CN111382547A - 一维非稳态河流水动力-水质模拟方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种一维非稳态河流水动力‑水质模拟方法和装置，具有全面周到、科学可信的优点。其中方法包括如下步骤：获取河流的时间序列、空间数据和控制参数，其中所述时间序列包括流量、水质和排污，空间数据包括河道地形、河网结构和构建物结构，所述控制参数包括水力学参数、水文学参数和水质参数；根据所述河流的时间序列、空间数据和控制参数进行非稳态河流水动力模拟计算和非稳态河流水质模拟计算，以得到考察点水位、流量、流速及水质的时间序列数据；输出所述考察点水位、流量、流速及水质的时间序列数据。

Description

一维非稳态河流水动力-水质模拟方法和装置

技术领域

本发明涉及环境技术领域，特别地涉及一种一维非稳态河流水动力-水质模拟方法和装置。

背景技术

河流水质模型是描述河道水体中污染物迁移转化规律的数学模型，在流域水质目标管理技术的应用过程中发挥着重要作用，是制定水质目标管理方案的重要技术依据。河流水质模型的特点是可将河流进行分析、评价、总量控制、污染治理与费用效益分析综合于一体，实现数据与分析工具的集成，为河流水质管理提供便利。利用河流水质模型，我们可以科学地认识到水体中污染物降解和迁移规律及污染物排放与收纳水体的作用关系，通过使用河流水质模型模拟的手段能够建立流域污染负荷同断面水质之间的响应关系，从而制定出科学的水污染控制方案。

河流水质污染表现出随机性、间歇性、不确定性等特点，造成水体污染和富营养化控制难度大、效果不显著、时间漫长。在我国北方大部分地区，水资源相对缺乏，为了充分利用有限的地表水资源，控制和调配地表水和地下水，在河流上修建了许多水利工程(水库、闸坝和灌渠等)来控制水流，用于防止洪涝灾害及水量的调节和再分配。这些情况造成部分河道常年或季节性断流，流域天然水系遭到破坏，河道水力连通性被分割，从而形成了高度非稳态的河流特点。河流水体对于河流水生生态系统维系及良性循环具有非常重要的意义。国内普遍以常规稳态水质模型来进行非稳态河流水质模拟的研究工作，从而为水质目标管理带来极大的不确定性；而目前国内外的河流水质模型的模拟效果不佳，难于适应这种高度非稳态河流的状况，这些已经成为影响河流水质目标管理方案制定的重要因素。

根据所需水质目标管理功能的实际需要，在体现出河流水质变化的主要影响因素基础上，开发适用于非稳态(人工调控、断流等)河流的简单易用、移植性适应性强的水质模拟数学模型，为人工调控情境下的水质目标管理提供科学精准的水质模拟技术方法，对指导河流污染控制走向精细化管理有着重要的科学意义和实践意义。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种一维非稳态河流水动力-水质模拟方法和装置，具有全面周到、科学可信的优点。

本发明第一方面公开一种一维非稳态河流水动力-水质模拟方法，包括：获取河流的时间序列、空间数据和控制参数，其中所述时间序列包括流量、水质和排污，空间数据包括河道地形、河网结构和构建物结构，所述控制参数包括水力学参数、水文学参数和水质参数；根据所述河流的时间序列、空间数据和控制参数进行非稳态河流水动力模拟计算和非稳态河流水质模拟计算，以得到考察点水位、流量、流速及水质的时间序列数据；输出所述考察点水位、流量、流速及水质的时间序列数据。

可选地，所述非稳态河流水动力模拟计算包括：河道径流模拟计算、区间入流过程模拟计算和人工调度过程模拟计算。

可选地，所述非稳态河流水质模拟计算包括：河道水质模拟计算、区间入流污染负荷模拟计算和河道入渗、蒸发及土壤含水量模拟计算。

可选地，所述非稳态河流水动力模拟计算以圣维南一维非恒定流方程与一系列的内边界条件的隐式有限差分法为依据，用于模拟各种不同形式的水工建筑物所控制的非恒定流。

可选地，所述非稳态河流水质模拟计算以组分质量平衡为依据，参考来源和源漏以及化学、物理和生物相互影响而产生的浓度变化。

本发明第二方面提出一种一维非稳态河流水动力-水质模拟装置，包括：输入模块，用于获取河流的时间序列、空间数据和控制参数，其中所述时间序列包括流量、水质和排污，空间数据包括河道地形、河网结构和构建物结构，所述控制参数包括水力学参数、水文学参数和水质参数；计算模块，用于根据所述河流的时间序列、空间数据和控制参数进行非稳态河流水动力模拟计算和非稳态河流水质模拟计算，以得到考察点水位、流量、流速及水质的时间序列数据；输出模块，用于输出所述考察点水位、流量、流速及水质的时间序列数据。

可选地，所述非稳态河流水动力模拟计算包括：河道径流模拟计算、区间入流过程模拟计算和人工调度过程模拟计算。

可选地，所述非稳态河流水质模拟计算包括：河道水质模拟计算、区间入流污染负荷模拟计算和河道入渗、蒸发及土壤含水量模拟计算。

可选地，所述非稳态河流水动力模拟计算以圣维南一维非恒定流方程与一系列的内边界条件的隐式有限差分法为依据，用于模拟各种不同形式的水工建筑物所控制的非恒定流。

可选地，所述非稳态河流水质模拟计算以组分质量平衡为依据，参考来源和源漏以及化学、物理和生物相互影响而产生的浓度变化。

根据本发明的技术方案，一维非稳态河流水动力-水质模拟方法和装置，围绕着人工调控情景下非稳态的水动力-水质模拟技术的整体性模型的构建，在非稳态多河段河流整体性水动力-水质模拟的问题上，模型可进行时间及空间上整体的耦合模拟，具有全面周到、科学可信的优点。

附图说明

附图用于更好地理解本发明，不构成对本发明的不当限定。其中：

图1是本发明的一维非稳态河流水动力-水质模拟过程原理图；

图2是本发明的一维非稳态河流水动力-水质模拟方法流程图；

图3是本发明的一维非稳态河流水动力-水质模拟装置结构图；

图4是河段划分和计算单元的示意图；

图5是河段水量关系概化图；

图6是河段污染负荷量关系概化图；

图7是水质变量之间的关系示意图；

图8是闸坝示意图；

图9是桥梁示意图。

具体实施方式

图1示出了一维非稳态河流水动力-水质模拟过程的原理图。该模拟过程是可用于模拟分析人工调控的非稳态河流水生态过程的水动力、水质变化规律。水动力方面适用于河道稳定和非稳定流的一维水力计算，同时可生成横断面流量及水位过程曲线图等各种分析图表。水质方面可用于模拟非稳态(人工调控、断流、非常规水源补给等)河流的水质模拟数学模型，可为非稳态河流的水质目标管理提供科学的水质模拟技术方法；可用于由于自然和人为污染造成的各种水质状况的河流环境污染分析和预测；可以模拟单一河流和纵横交错的复杂树状水系及随时间变化的闸控出流、各式溢洪道泄流、桥涵、滞洪区和抽水区等非稳态河流水动力状况及多个取水口、排污口、支流流出和汇入的河流水质状况。

如图2所示，本发明第一方面公开一种一维非稳态河流水动力-水质模拟方法，包括如下步骤A至步骤C。

步骤A：获取河流的时间序列、空间数据和控制参数，其中所述时间序列包括流量、水质和排污，空间数据包括河道地形、河网结构和构建物结构，所述控制参数包括水力学参数、水文学参数和水质参数。

步骤B：根据所述河流的时间序列、空间数据和控制参数进行非稳态河流水动力模拟计算和非稳态河流水质模拟计算，以得到考察点水位、流量、流速及水质的时间序列数据。

其中，所述非稳态河流水动力模拟计算包括：河道径流模拟计算、区间入流过程模拟计算和人工调度过程模拟计算。非稳态河流水动力模拟计算以圣维南一维非恒定流方程与一系列的内边界条件的隐式有限差分法为依据，用于模拟各种不同形式的水工建筑物所控制的非恒定流。

其中，所述非稳态河流水质模拟计算包括：河道水质模拟计算、区间入流污染负荷模拟计算和河道入渗、蒸发及土壤含水量模拟计算。非稳态河流水质模拟计算以组分质量平衡为依据，参考来源和源漏以及化学、物理和生物相互影响而产生的浓度变化。

步骤C：输出所述考察点水位、流量、流速及水质的时间序列数据。

如图3所示本发明第二方面提出一种一维非稳态河流水动力-水质模拟装置30，包括：输入模块100、计算模块200和输出模块300。

输入模块100用于获取河流的时间序列、空间数据和控制参数，其中所述时间序列包括流量、水质和排污，空间数据包括河道地形、河网结构和构建物结构，所述控制参数包括水力学参数、水文学参数和水质参数。

计算模块200用于根据所述河流的时间序列、空间数据和控制参数进行非稳态河流水动力模拟计算和非稳态河流水质模拟计算，以得到考察点水位、流量、流速及水质的时间序列数据。

其中，所述非稳态河流水动力模拟计算包括：河道径流模拟计算、区间入流过程模拟计算和人工调度过程模拟计算。非稳态河流水动力模拟计算以圣维南一维非恒定流方程与一系列的内边界条件的隐式有限差分法为依据，用于模拟各种不同形式的水工建筑物所控制的非恒定流。

其中，所述非稳态河流水质模拟计算包括：河道水质模拟计算、区间入流污染负荷模拟计算和河道入渗、蒸发及土壤含水量模拟计算。非稳态河流水质模拟计算以组分质量平衡为依据，参考来源和源漏以及化学、物理和生物相互影响而产生的浓度变化。

输出模块300用于输出所述考察点水位、流量、流速及水质的时间序列数据。

根据本发明的技术方案，一维非稳态河流水动力-水质模拟方法和装置，围绕着人工调控情景下非稳态的水动力-水质模拟技术的整体性模型的构建，在非稳态多河段河流整体性水动力-水质模拟的问题上，模型可进行时间及空间上整体的耦合模拟，具有全面周到、科学可信的优点。

为使本领域技术人员更好地理解，下面结合实施例阐述更多技术细节。

本发明的模拟方法和装置可应用于多种水质成分的模拟：1)pH值(pH)；2)溶解氧(DO)；3)悬浮物固体(SS)；4)挥发性悬浮物固体(VSS)；5)生化需氧量(BOD5)；6)高锰酸盐指数(CODmn)；7)化学需氧量(CODcr)；8)氨氮(NH3N)；9)硝态氮(NO3N)；10)亚硝态氮(NO2N)；11)有机氮(ORGN)；12)总氮(TN)；13)磷酸盐(PO3)；14)有机磷(ORGP)；15)总磷(TP)；16)叶绿素A(Chlor A)；17)综合营养状态指数(TLI)；18)卡森营养状态指数(TSI)等。

本发明的模拟方法和装置的水动力模拟计算以圣维南一维非恒定流方程与一系列的内边界条件的隐式有限差分法为依据，用于模拟各种不同形式的水工建筑物所控制的非恒定流。它可以模拟单一河流和纵横交错的复杂树状水系；牛顿水流(不含杂质)和非牛顿水流(含淤泥、杂质屯矿渣等)，及水流形态随时间和地点的变化，从缓流变成急流，或从急流变成缓流，或从无压流变成有压流。模拟的性能还包括随时间变化的堤坝溃决，提防漫顶和开裂、随时间变化的闸控出流、各式溢洪道泄流、桥涵或护堤、挡潮翻板闸门、单独的滞洪区和抽水区与河道相连或与临近蓄洪池相连的洪泛区蓄洪池在输水时的自由出流或淹没出流。可广泛用于各种非恒定流中，包括河流的实时洪水预报，管涌失事和可能最大洪水漫顶引起的堤坝责决分析，河道整治的建筑物设计，闸控出流的灌溉系统分析研究；含无压和有压非恒定流的联合暴雨排水系统的分析研究等。

模型将河流体系视为具有其水力学参数假设是均匀的一系列河段组成的线性网络，用节点将这些河段联系在一起，同时假定在同一河段里水力学特性相同。每一个河段又被分为许多小节，这些节的长度即为选定的空间坐标计算步长。这样便将河流系统概化为一系列若干完全混合反应器组成的系统。每一个小节都是一个反应器，用平移和弥散将这些反应器连接起来，对每一个小节和每一种水质参数，利用物料平衡都能得到一个方程，这些方程便构成一个模型方程组。同一河段具有相同的水力、水质特性和参数；不同河段的水力、水质特性则各不相同。计算单元是模型计算模拟的最小单位，各个河段上的计算单元是非等长的。河段的划分要考虑水力学变化、支流汇入、污染源排入、闸坝调度处、水文水质资料监测断面、取水口上游处以及水质有明显变化的区域。河段划分和计算单元如图4所示。河段水量关系如5所示。河流水动力模拟模块在空间维度上为一维河流水量模型，由一维数学模型为其提供计算边界。针对大江大河流域复杂的数据条件，一维河网水量模型采用水文学和水动力学相结合的技术途径，由于水文监测断面一般设置在河口以上数十甚至上百公里的位置，需要将上游水文监测断面的实测流量过程通过径流演进水文学模块演算得到河口的出流过程，以旁侧入流的形式汇入一维河流水动力学模型。一维非稳态河流水动力学模型适用于河道水下地形资料详实以及水位、流量等水文监测数据充分的河流。

一维非稳态水动力水质模型水质计算方程按照质量平衡，包括来源和源漏以及化学、物理和生物相互影响而产生的浓度变化(包括支流和排污口的影响)。组分质量守恒方程一般形式可写成

其中：c_i—为污染物i的浓度，mg/L；

t—为反应时间，d；

Q—即时流量，m³/s；

D—体积扩散系数，m³/d；

W—外源负荷，mg/d；

S—外部的输入或输出mg/m³/d

河段污染负荷量关系如图6所示。RPAST模型可进行多种水质成分的模拟：包括pH值(pH)，溶解氧(DO)，悬浮物固体(SS)，挥发性悬浮物固体(VSS)，生化需氧量(BOD5)，高锰酸盐指数(CODmn)，化学需氧量(CODcr)，氨氮(NH3N)，硝态氮(NO3N)，亚硝态氮(NO2N)，有机氮(ORGN)，总氮(TN)，磷酸盐(PO3)，有机磷(ORGP)，总磷(TP)，叶绿素A(Chlor A)等，而综合营养状态指数(TLI)和卡森营养状态指数(TSI)通过相关水质指标计算得出。模型中主要水质成分间的关系如图7所示。图7中编号所表示的含义如下：(1)大气复氧作用；(2)河底生物与底泥耗氧；(3)碳化BOD的耗氧；(4)难降解BOD水解为碳化BOD；(5)碳化BOD的沉淀与再悬浮；(6)有机氮水解为氨氮；(7)有机氮沉淀；(8)氨氮硝化耗氧；(9)氨氮氧化成亚硝酸盐；(10)底泥氨氮交换；(11)亚硝酸盐氮氧化耗氧；(12)亚硝酸盐氮转化成硝酸盐氮；(13)底泥硝酸盐氮交换；(14)浮游植物吸收硝酸盐氮；(15)硝酸盐氮反硝化转换为氮气；(16)浮游植物呼吸产生氨氮；(17)光合作用产氧；(18)浮游植物的死亡和沉淀；

(19)浮游植物释放磷；(20)浮游植物吸收磷酸盐；(21)有机磷水解为磷酸盐；(22)有机磷沉淀；(23)底泥磷酸盐交换。

需要说明的是，计算区间非点源入流估算过程中，采用SCS模型。SCS模型(SoilConservation Service)是美国农业部土壤保持局开发的，用来估算流域地表径流量(和洪峰流量)。SCS模型能够客观反映土壤类型、土地利用方式及前期土壤含水量对降雨径流的影响，其显著特点是模型结构简单、所需输入参数少，是一种较好的集水区径流计算方法。

SCS模型的建立是基于水平衡方程，SCS模型的经典计算公式为：

式中：Q—地表径流量，mm；

P—流域降雨总量，mm；

λ—区域参数，地理和气候因子；

S—土壤最大滞留量，mm。

其中，土壤最大滞留量S可用下式计算：

式中：CN—曲线数值。

CN为一个无量纲参数，理论取值范围是0～100，实际应用中一般取值范围是40～98，主要根据是美国国家工程手册所列出的CN值查算表来进行计算。

需要说明的是，关于区间非点源入河污染负荷。非点源污染具有随机性大、分布范围广、形成机理复杂的特点，其形成过程受区域地理环境、周边气候、土壤结构、土地利用、植被覆盖情况和降雨过程等多个因素影响。目前我国使用比较广泛的方法为输出系数法和流域水文水质模型模拟。输出系数法主要利用相对容易得到的土地利用状况的资料，直接建立土地利用与受纳水体非点源污染负荷的关系，估算出流域污染物输出量，大大简化了对复杂的非点源污染形成过程研究，很大程度上降低了对土壤侵蚀、污染物迁移转化试验和数据资料的依赖性，为大流域非点源污染负荷量的估算提供了一种具有一定精度的有效方法。我国也存在严重的非点源污染，但由于非点源污染监测难度大、费用高以及重视不够等原因，我国尚缺乏长系列非点源污染监测资料。因此，输出系数法在我国具有广阔的应用前景。

在输出系数法中，对不同种植作物类型的耕地采用了不同的输出系数，对不同种类牲畜根据其数量和养殖方式采用了不同的输出系数，对居民生活污染的输出系数则主要根据生活污水的排放和处理状况来选定。

输出系数法的一般表达式为：

式中：L—某污染物的总输出量，kg/a；

m—土地利用类型的数量；

E_i—第i种土地利用类型的污染物输出系数，kg/ha；

A—第i种土地利用类型的面积，ha。

E_i是流域内不同土地利用类型的营养物输出率。

对于牲畜而言，它表示牲畜排泄物直接进入受纳水体的比例，中间应考虑人类收集和储存粪肥过程中氨的挥发；对于居民生活而言，它反映了当地人们饮食营养状况和生活污水处理状况。

基本控制方程组的具体情况介绍如下。

1.水动力计算

1.1基本方程

水动力模型中基本部分为计算流体径流算法。采用扩展圣维南方程组(ExpandedSaint-Venant Equations)来描述一维河渠非恒定渐变流的运动规律。扩展圣维南方程组除了包括基本的质量守恒形式，还包括水体缩张作用和河道弯度作用组成。

质量平衡方程：

动量平衡方程：

式中：Q—河流流量，m³/s；

h—水面高程，m；

A—主河道断面面积，m2；

A₀—非主河道断面面积，m2；

S_co,S_m—弯曲变化系数,随h变化；

x—河流纵向距离，m；

t—时间，s；

q—河流支流流入或流出，m3/s；

β—速度分布动量系数；

g—重力加速度，m/s2；

S_e—膨胀压缩率；

S_i—附加摩擦率；

B—主河道顶部宽度，m；

W_f—水流表面风应力作用；

L—侧向流动量作用；

S_f—河道边界摩擦比降；

W_f—水流表面风应力作用；

L—侧向流动量作用；

S_f—河道边界摩擦比降。

在上式中，有以下几个组成参数：

(1)风应力作用W_f

风应力作用可表示为：

W_f＝C_wV_rW|V_rW| (3)

V_rW＝V±V_Wcos(ω) (4)

V＝Q/A (5)

式中：Q—非量纲系数(1×10^-6≤C_w≤3×10^-6)；

V_rw—相对风速度(相对于河流速度)，m/s；

V_w—风速，m/s；

ω—风速与河流x方向流速夹角。

(2)侧向流动量作用L，

侧向流动量作用主要为三种形式

a.侧向入流L＝-qv_x,v_x:支流在主河x方向的分流速。

b.侧向渗出流L＝-0.5qQ/A。

c.集中侧向出流(漫堤),L＝-qQ/A。

(3)河道边界摩擦比降S_f：

边界摩擦比降由曼宁公式求得

式中：n—曼宁阻力系数；

μ—单位转换系数，1.49(英制)或1.0(国际单位制)；

R—水力半径，m；

K—水流传输系数；

a.水流传输系数可通过以下几式进行估计：

K＝K_l+K_c+K_r (10)

式中下标l,c,r分别表示左边漫滩，河道和右边漫滩。而弯曲变化系数S_co,S_m是横断面积和传输加权。

ΔA＝A_J+1-A_J (13)

弯曲系数S_m代表水流不同部分的弯曲系数。NCS是横断面总数。两个横断面直接的距离Δx_i的是沿着平均流进行测量的，而漫滩的的距离Δx_ck是沿着蜿蜒的河流测量的。断面K的弯曲系数等价于

(4)速度分布动量系数β

速度分布动量系数可用下式估计为：

当没有漫滩并且总横断面是河道断面时，β为1.06。

(5)膨胀压缩率S_e：

膨胀压缩率定义为

式中k_ce表示膨胀压缩系数，膨胀时取-0.05～-0.75，压缩时取0.05～0.4。

(6)附加摩擦率S_i

只有当流体粘性比较大及非牛顿流体计算(泥浆流，泥石流)时，附加摩擦率才值得注意。

式中：γ—流体单位重量，kg/m³；

τ_o—流体抗曲强度，lb.sec²/ft²；

D—水力深度(A/B)，m；

b—b＝1/m；

m—流体应力应变指数方程系数；

κ—表观粘度或者指数方程比例系数lb/ft²。

κ和τ_o，可通过泥流或泥石流中固体浓度比(c_v)来估算：

κ＝0.001357e^16.81C_v (18)

τ₀＝0.00886e^13.11C_v (19)

c_v取值:泥水流(0.2～0.45)，泥流(0.45～0.5)。

沿河道存在一些水工构筑物，如闸坝，桥梁，溢流堰等，在这些构筑物上，水流状态可能发生急剧变化。模型水动力计算部分可模拟水流通过各个水工构筑物时水流变化情况。主要水工构筑物包括水坝和桥梁。

1.2水坝

水坝包括几个部分，溢洪道、固定闸门、移动闸门、涡流闸门等，如图8所示。水流可通过闸门或溢洪道流过水坝，也可直接从顶部越流通过。水坝总流量为

Q＝Q_spillway+Q_gate+Q_dam+Q_t (20)

式中：Q_spillway—溢洪道流量，m³/s；

Q_gate—固定、移动闸门流量，m³/s；

Q_dam—水坝越流流量，m³/s；

Q_t—涡流闸门流量，m³/s。

a.溢洪道流量Q_spillway计算：

Q_spillway＝k_spc_spL_sp(h-h_sp)^1.5 (21)

式中：c_sp—溢洪道排放系数；

h_sp—溢洪道顶部高程，m；

L_sp—溢洪道长度，m；

k_sp—尾水影响的淹没修正系数,(0≤k_sp≤1)

h—蓄水池高程，m；

h_tw—尾水高程，m。

b.固定闸门流量Q_gatef计算

式中：A_g—闸门过水面积，m²；

c_g—闸门溢水排放系数，(0.5≤c_g≤0.75)

h_g—闸门溢水中心线高程，m。

c.移动闸门流量Q_gatem计算

如果

式中：H_g—移动闸门高度，m；

h_g—闸门底高程，m；

W_g—闸门宽度，m；

Q_og—越流流量，m³/s；

h_d—大坝顶部高程，m；

如果h>h_d+H_g

Q_og＝3.1W_g(h-h_d-H_g)^1.5 (27)

其他情况时Q_og＝0。

如果h_tw>h_g+0.5H_g并且

当t＝0 (31)

W_d＝W_g (32)

当

如果

其他情况时k_g＝0。

d.大坝漫溢流量Q_dam计算

Q_dam＝k_dc_dL_d(h-h_d)^1.5 (35)

式中：h_d—大坝顶部高程，m；

k_d—尾水影响的淹没修正系数；

c_d—大坝越流排放系数；

L_d—大坝宽度，m。

e.涡流流量Q_t

涡流流量Q_t一般为常数，也可以为随时间变化的量。

1.3桥梁

水流通过的公路铁路桥梁，如图9所示。其计算公式为

其中：k_u＝1.0 当h_ru≤0.76 (37)

k_u＝1.0–c_u(h_ru-0.76)³ 当h_ru>0.76 (38)

c_u＝133(h_ru-0.78)+10 当0.76<h_ru≤0.96 (39)

c_u＝400(h_ru-0.96)+34 当h_ru>0.96 (40)

h_ru＝(h_i+1-h_cu)/(h_i-h_cu) (41)

cc_u＝3.02(h_i–h_cu)^0.015 当0<h_u≤0.15 (42)

cc_u＝3.06+0.27(h_u-0.15) 当h_u>0.15 (43)

h_u＝(h_i-h_cu)/W_u (44)

V＝Q_i/A_i (47)

式中：C—过桥水流系数；

A_br—i+1位置断面水流面积，m²；

h_cu—路堤顶端高程，m；

h_i—i位置水面高程，m；

h_i+1—i+1位置水面高程，m；

V—水流速度，m/s；

L_u—路堤垂直水流方向长度，m；

k_u—淹没修正系数；

w_u—路堤平行水流宽度，m。

(3)河道溢流堰

如果河流河段包含河道溢流堰部分，计算公式为

Q＝(gA³/B)^0.5 (48)

式中：g—重力加速度，m/s²；

A—横断面面积，m²；

B—河道宽度，m。

2水质计算

2.1叶绿素和藻类

浮游植物-藻类-微生物和叶绿素a之间的稳定比例假设为：

Chl a＝α₀A (50)

式中：Chl a—叶绿素a浓度，ug-Chl a/L；

A—藻类生物浓度，mg-A/L；

α₀—比例系数，ug-Chl a/mg-A。

藻类的生长方程可表示为：

式中：A—藻类生物浓度，mg-A/L；

t—时间，d；

μ—藻类的生长速率，1/d；

ρ—藻类的呼吸速率，1/d；

σ₁—藻类的沉淀速率，m/d；

d—平均深度，m。

其中的藻类的生长速率μ的大小取决于营养物浓度和光强，可用下面函数表示

式中：μ_max—藻类的最大生长速率，1/d；

FL—藻类生长光照限制因子；

FN—藻类生长氮限制因子；

FP—藻类生长磷限制因子。

2.2碳化生物需氧量(CBOD)

模型假定水体中的碳化BOD耗氧为一阶反应，同时考虑沉淀对BOD的去除作用。

式中：L—水中碳化BOD浓度，mg/L；

K₁—碳化BOD降解速率，1/d；

K₃—由沉淀、悬浮引起的碳化BOD变化速率，1/d。

2.3氮循环

在自然水体中，氮的转化是逐步进行的，由有机氮转化为氨氮，氨氮转化为亚硝态氮，最后转化为硝态氮。模型中考虑了这四种污染物的转化过程。

表达式如下：

有机氮(N_o)

式中：No—有机氮浓度，mg-N/L；

β₃—有机氮水解为氨氮速率，1/d；

α₁—藻类的生物量中氮的比例，mg-N/mg-A；

ρ—藻类的呼吸速率，1/d；

A—藻类生物浓度，mg-A/L；

σ₄—有机氮的沉淀系数，1/d。

氨氮(N_a)

式中：N_a—氨氮浓度，mg-N/L；

N_o—有机氮浓度，mg-N/L；

β₁—氨氮氧化速率，1/d；

σ₃—氨氮底部源释放速率，mg-N/(m²d)；

d—河流平均深度，m；

F—藻类的氮吸收氨氮的比例；

亚硝态氮(N_n2)

式中：N_n2—亚硝态氮浓度，mg-N/L；

β₂—亚硝态氮氧化速率，1/d；

硝态氮(N_n3)

式中：N_n3—硝态氮浓度，mg-N/L；

β₅—硝态氮反硝化速率，1/d。

2.4磷循环

水体中磷循环类似于氮的循环，藻类的死亡生成有机形式的磷，然后转化为溶解的无机磷，之后又为藻类生长提供了磷营养。污水处理厂排放的磷主要是溶解的无机磷。模型中磷污染物的转化过程表达式如下：

有机磷

式中：P_o—有机磷浓度，mg-P/L；

α₂—藻内磷含量，mg-P/mg-A；

β₄—有机磷降解速率，1/d；

σ₅—有机磷的沉淀系数，1/d。

溶解磷酸盐

式中：P_i—溶解无机磷浓度，mg-P/L；

σ₂—溶解磷底部源释放速率，mg-P/(m²d)；

d—水流平均深度，m。

2.5溶解氧

河流系统的溶解氧平衡是依靠着河流复氧容量。复氧容量是在河流内及源和汇的氧的对流和扩散过程的函数。氧的主要来源为大气复氧、浮游植物的光合作用产物及含氧来水。氧的流失包括碳化BOD和有机物的生物化学氧化过程，底部沉积物需氧量和藻类的呼吸作用。氧的计算表达式如下：

式中：O—溶解氧浓度，mg/L；

O_s—饱和溶解氧浓度，mg/L；

K₂—大气复氧速率，1/d；

K₄—沉积物需氧速率，g/m²d；

α₃—藻类光合作用的产氧速率，mg-O/mg-A；

α₄—藻类呼吸作用的耗氧速率，mg-O/mg-A；

α₅—氨氮氧化的耗氧速率，mg-O/mg-N；

α₆—硝态氮氧化的耗氧速率，mg-O/mg-N；

α₇—碳化BOD氧化的耗氧速率，mg-O/mg-C；

饱和溶解氧量是与温度和高程相关的函数，可用下式表达：

式中：O_s(T,0)—在1atm时饱和溶解氧浓度，mg/L；

T—摄氏温度，℃；

Ele—海拔高程，m。

其中：

式中：T_a—绝对温度，K，T_a＝T+273.15。

2.6与温度的关系

计算方程中的参数或系数都与温度相关，每个随温度变化的参数均有下列表示式：

k(T)＝k(20)θ^(T-20) (63)

式中：k(T)—温度为T时的参数值；

k(20)—温度为20℃时的参数值；

θ—温度修正系数。

2.7卡森指数(TSI)和综合营养状态指数(TLI)

卡森指数法(TSI)以叶绿素a浓度为基准的营养状态指数。根据Chla、SD、TP的平均值分别计算TSI(Chla)、TSI(SD)、TSI(TP)的卡森指数,然后取TSI(Chla)、TSI(SD)、TSI(TP)三者的均值TSI作为最终评价指数。其计算公式如下所示：

TSI(Chla)＝10(2.46+ln Chla/ln 2.5) (64)

TSI(SD)＝10[2.46+(3.69-1.53ln SD)/ln 2.5) (65)

TSI(TP)＝10(2.46+(6.71+1.151ln TP)/ln 2.5] (66)

TSI＝[TSI(Chla)+TSI(SD)+TSI(TP)]/3 (67)

式中：TSI—卡森指数；

Chla—水中叶绿素a浓度，mg/L；

SD—水体透明度，m；

TP—水中总磷浓度，mg/L。

卡森指数与水质营养状况的关系为：在同一状态下，卡森指数值越高，富营养程度越严重。

综合营养状态指数法也是以叶绿素a浓度为基准的营养状态指数。相对于卡森指数，增加了总氮和CODmn浓度的指标。计算公式如下所示：

TLI(Chla)＝10(2.5+1.086ln Chla) (68)

TLI(TP)＝10(9.436+1.624ln TP) (69)

TLI(TN)＝10(5.545+1.694ln TN) (70)

TLI(SD)＝10(5.118-1.94ln SD) (71)

TLI(COD_mn)＝10(0.109+2.661ln COD_mn) (72)

式中：TLI—综合营养状态指数；

TLI(i)—第i种参数的营养状态指数；

W_i—第i种参数的营养状态指数的相关权重；

TN—水中总氮浓度，mg/L；

COM_mn—水中高锰酸盐指数，mg/L。

采用0～100的一系列连续数字对湖泊营养状态进行分级，在同一营养状态下，指数值越高,其营养程度越重。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种一维非稳态河流水动力-水质模拟方法，其特征在于，包括：

获取河流的时间序列、空间数据和控制参数，其中所述时间序列包括流量、水质和排污，空间数据包括河道地形、河网结构和构建物结构，所述控制参数包括水力学参数、水文学参数和水质参数；

根据所述河流的时间序列、空间数据和控制参数进行非稳态河流水动力模拟计算和非稳态河流水质模拟计算，以得到考察点水位、流量、流速及水质的时间序列数据；

输出所述考察点水位、流量、流速及水质的时间序列数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非稳态河流水动力模拟计算包括：河道径流模拟计算、区间入流过程模拟计算和人工调度过程模拟计算。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非稳态河流水质模拟计算包括：河道水质模拟计算、区间入流污染负荷模拟计算和河道入渗、蒸发及土壤含水量模拟计算。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非稳态河流水动力模拟计算以圣维南一维非恒定流方程与一系列的内边界条件的隐式有限差分法为依据，用于模拟各种不同形式的水工建筑物所控制的非恒定流。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非稳态河流水质模拟计算以组分质量平衡为依据，参考来源和源漏以及化学、物理和生物相互影响而产生的浓度变化。

6.一维非稳态河流水动力-水质模拟装置，其特征在于，包括：

输入模块，用于获取河流的时间序列、空间数据和控制参数，其中所述时间序列包括流量、水质和排污，空间数据包括河道地形、河网结构和构建物结构，所述控制参数包括水力学参数、水文学参数和水质参数；

计算模块，用于根据所述河流的时间序列、空间数据和控制参数进行非稳态河流水动力模拟计算和非稳态河流水质模拟计算，以得到考察点水位、流量、流速及水质的时间序列数据；

输出模块，用于输出所述考察点水位、流量、流速及水质的时间序列数据。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述非稳态河流水动力模拟计算包括：河道径流模拟计算、区间入流过程模拟计算和人工调度过程模拟计算。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述非稳态河流水质模拟计算包括：河道水质模拟计算、区间入流污染负荷模拟计算和河道入渗、蒸发及土壤含水量模拟计算。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述非稳态河流水动力模拟计算以圣维南一维非恒定流方程与一系列的内边界条件的隐式有限差分法为依据，用于模拟各种不同形式的水工建筑物所控制的非恒定流。

10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述非稳态河流水质模拟计算以组分质量平衡为依据，参考来源和源漏以及化学、物理和生物相互影响而产生的浓度变化。

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