CN104346529B - 一种社会水循环排水过程数值模拟方法 - Google Patents
一种社会水循环排水过程数值模拟方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种社会水循环排水过程数值模拟方法，通过对某一区域或流域社会水循环的排水过程进行数学描述，包括排水口位置、排水量、排水过程、排水性质、排水水质等，更加有效地模拟人类经济社会退排水对于自然水循环过程的影响，实现“自然‑社会”二元水循环的过程化紧密耦合模拟。
Description
技术领域
本发明属于”自然-社会”二元水循环模拟技术领域，尤其涉及一种社会水循环排水过程数值模拟方法。
背景技术
现有“自然-社会”二元水循环耦合模拟中对于社会水循环排水过程的模拟，主要通过简单设置耗水率参数来计算，即在确定了每一个计算单元的取用水量后，通过耗水率计算耗水量，二者之差即为该计算单元的退排水量，忽略了社会水循环退排水与取用水的空间、时间不一致性，与实际排水过程有较大出入，物理性较差，导致二元水循环耦合模拟效果不好。
发明内容
本发明的目的在于提供一种社会水循环排水过程数值模拟方法，旨在解决现有社会水循环模拟方法效果不好的问题。
本发明是这样实现的，1、一种社会水循环排水过程数值模拟方法，其特征在于，包括对社会水循环排水中集中取水的农业用水弃水的数值模拟，所述集中取水的农业用水弃水的数值模拟包括：
S1、根据取水口的取水能力和渠系资料，将灌渠概化为储水设施，设置最大储水容量的参数；
S2、集中取水灌区覆盖范围内的计算单元实际取用水量的计算参照分散农业取水的年内展布；
S3、实灌需水量从渠系储水中抽取，渠系储水不够则不充分灌溉，渠系水储水量超过最大蓄水量，则产生弃水；
S4、建立集中取水灌区弃水的计算函数并确定弃水数量；
S5、以弃水排入到河道并参与河道汇流为弃水空间位置，根据弃水排放量建立集中取水的农业用水弃水对河道汇流的影响模型。
2、如权利要求1所述的社会水循环排水过程数值模拟方法，其特征在于，所述社会水循环排水过程数值模拟方法还包括对社会水循环排水中工业和城镇生活用水排水的数值模拟，所述工业和城镇生活用水排水的数值模拟包括：
S6、用典型时间点的排放流量监测数据反映全年的排放情况或者通过估算方法确定弃水数量，
S7、以弃水排入到河道并参与河道汇流为弃水空间位置，根据弃水排放量建立工业和城镇生活用水排水对河道汇流的影响模型。
3、如权利要求2所述的社会水循环排水过程数值模拟方法，其特征在于，在步骤S6中，所述估算方法包括：
针对不同行业用水，设置相应的耗水率，并为每个入河湖排污口设置对应的废污水收集单元，不属于任何入河排污口的计算单元，其工业和城镇生活排水直接排入当地河道；
入河排污口分为企业排污口和污水处理厂排污口2大类，企业排污口只对应所在计算单元的污水排放，污水处理厂排污口对应集中排水范围内其他工业和城镇生活污水的排放；
建立各排污口废污水排放量的计算公式。
4、如权利要求3所述的社会水循环排水过程数值模拟方法，其特征在于，所述各排污口废污水排放量的计算公式用函数定义为：
其中，DRA(i)为第i个入河排污口的污水排放量；dra(ix,iy)为隶属于第i个入河排污口的等高带计算单元工业和城镇生活污水排放量；j＝1、2、3，分别代表一般工业、直流火核电冷却水和城镇生活用水；μj为j类用水的耗水率；WUj(ix,iy)为等高带计算单元各类用水量。
5、如权利要求2所述的社会水循环排水过程数值模拟方法，其特征在于，在步骤S7中，所述工业和城镇生活用水排水对河道汇流的影响模型与上述权利要求1中集中取水的农业用水弃水对河道汇流的影响模型的建立过程相同。
6、如权利要求1所述的社会水循环排水过程数值模拟方法，其特征在于，在步骤S4中，所述计算函数具体为：
其中，Aba为弃水量；Wch为渠道蓄水量；Wchmax为渠道最大蓄水量；WAGRC为取水量；WETC(ix，iy)为编码(ix，iy)的等高带计算单元实际灌溉需水量(m3),其中ix为子流域编码,iy为等高带编码；ω为弃水率，通过排水过程对全灌溉期弃水率的计算作为初始值输入。
7、如权利要求1所述的社会水循环排水过程数值模拟方法，其特征在于，在步骤S5中，所述取水的农业用水弃水对河道汇流的影响模型用函数定义为：
其中A为流水断面面积；Q为断面流量；qL为网格单元或河道的单宽流入量(包含网格内的有效降雨量、来自周边网格及支流的水量)；qR为取水流量(m3/s)；qd为弃水流量；S0为网格单元地表面坡降或河道的纵向坡降；Sf为摩擦坡降；Vx为单宽流入量的流速在x方向的分量。
本发明克服现有技术的不足，提供一种社会水循环排水过程数值模拟方法，社会水循环的排放主要有两方面，一是集中取水中未加以利用而排放的弃水，此部分水量一般不计入社会水循环用水量的统计资料；二是各行业用水后形成的排水。工业和城镇生活用水的季节性变化小，取用水过程相对稳定，因此其取水的弃水率一般较小，在本发明中不做考虑，发生弃水的主要是集中取水的农业取水口。而农业用水由于其用水过程直接与自然水循环相联系，在对其用水过程的描述中也对其产生的地表径流即退水进行了概化，不需再单独对排水过程进行描述，而农村生活用水一般不存在排水，因此对于废污水的排放主要针对工业和城镇生活用水。
1、集中取水的农业用水弃水
对于集中取水的大型灌区，其取水过程与实际灌溉需水过程由于受降雨、渠系输送等因素的影响，二者之间难以完全吻合，因此会在某些时间段出现灌溉水不足或冗余的情况，产生弃水。弃水率的大小与灌区的管理水平和渠系输送能力密切相关。在模拟过程中，根据取水口的取水能力和渠系资料，将灌渠概化为储水设施，设置最大储水容量的参数；集中取水灌区覆盖范围内的计算单元实际取用水量的计算参照分散农业取水的年内展布，即根据作物生长系数和有效降雨，利用生育期内作物需水量与有效降雨量之差推求逐日实灌需水量；实灌需水量从渠系储水中抽取，渠系储水不够则不充分灌溉，渠系水储水量超过最大蓄水量，则产生弃水。
某一集中取水灌区弃水量的计算公式为：
其中，Aba为灌区弃水量；Wch为灌区渠道蓄水量；Wchmax为渠道最大蓄水量；WAGRC为灌区取水量；WETC(ix，iy)为编码为(ix，iy)的等高带计算单元实际灌溉需水量(m3),其中ix为子流域编码,iy为等高带编码；ω为弃水率，可通过排水过程对全灌溉期弃水率的计算作为初始值输入。
通过以上方法确定了集中取水灌区弃水的数量，接下来则需要确定其空间位置。对于具备灌渠信息的灌区，取其干渠末端作为弃水口；对于不具备灌渠信息的灌区，则取其灌溉范围内最下游的子流域作为其弃水口。
在本发明研究区，弃水一般排入到河道，参与河道汇流，考虑弃水的影响后，河道汇流方程可修正为：
(连续方程) (4)
(运动方程) (5)
其中，A为流水断面面积；Q为断面流量；qL为网格单元或河道的单宽流入量(包含网格内的有效降雨量、来自周边网格及支流的水量)；qR为取水流量(m3/s)；qd为弃水流量；S0为网格单元地表面坡降或河道的纵向坡降；Sf为摩擦坡降；Vx为单宽流入量的流速在x方向的分量。。
2、工业和城镇生活用水排水
理论上，所有工业和城镇生活排水进入自然水循环均需通过入河湖排污口的形式，可通过收集研究区入河排污口管理和监测数据进行概化。考虑到工业和城镇生活用水的年内分布一致性，可用典型时间点的排放流量监测数据反映全年的排放情况。在对河道汇流的影响上，与农业取水的弃水相似，计算方法参照式(4)和(5)。
在监测资料不足，或开展未来情景的模拟时，则需要对废水排放量进行估算。估算方法是针对不同行业用水，设置相应的耗水率，并为每个入河湖排污口设置对应的废污水收集单元，不属于任何入河排污口的计算单元，其工业和城镇生活排水直接排入当地河道。入河排污口分为企业排污口和污水处理厂排污口2大类，企业排污口只对应所在计算单元的污水排放，污水处理厂排污口对应集中排水范围内其他工业和城镇生活污水的排放。各排污口废污水排放量计算公式如下：
其中，DRA(i)为第i个入河排污口的污水排放量；dra(ix,iy)为隶属于第i个入河排污口的等高带计算单元工业和城镇生活污水排放量；j＝1、2、3，分别代表一般工业、直流火核电冷却水和城镇生活用水；μj为j类用水的耗水率；WUj(ix,iy)为等高带计算单元各类用水量。
在实际模拟过程中，可采用式(6)和(7)计算各入河排污口废污水排放量，并与实测资料相对比，相互进行验证，并利用实测资料进行耗水率等参数的率定，以用于模型对于情景方案的模拟。
本发明通过对某一区域或流域社会水循环的排水过程进行数学描述，包括排水口位置、排水量、排水过程、排水性质、排水水质等，可以更加有效地模拟人类经济社会退排水对于自然水循环过程的影响，实现“自然-社会”二元水循环的过程化紧密耦合模拟。
附图说明
图1是本发明社会水循环排水过程数值模拟方法一实施例的步骤流程图；
图2是本发明社会水循环排水过程数值模拟方法又一实施例的步骤流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种社会水循环排水过程数值模拟方法，包括对社会水循环排水中集中取水的农业用水弃水以及工业和城镇生活用水排水的数值模拟，如图1所示，其中，集中取水的农业用水弃水的数值模拟包括以下步骤：
S1、根据取水口的取水能力和渠系资料，将灌渠概化为储水设施，设置最大储水容量的参数
在步骤S1中，分别统计灌区不同级别渠系的长度和过流面积,计算得到灌渠最大储水容量。
S2、集中取水灌区覆盖范围内的计算单元实际取用水量的计算参照分散农业取水的年内展布
在步骤S2中，在当日有效降雨量大于等于作物的灌溉需水量时，实际取用水量为零；在当日有效降雨量小于作物的灌溉需水量时，实际取用水量为二者之差。其中有效降雨量指总降雨量中能够保存在作物根系层中用于满足作物蒸发蒸腾需要的那部分水量，不包括地表径流和渗漏至作物根系吸水层以下的水量；作物的灌溉需水量根据作物系数进行确定。
S3、实灌需水量从渠系储水中抽取，渠系储水不够则不充分灌溉，渠系水储水量超过最大蓄水量，则产生弃水
在步骤S3中，当实灌需水量大于渠系储水时，则实灌需水量按照渠系储水进行修正，当日为不充分灌溉；当渠系水储水量超过最大蓄水量，产生弃水。
S4、建立集中取水灌区弃水的计算函数并确定弃水数量
在步骤S4中，某一集中取水灌区弃水量的计算公式为：
其中，Aba为灌区弃水量；Wch为灌区渠道蓄水量；Wchmax为渠道最大蓄水量；WAGRC为灌区取水量；WETC(ix，iy)为编码为(ix，iy)的等高带计算单元实际灌溉需水量(m3),其中ix为子流域编码,iy为等高带编码；ω为弃水率，可通过排水过程对全灌溉期弃水率的计算作为初始值输入。
S5、以弃水排入到河道并参与河道汇流为弃水空间位置，根据弃水排放量建立集中取水的农业用水弃水对河道汇流的影响模型
在步骤S5中，通过以上方法确定了集中取水灌区弃水的数量，接下来则需要确定其空间位置。对于具备灌渠信息的灌区，取其干渠末端作为弃水口；对于不具备灌渠信息的灌区，则取其灌溉范围内最下游的子流域作为其弃水口。
在本发明研究区，弃水一般排入到河道，参与河道汇流，考虑弃水的影响后，河道汇流方程可修正为：
(连续方程) (4)
(运动方程) (5)
其中，A为流水断面面积；Q为断面流量；qL为网格单元或河道的单宽流入量(包含网格内的有效降雨量、来自周边网格及支流的水量)；qR为取水流量(m3/s)；qd为弃水流量；S0为网格单元地表面坡降或河道的纵向坡降；Sf为摩擦坡降；Vx为单宽流入量的流速在x方向的分量。
另外，在本发明进一步的实施过程中，所述社会水循环排水过程数值模拟方法还包括对社会水循环排水中工业和城镇生活用水排水的数值模拟，如图2所示，工业和城镇生活用水排水的数值模拟包括以下具体步骤：
S6、用典型时间点的排放流量监测数据反映全年的排放情况或者通过估算方法确定弃水数量
在步骤S6中，理论上，所有工业和城镇生活排水进入自然水循环均需通过入河湖排污口的形式，可通过收集研究区入河排污口管理和监测数据进行概化。考虑到工业和城镇生活用水的年内分布一致性，可用典型时间点的排放流量监测数据反映全年的排放情况。
在监测资料不足，或开展未来情景的模拟时，则需要对废水排放量进行估算。估算方法是针对不同行业用水，设置相应的耗水率，并为每个入河湖排污口设置对应的废污水收集单元，不属于任何入河排污口的计算单元，其工业和城镇生活排水直接排入当地河道。入河排污口分为企业排污口和污水处理厂排污口2大类，企业排污口只对应所在计算单元的污水排放，污水处理厂排污口对应集中排水范围内其他工业和城镇生活污水的排放。各排污口废污水排放量计算公式如下：
其中，DRA(i)为第i个入河排污口的污水排放量；dra(ix,iy)为隶属于第i个入河排污口的等高带计算单元工业和城镇生活污水排放量；j＝1、2、3，分别代表一般工业、直流火核电冷却水和城镇生活用水；μj为j类用水的耗水率；WUj(ix,iy)为等高带计算单元各类用水量。
S7、以弃水排入到河道并参与河道汇流为弃水空间位置，根据弃水排放量建立工业和城镇生活用水排水对河道汇流的影响模型。
在步骤S7中，在实际模拟过程中，可采用式(6)和(7)计算各入河排污口废污水排放量，并与实测资料相对比，相互进行验证，并利用实测资料进行耗水率等参数的率定，以用于模型对于情景方案的模拟。在对河道汇流的影响上，与农业取水的弃水相似，计算方法参照式(4)和(5)。
相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：本发明通过对某一区域或流域社会水循环的排水过程进行数学描述，包括排水口位置、排水量、排水过程、排水性质、排水水质等，可以更加有效地模拟人类经济社会退排水对于自然水循环过程的影响，实现“自然-社会”二元水循环的过程化紧密耦合模拟。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种社会水循环排水过程数值模拟方法，其特征在于，包括对社会水循环排水中集中取水的农业用水弃水的数值模拟，所述集中取水的农业用水弃水的数值模拟包括：
S1、根据取水口的取水能力和渠系资料，将灌渠概化为储水设施，设置最大储水容量的参数；
S2、集中取水灌区覆盖范围内的计算单元实际取用水量的计算参照分散农业取水的年内展布；
S3、实灌需水量从渠系储水中抽取，渠系储水不够则不充分灌溉，渠系水储水量超过最大蓄水量，则产生弃水；
S4、建立集中取水灌区弃水的计算函数并确定弃水数量；
S5、以弃水排入到河道并参与河道汇流为弃水空间位置，根据弃水排放量建立集中取水的农业用水弃水对河道汇流的影响模型；
在步骤S4中，所述计算函数具体为：
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其中，Aba为弃水量；Wch为渠道蓄水量；Wchmax为渠道最大蓄水量；WAGRC为取水量；WETC(ix,iy)为编码(ix,iy)的等高带计算单元实际灌溉需水量，单位：m3,其中ix为子流域编码，iy为等高带编码；ω为弃水率，通过排水过程对全灌溉期弃水率的计算作为初始值输入；
在步骤S5中，所述取水的农业用水弃水对河道汇流的影响模型用函数定义为：
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其中，A为流水断面面积；Q为断面流量；qL为网格单元或河道的单宽流入量，所述单宽流入量包含网格内的有效降雨量、来自周边网格及支流的水量；qR为取水流量，单位：m3/s；qd为弃水流量；S0为网格单元地表面坡降或河道的纵向坡降；Sf为摩擦坡降；Vx为单宽流入量的流速在x方向的分量。
2.如权利要求1所述的社会水循环排水过程数值模拟方法，其特征在于，所述社会水循环排水过程数值模拟方法还包括对社会水循环排水中工业和城镇生活用水排水的数值模拟，所述工业和城镇生活用水排水的数值模拟包括：
S6、用典型时间点的排放流量监测数据反映全年的排放情况或者通过估算方法确定弃水数量，
S7、以弃水排入到河道并参与河道汇流为弃水空间位置，根据弃水排放量建立工业和城镇生活用水排水对河道汇流的影响模型。
3.如权利要求2所述的社会水循环排水过程数值模拟方法，其特征在于，在步骤S6中，所述估算方法包括：
针对不同行业用水，设置相应的耗水率，并为每个入河湖排污口设置对应的废污水收集单元，不属于任何入河排污口的计算单元，其工业和城镇生活排水直接排入当地河道；
入河排污口分为企业排污口和污水处理厂排污口2大类，企业排污口只对应所在计算单元的污水排放，污水处理厂排污口对应集中排水范围内其他工业和城镇生活污水的排放；
建立各排污口废污水排放量的计算公式。
4.如权利要求3所述的社会水循环排水过程数值模拟方法，其特征在于，所述各排污口废污水排放量的计算公式用函数定义为：
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其中，DRA(i)为第i个入河排污口的污水排放量；dra(ix,iy)为隶属于第i个入河排污口的等高带计算单元工业和城镇生活污水排放量；j＝1、2、3，分别代表一般工业、直流火核电冷却水和城镇生活用水；μj为j类用水的耗水率；WUj(ix,iy)为等高带计算单元各类用水量。
5.如权利要求2所述的社会水循环排水过程数值模拟方法，其特征在于，在步骤S7中，所述工业和城镇生活用水排水对河道汇流的影响模型与上述权利要求1中集中取水的农业用水弃水对河道汇流的影响模型的建立过程相同。
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