CN109558652B - 一种河网水质模型计算结果的辅助校正方法 - Google Patents

一种河网水质模型计算结果的辅助校正方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种河网水质模型计算结果的辅助校正方法，包括以下步骤：1)现场获取河网水质数据以及河网水质模型的计算结果；2)确定每个测点的校正里程范围，并计算每个测点在校正里程范围内的校正数值分布；3)根据校正数值分布对计算结果进行第一次水质数据校正；4)构建卡尔曼校正矩阵进行后续的水质数据校正。与现有技术相比，本发明具有计算快速准确、结合模型与工程实践经验等优点。

Description

一种河网水质模型计算结果的辅助校正方法
技术领域
本发明涉及环境检测领域，尤其是涉及一种河网水质模型计算结果的辅助校正方法。
背景技术
由于河网污染源数据庞杂，现有的计算机水质模型计算结果准确度较低。传统模型结果校正以专家经验校正为主，主要通过对特定模型参数如降解系数的校正，减小模型结果与实际结果的偏差。但该方法无法弥补污染源数据缺乏带来的计算偏差。
随着水质探测技术的发展，水质测点逐渐普及，能通过有限的数据插值还原出整体河网的水质分布情况。但是现有公开计算机水质模型软件，均为边界输入-运算-结果输出流程。
1、模型输入结果必须为准确的数字化结果，模型无法接受实际工程中的非定量化输入。部分工程实践中的半定量化数据无法为模型所用。
2、模型输入必须为模型边界，无法接受模型地理位置内部的水质数据输入。模型结果过程无法完成与水质测点之间的信息交互。模型计算结果需在探头实测数据收集整理及模型首次计算完毕后，通过专业模型工程师对模型参数进行调整，在后续计算过程中使结果向已得探头数据结果靠拢。模型-水质交互过程复杂，难度较大，精度有限。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种河网水质模型计算结果的辅助校正方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种河网水质模型计算结果的辅助校正方法，包括以下步骤：
1)现场获取河网水质数据以及河网水质模型的计算结果；
2)确定每个测点的校正里程范围，并计算每个测点在校正里程范围内的校正数值分布；
3)根据校正数值分布对计算结果进行第一次水质数据校正；
4)构建卡尔曼校正矩阵进行后续的水质数据校正。
所述的步骤1)中，河网水质数据包括排点所在河道、排点对应河道里程、排点管径和淤泥厚度以及测点所在河道、测点类型和测点对应河道里程。
所述的步骤2)中，测点的校正里程范围为(Ddi,Dui)，Ddi为测点i下游河道里程，Dui为测点i上游河道里程。
所述的测点下游河道里程Ddi的计算式为：
Ddi＝vi*t
其中，vi为测点所在河道的均匀流速，t为相邻两次校正的间隔时间；
所述的测点上游河道里程Dui确定方法为：
获取距离河道最近里程的排口，在测点位置上溯直到排口累计底泥厚度达到20或排口累计管径达到500时，将对应的排口里程点到测点的里程数作为测点上游河道里程。
所述的步骤2)中，校正里程范围内的校正数值分布f(D)的表达式为：
Figure BDA0001867350420000021
k＝know/kraw
其中，C0为实测水质数据，C1为模型计算水质数据，k为修正后的污染物质的降解速率，D为对应河道的相对里程，know为当前降解速率，kraw为封闭河道的基础降解速率。
所述的步骤2)中，当不同测点在同一河道里程点处均有校正数值分布时，采用加权平均值作为该里程点的最终校正数值。
所述的步骤3)中，采用校正数值与计算结果的乘积作为校正后的结果。
所述的步骤4)具体为：
结合当前时间步长的实测水质结果和计算水质结果以及上一时间步长实测水质结果及计算水质结果，构建卡尔曼校正矩阵，通过先验估计和加权的测量变量及其预测之差的线性组合构成后验状态估计，并且进行结果校正。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、该发明结合模型与工程实践经验，提出合理规划现场调研方法及调研数据处理方式，将现有的水质、水动力要素进行概化，使得半定量化的边界数据可以应用于模型的输入环节中。
二、该发明结合模型与工程实践经验，结合服务模型计算结果，提出水质测点布置方案，通过有限的水质测点及模型计算功能，更好地反应河道水质时空分布，实现计算结果与实测数据的快速耦合，使得现有水质探头数据可以快速、直接作用于模型计算结果，避免复杂的模型调教工作。
附图说明
图1为本发明的方法流程图
图2为河道图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明拟通过有限的边界调查，结合经验及卡尔曼滤波算法，对计算机水质模型结果(水质模型可以采用MIKE、WASP、QUASAR、Streeter-Phelps、QUALⅡ、CE-QUAL-RI等水质模型软件)进行校正。因此提出一种河网水质模型计算结果的辅助校正方法，实现水质计算模型与探头实际测量结果的快速耦合。
如图1所示，本发明为模型结果辅助校正方法，计算快捷，能配合模型计算结果，实时对计算机模型结果配合实际情况进行校正。
先通过现状调查获得可能水质污染排放源，通过现有水质测点数据，通过现有水位、流速测点数据或者模型本身水位、流速计算结果，结合模型计算水质结果及卡尔曼滤波算法，完成河网水质分布的校正
本发明的具体实施步骤如下：
(1)现场调研及其数据概化
河网水质浓度受来流及区间排污的影响。上游来流边界比较明确，但区间实际排污量调查难度较大，需通过实际现场具有相关性的数据，为水质校正提供依据。
同时现场调研资金、人员消耗较大，根据实际现场情况划分现场调研强度。
主干河道(50m以上宽度)：记录沿河道两侧500mm以上排口位置(经纬度)、管径、管底淤泥厚度。
次级主干河道(20m以上50m以下宽度)：记录河道两侧200mm以上排口位置(经纬度)、管径、管底淤泥厚度。
主要支流河道(10m以上20m以下宽度)：记录河道两侧直排口位置(经纬度)、管径；记录河道两侧200mm以上排口位置(经纬度)、管径、管底淤泥厚度。
调查数据需进行综合汇总，方便与模型相结合。将排口每个排口位置(经纬度)数据与模型河道里程数相对应，河道排口数据汇总如表1所示：
表1河道排口数据
Figure BDA0001867350420000041
(2)水质测点布置
水质测点实测数据是河网水质模型校正的重要依据。水质测点布置需要能够在较少的点位的情况下较全面地反应河道的水质变化趋势。除常见的河道边界水质测点、河道水质考核测点外，需增加额外测点，用于收集河道水质数据，为模型结果校正提供依据。结合河道现场调研数据及实际工作需要，将增设水质测点分为两类。
第一类：重点河段监控点
重点河段监控点作为计算机水质模型结果校正的重要依据，可以弥补由于前期调研不足产生的模型计算偏差，是本方法的重要数据来源。重点河道监控点布置在两类地方：第一类为排口集中区域，第二类为区域主要过水河道。
第二类：无污染封闭支流水质监控点
封闭支流水质监控点作为计算机水质模型参数校正的重要依据，可以弥补计算机水质模型参数的设置的不足。封闭支流水质监控点布置在无排污的封闭性河湾内。
水质测点数据汇总如表2所示：
表2水质测点数据
测点编号 测点类型 所在河道 对应河道里程
1 1 **河 100
... ... ... ...
注：测定测点类型1代表中间河段监控点、河道水质考核监控点；测点类型0代表封闭支流水质监控点。
(3)参数校正分析
由于封闭水体内水质变化以水质降解为主，故结合封闭支流水质监控点内水质水质降解情况，校正河网内不同时间段的水质降解速率。
封闭河道的基础降解速率为kraw，根据时间t内水质的降解速率，计算出当前降解速率know，则整体河网对应物质的降解速率修正幅度为k＝know/kraw。
(4)时间校正分析
河网水质受河网内水体流动的影响，故根据河网内水体流动方向及速度，判定河道水质校正范围。河网水体流动方向及速度来源有两个，一个为河道流速探头；一个为计算机水动力模型，测点处河道流速。
部分区域河网流向为往复流，无稳定上下游关系。故需首先要结合流向判断河道上下游，再判断数值校正范围。
结合河道的水质传输作用，两次校正的间隔时间为t，测点所在河道在时间间隔t内的均匀流速为vi，则影响下游河道的里程数为Ddi＝vi*t。
(5)空间校正分析：
河网水质受河网内水体流动的影响，故根据判定校正范围，河网内水体流动方向及速度，现场调研数据，判定河道水质校正幅度。
结合时间校正分析，校正时间间隔t内影响下游河道的里程数为Ddi。
结合河道上游现场调研数据，寻找距离河道最近的里程的排污段，上溯寻找排污口累计底泥厚度达到20以及排口累计管径达到500，终止上溯，最远排口里程点到测点的里程数Dui。
则测点下游Ddi里程到上游Dui里程为测点校正范围。以测点为相对0里程点，上游里程为负值，下游里程为正值，结合实测水质数据C0，计算水质数据C1，校正数值沿里程分布公式为：
Figure BDA0001867350420000051
k为对应修正后的污染物质的降解速率，D为对应河段的相对里程，vi为测点的流速。
当模型第一次进行结果校正时。直接采用：f值进行校正。
当模型第二次及后续计算过程中进行结果校正时，结合实测水质结果C0及计算水质结果C1，及上一时间步长实测水质结果C00及计算水质结果C01，构建卡尔曼校正矩阵。通过先验估计
Figure BDA0001867350420000061
和加权的测量变量zk及其预测
Figure BDA0001867350420000062
之差的线性组合构成了后验状态估计
Figure BDA0001867350420000065
Figure BDA0001867350420000063
进行结果校正，在结合实际结果进行合理调整的过程中，能同时有效地规避实测探头测由于环境噪音带来的测量误差。
(6)水质校正数据生成
整理所有测点的水质校正幅度，不同测点在相同河道里程点均有校正幅度的情况下，结合上游河道的来流流量进行处理，采用校正幅度的流量加权平均值，则有：
f＝(f1*Q1+f2*Q2+...+fn*Qn)/(Q1-Q2+...+Qn)。
Q1…Qn为涉及河段修正权值。
(7)水质结果调整
将各里程点的校正幅度值与计算结果相乘，得到最终校正水质结果。
实施例1：
第一次模型校正示例：
(1)如图2所示，图为本例中采用的河道简介。
河道如图2所示，肖家河长500m，贾家河长800m，肖家河500m里程处于贾家河800m里程处汇流，汇流点为陈家河0里程处。陈家河长600m，陈家湾位于陈家河50m里程处，与陈家河基本无水量交换。
河道水动力数据为：
表3河道水动力数据
河名 流速 流量 流向
陈家河 200m/天 0.10m3/s 流向从上往下
肖家河 200m/天 0.02m3/s 流向从上往下
贾家河 200m/天 0.08m3/s 流向从上往下
河道模型计算水质数据为：
表4河道模型计算水质数据
Figure BDA0001867350420000064
Figure BDA0001867350420000071
(2)现场调研及其数据概化
调查数据需进行综合汇总，方便与模型相结合。将排口每个排口位置(经纬度)数据与模型河道里程数相对应，河道排口数据汇总如下：
表5河道排口数据
排口编号 所在河道 对应河道里程/m 管径/mm 淤泥厚度/mm
1 肖家河 100 200 10
2 肖家河 200 200 0
3 贾家河 300 200 20
4 陈家河 100 400 10
(3)水质测点布置
水质测点数据汇总如下：
表6水质测点数据
测点编号 测点类型 所在河道 对应河道里程/m
1 1 陈家河 200
2 2 陈家湾 10
注：测定测点类型1代表中间河段监控点、河道水质考核监控点；测点类型2代表封闭支流水质监控点。
(4)参数校正分析
封闭陈家湾内与主河道无水量交换，一天前COD水质为30，现状水质为28,降解速率为0.067/天。模型湾区设置降解速率为0.09/天，则修正幅度为0.75。肖家河、贾家河、陈家河降解系数为0.1/天，则当前降肖家河、贾家河、陈家河解系数为0.075/天。
(5)时间校正分析
水流从肖家河及贾家河流向陈家河。
两次校正的间隔时间为1天，测点所在河道在时间间隔t内的均匀流速为200m/天，则影响下游河道的里程数为Dd＝200m。
(6)空间校正分析：
结合时间校正分析，校正时间间隔1天内影响下游河道的里程数为200m。
结合河道上游现场调研数据，寻找距离河道最近的里程的排污段，上溯寻找排污口累计底泥厚度达到20，排口累计管径达到500，终止上溯，最远排口里程点有两个，分别为肖家河100m及贾家河300m。
河道测点数据为30，河道计算数据为28，则两支生成校正幅度为：
表7校正幅度结果
贾家河相对里程/m 修正系数 肖家河相对里程/m 修正系数
-400 1.24 -200 1.15
-300 1.20 -100 1.11
-200 1.15 0 1.07
-100 1.11 100 1.03
0 1.07 200 0.99
100 1.03
200 0.99
(7)水质校正数据生成
整理所有测点的水质校正幅度，不同测点在相同河道里程点均有校正幅度的情况下，采用测点流量加权平均值。
表8加权平均值
肖家河 修正系数 贾家河 修正系数 陈家河 修正系数
0 1.00 0 1.00 0 1.11
100 1.00 100 1.00 100 1.07
200 1.00 200 1.00 200 1.03
300 1.00 300 1.00 300 0.99
400 1.15 400 1.00 400 1.00
500 1.11 500 1.00 500 1.00
600 1.24 600 1.00
700 1.20
800 1.11
(8)水质结果调整
将各里程点的校正幅度值与计算结果相乘，得到最终校正水质结果。
表9最终校正水质结果
肖家河 校正结果 贾家河 校正结果 陈家河 校正结果
0 30.0 0 30.0 0 38.9
100 35.0 100 29.0 100 38.6
200 38.0 200 28.0 200 36.1
300 37.0 300 40.0 300 33.8
400 41.6 400 39.0 400 33.0
500 38.9 500 38.0 500 32.0
600 46.1 600 31.0
700 43.2
800 38.9
实施例2：
第二次及以上模型校正示例：
(1)河道简介，河道如图2所示，肖家河长500m，贾家河长800m，肖家河500m里程处于贾家河800m里程处汇流，汇流点为陈家河0里程处。陈家河长600m，陈家湾位于陈家河200m里程处，与陈家河基本无水量交换。
河道水动力数据为与实施例1相同。
河道模型计算水质数据与实施例1相同，上一时间步长测点处模型校正系数为1.10。
(2)现场调研及其数据概化
调查数据需进行综合汇总，方便与模型相结合。将排口每个排口位置(经纬度)数据与模型河道里程数相对应，河道排口数据汇总与实施例1相同。
(3)水质测点布置
水质测点数据汇总与实施例1相同。
(4)参数校正分析
封闭陈家湾内与主河道无水量交换，一天前COD水质为30，现状水质为28,降解速率为0.067/天。模型湾区设置降解速率为0.09/天，则修正幅度为0.75。降肖家河、贾家河、陈家河解系数为0.1/天，则当前降肖家河、贾家河、陈家河解系数为0.075/天。
(5)时间校正分析
水流从肖家河及贾家河流向陈家河。
两次校正的间隔时间为1天，测点所在河道在时间间隔t内的均匀流速为200m/天，则影响下游河道的里程数为Ddi＝200m。
(6)空间校正分析：
结合时间校正分析，校正时间间隔1天内影响下游河道的里程数为200m。
结合河道上游现场调研数据，寻找距离河道最近的里程的排污段，上溯寻找排污口累计底泥厚度达到20，排口累计管径达到500，终止上溯，最远排口里程点有两个，分别为肖家河100m及贾家河300m。
河道测点数据为40，河道计算数据为28，前一时间步模型校正幅度为1.10，卡尔曼增益系数为0.01，数据方差为0.25，则两支生成校正幅度为：
表10校正幅度
Figure BDA0001867350420000091
Figure BDA0001867350420000101
(7)水质校正数据生成
整理所有测点的水质校正幅度，不同测点在相同河道里程点均有校正幅度的情况下，采用测点流量加权平均值。
表11水质校正数据
肖家河 修正系数 贾家河 修正系数 陈家河 修正系数
0 1.00 0 1.00 0 1.39
100 1.00 100 1.00 100 1.34
200 1.00 200 1.00 200 1.29
300 1.00 300 1.00 300 1.25
400 1.45 400 1.00 400 1.00
500 1.39 500 1.00 500 1.00
600 1.56 600 1.00
700 1.50
800 1.39
(8)水质结果调整
将各里程点的校正幅度值与计算结果相乘，得到最终校正水质结果。
表12最终校正水质结果
肖家河 校正结果 贾家河 校正结果 陈家河 校正结果
0 30.0 0 30.0 0 48.8
100 35.0 100 29.0 100 48.4
200 38.0 200 28.0 200 45.3
300 37.0 300 40.0 300 42.4
400 52.1 400 39.0 400 33.0
500 48.8 500 38.0 500 32.0
600 57.7 600 31.0
700 54.1
800 48.8
完成调整后，模型继续运算下一时间步长，并结合实测数据，进行下一阶段模型结果实时校正。

Claims (5)

1.一种河网水质模型计算结果的辅助校正方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)现场获取河网水质数据以及河网水质模型的计算结果；
2)确定每个测点的校正里程范围，并计算每个测点在校正里程范围内的校正数值分布，测点的校正里程范围为(Ddi,Dui)，Ddi为测点i下游河道里程，Dui为测点i上游河道里程；
所述的测点下游河道里程Ddi的计算式为：
Ddi＝vi*t
其中，vi为测点所在河道的均匀流速，t为相邻两次校正的间隔时间；
所述的测点上游河道里程Dui确定方法为：
获取距离河道最近里程的排口，在测点位置上溯直到排口累计底泥厚度达到20或排口累计管径达到500时，将对应的排口里程点到测点的里程数作为测点上游河道里程；
校正里程范围内的校正数值分布f(D)的表达式为：
Figure FDA0002571258270000011
k＝know/kraw
其中，C0为实测水质数据，C1为模型计算水质数据，k为修正后的污染物质的降解速率，D为对应河道的相对里程，know为当前降解速率，kraw为封闭河道的基础降解速率；
3)根据校正数值分布对计算结果进行第一次水质数据校正；
4)构建卡尔曼校正矩阵进行后续的水质数据校正。
2.根据权利要求1所述的一种河网水质模型计算结果的辅助校正方法，其特征在于，所述的步骤1)中，河网水质数据包括排点所在河道、排点对应河道里程、排点管径和淤泥厚度以及测点所在河道、测点类型和测点对应河道里程。
3.根据权利要求1所述的一种河网水质模型计算结果的辅助校正方法，其特征在于，所述的步骤2)中，当不同测点在同一河道里程点处均有校正数值分布时，采用加权平均值作为该里程点的最终校正数值。
4.根据权利要求1所述的一种河网水质模型计算结果的辅助校正方法，其特征在于，所述的步骤3)中，采用校正数值与计算结果的乘积作为校正后的结果。
5.根据权利要求1所述的一种河网水质模型计算结果的辅助校正方法，其特征在于，所述的步骤4)具体为：
结合当前时间步长的实测水质结果和计算水质结果以及上一时间步长实测水质结果及计算水质结果，构建卡尔曼校正矩阵，通过先验估计和加权的测量变量及其预测之差的线性组合构成后验状态估计，并且进行结果校正。
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