z}{\∂x}+g\frac{Q\left|Q\right|}{C^2\mathrm{AR}}=0$

A为过水面积，是流量Q和水位Z的函数；

Q为流量，未知量；

t为时间；

x为沿程距离；

g为重力加速度；

Z为水位，未知量；

是水力半径，湿周χ可根据水位Z可以求出；

为谢才阻力系数，n为糙率系数，根据在河道中的不同的位置分区给出；

步骤(3) 对于现状河道或生态工程初步设计完成后的河道，解下述联立方程组

$\frac{\∂h}{\∂t}+\frac{\∂\mathrm{uh}}{\∂x}+\frac{\∂\mathrm{vh}}{\∂y}=0$

$\frac{\∂u}{\∂t}+u\frac{\∂u}{\∂x}+v\frac{\∂h}{\∂y}+g\frac{\∂h}{\∂x}+g\frac{u\sqrt{u^2+v^2}}{C^2}=v_t(\frac{{\∂}^{2}u}{\∂x^2}+\frac{{\∂}^{2}u}{\∂y^2})$

$\frac{\∂v}{\∂t}+u\frac{\∂v}{\∂x}+v\frac{\∂v}{\∂y}+g\frac{\∂h}{\∂y}+g\frac{v}{h}\frac{\sqrt{u^2+v^2}}{C^2}=v_t(\frac{{\∂}^{2}v}{\∂x^2}+\frac{{\∂}^{2}v}{\∂y^2})$

h为水深，未知量；

g为重力加速度；

为谢才阻力系数，n为粗糙系数，根据在河道中的不同的位置分区给出；

v_t为x、y方向紊动粘性系数，取为0.002；

u、v分别表示x、y方向水流运动速度，未知量；

步骤(4) 对于生态修复后的河道，设定再生水的流量和浓度，排入口的位置和河道中的流量

按下式计算COD和氨氮两种污染物的沿程分布

$\frac{\∂}{\∂t}\left(\mathrm{AS}\right)=\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{AE}\frac{\∂S}{\∂x}\right)-\frac{\∂\left(\mathrm{QS}\right)}{\∂x}+A\frac{\mathrm{dS}}{\mathrm{dt}}+S_u$

S是河道中污染物浓度，表示COD或者氨氮的浓度，未知量；

E是纵向离散系数，采用费希尔公式E=0.011u²B²/hu_*计算，u为断面平均流速，B为水面宽度，h为断面水深，u_*为摩阻流速；

是生化反应项：

对于COD：

，K_c为COD衰减系数，取0.08；

对于氨氮：

，K_N为氨氮衰减系数，取0.1；

S_u是源、汇项，根据入汇再生水的流量和浓度确定。

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