CN112632865B - 一种内河水系最优流速的调控方法 - Google Patents

一种内河水系最优流速的调控方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种内河水系最优流速的调控方法，包括以下步骤：收集河道平面及断面数据，利用MIKE 11软件建立河道水动力模型；设置水质边界参数及对流扩散参数，在MIKE 11软件中建立河道水质模型；通过现场实测，进行河道水动力和水质模型的率定；利用率定后的模型在不同水动力下的水质模拟结果结合Origin软件的拟合功能确定水动力‑水质拟合直线；通过得到的多条水动力‑水质拟合直线结合目标水质可以分别确定多个河道最优流速值，从这多个河道最优流速值中选取最大值作为最优流速的最终调控值；设置流速、水位、水质一体式监测站；进行水动力调控。本方法能够有效提升内河水系水动力，改善内河水系水质，实用性好，应用范围广。

Description

一种内河水系最优流速的调控方法
技术领域
本发明属于内河水系综合治理领域，具体涉及一种内河水系最优流速的调控方法。
背景技术
随着我国社会水平的提升,经济步伐的推进,人民对于城市水环境的要求也日益提高。然而城市化进程中遗留的大量水环境问题，导致城市内河水系成为黑臭水体，严重影响市民生活。
城市内河水系主要承担城区排涝、排污的双重功能，大多为末端支流，无稳定的天然水源，加之内河水系河道坡度较缓，综合表现为内河水系流速慢，导致河道积淤严重、自净能力下降、水质发黑发臭、水环境严重恶化。
因此，如何对内河水系的最优流速进行判定并进行调整成为本领域技术人员的难点。
发明内容
本发明为解决上述技术问题提供了内河水系最优流速的调控方法，该方法能够准确判定不同河道最优流速，大大提升了内河水系调控的效率，实用性好，应用范围广。
为了实现上述目的，本发明是通过如下方法实现的：
一种内河水系最优流速的调控方法，该方法包括以下步骤：
收集河道平面及断面数据，利用MIKE 11软件建立河道水动力模型；
设置水质边界参数及对流扩散参数，在MIKE 11软件中建立河道水质模型；
通过现场实测水动力参数及水质参数，进行河道水动力和水质模型的率定；
利用率定后的模型在不同水动力下的水质模拟结果结合Origin软件的拟合功能确定水动力-水质拟合直线；
通过得到的多条水动力-水质拟合直线结合目标水质可以分别确定多个河道最优流速值，从这多个河道最优流速值中选取最大值作为最优流速的最终调控值；
设置流速、水位、水质一体式监测站；
进行水动力调控，使一体式监测站的监测数据大于或等于最优流速的最终调控值。
优选地，所述河道水动力模型的建立步骤为：
利用MIKE 11软件的河网编辑器进行河网的编辑和河网输入，实现数字化河网文件的构建；
利用MIKE 11软件的横断面编辑器设置内河断面的形状、类型、所属河流、里程及水力半径，然后MIKE 11软件进行预处理计算，得出水位-过水面积关系曲线、水力半径、阻力系数及流量模数数据；
利用MIKE 11软件的时间序列文件定义水位、流量、降水量、温度及浓度要素随时间的变化过程，将数据类型设置为等距日历轴瞬时值形式；
利用MIKE 11软件的边界条件编辑器定义计算模型与外界环境间的物质交换及相互作用；
利用MIKE 11软件的水力参数编辑器用以配置水动力模型所需补充参数的取值；
利用MIKE 11软件的模拟编辑器集成上述步骤中河网、断面、时间序列文件、边界及参数文件，输入模拟计算的基本参数，选择计算模块，设定计算时间及计算步长，进行模拟计算，得出河道水动力模型；
利用实测水位数据，反复调试参数文件，对MIKE 11水动力模型模拟值进行验证计算，得到可信的河道水动力模型。
优选地，所述河道水质模型的建立步骤为：
利用MIKE 11软件构建水质边界文件；
利用MIKE 11软件构建对流扩散参数文件；所述流扩散参数文件用于设定模拟污染物、计算初始条件、污染物扩散系数及综合降解系数；
利用MIKE 11软件模拟模块功能，计算水质模拟值，与实测水质数据对比，确定对流扩散参数，得到可信的水质模型。
优选地，所述水质参数包括氨氮NH3-N、五天生化需氧量BOD5、总磷TP、化学需氧量COD。
优选地，水动力调控的具体步骤为：利用河道中设置的闸坝、泵闸以及补水泵站设施进行河道水动力调控，结合一体式监测站的监测数据，以使监测数据大于或等于最优流速的最终调控值。
优选地，通过远程控制闸坝、泵闸以及补水泵站水工设备启闭来调节河水流速至最优流速的最终调控值。
优选地，水动力调控的具体步骤为：建立河道水动力-水质数据库，收集整理一体式监测站数据、河道水文资料以及河道各类水工设施设备运行资料；通过数据库、河道水动力-水质模型、水动力-水质拟合方法以及远程控制智慧水务系统，实现河道水动力自动高效动态调控。
本发明的有益效果在于，同现有技术相比，能够根据不同情况下的不同水质要求精准判定河道最优流速，通过控制闸坝、泵闸以及补水泵站等水工设备使河水流速达到最优流速，实现高效经济的内河水动力调控，降低河道运行成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图进行论述，显然，在结合附图进行描述的方法仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图所示实施例得到其他的实施例及其附图。
图1为茶亭河河网概化图。
图2为茶亭河河道断面示意图(以里程0为例)。
图3为断面预处理视窗(以里程为0为例)
图4至图7为河道水动力-水质拟合直线图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的各实施例的方法进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中所述的实施例，本领域普通技术人员在不需要创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，如调整水质参数种类等，都在本发明所保护的范围内。
实施例一
本发明实施例提供的一种内河水系最优流速的调控方法，本实施例以福州市的茶亭河为具体实例，详细说明该最优流速的调控方法，该方法包括以下步骤：
S100、收集河道平面及断面数据，利用MIKE 11软件建立河道水动力模型；
所述河道水动力模型的具体建立步骤为：
S101、利用MIKE 11软件的河网编辑器进行河网的编辑和河网输入，实现数字化河网文件的构建；通过河网编辑器可以实现河网文件数字化，定义河段连接、水工建筑物基本属性及集水区参数等功能。茶亭河位于福州市台江区，将生成的数字化河网shape file文件导入河网编辑器内，概化的茶亭河如图1。经过MIKE 11河网编辑器后的茶亭河共有139个数字里程点，茶亭河总长为2047m。
S102、利用MIKE 11软件的横断面编辑器设置内河断面的形状、类型、所属河流、里程及水力半径；横断面是垂直于水流方向的河道二维剖面，是用于描述河道形状及河底高程变化的重要参数。本实施例收集模拟河段断面起始距X与河床高层Z数据，将其导入MIKE11断面生成文件中，如图2所示。然后MIKE 11软件进行预处理计算，得出水位-过水面积关系曲线、水力半径、阻力系数及流量模数等数据用于模型计算，如图3所示；
S103、利用MIKE 11软件的时间序列文件定义水位、流量、降水量、温度及浓度要素随时间的变化过程，将数据类型设置为等距日历轴瞬时值形式；本实施例中所收集的水文及水质数据多为从某一绝对日期开始，在固定时间间隔下的瞬时监测值，故将其数据类型设置为等距日历轴瞬时值形式。
S104、利用MIKE 11软件的边界条件编辑器定义计算模型与外界环境间的物质交换及相互作用；为了模型的稳定计算，将上边界条件设为流量，单位m3·s-1。下边界条件设置为水位，单位为m。由于本实施例河段没有取水构筑物等水工构筑物存在，在模型模拟的时候只设置上下边界。
S105、利用MIKE 11软件的水力参数编辑器用以配置水动力模型所需补充参数的取值，包括模型的初始条件、风场、糙率值和模型计算默认值，同时也可定义模拟结果的附加输出选项，如流速、阻力、过流面积、水面比降。
S106、利用MIKE 11软件的模拟编辑器集成上述步骤中河网、断面、时间序列文件、边界及参数文件，输入模拟计算的基本参数，选择计算模块，设定计算时间及计算步长，进行模拟计算，得出河道水动力模型；
S107、利用实测水位数据，反复调试参数文件，对MIKE 11水动力模型模拟值进行验证计算，得到可信的河道水动力模型。
S200、设置水质边界参数及对流扩散参数，在MIKE 11软件中建立河道水质模型；
所述河道水质模型的建立步骤为：
S201、利用MIKE 11软件构建水质边界文件；
S202、利用MIKE 11软件构建对流扩散参数文件；所述流扩散参数文件用于设定模拟污染物、计算初始条件、污染物扩散系数及综合降解系数；茶亭河氮磷污染严重，选择NH3-N、COD、BOD5、TP作为特征污染物进行模拟；
S203、利用MIKE 11软件模拟模块功能，计算水质模拟值，与实测水质数据对比，确定对流扩散参数，得到可信的水质模型。
S300、通过现场实测，进行河道水动力、水质模型率定，形成茶亭河水动力和水质模型；
S400、利用率定后的模型在不同水动力下的水质模拟结果结合Origin软件的拟合功能确定水动力-水质拟合直线；河道水动力-水质拟合直线图详见图4至图7，本次拟合选择的目标水质为地表水环境V类标准，茶亭河选择的水质参数为氨氮NH3-N、五天生化需氧量BOD5、总磷TP、化学需氧量COD(可根据实际需求调整)；
S500、通过得到的多条水动力-水质拟合直线结合目标水质可以分别确定多个河道最优流速值，从这多个河道最优流速值中选取最大值作为最优流速的最终调控值；由图4至图7可知，当流速大于等于56mm/s时，所选水质参数均能达到地表水环境V类标准，即为最优流速。
S600、设置流速、水位、水质一体式监测站；
S700、利用河道中设置的闸坝、泵闸以及补水泵站设施进行河道水动力调控，结合监测站的监测数据，以使监测数据大于或等于最优流速的最终调控值。
实施例二
本实施例提供一种内河水系最优流速的调控方法，其与实施例一大致相同，不同之处在于步骤S700为：建立河道水动力-水质数据库，收集整理一体式监测站数据、河道水文资料以及河道各类水工设施设备运行资料；通过数据库、河道水动力-水质模型、水动力-水质拟合方法以及远程控制智慧水务系统，实现河道水动力自动高效动态调控，节约河道运行成本。

Claims (6)

1.一种内河水系最优流速的调控方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
收集河道平面及断面数据，利用MIKE 11软件建立河道水动力模型；
设置水质边界参数及对流扩散参数，在MIKE 11软件中建立河道水质模型；
通过现场实测水动力参数及水质参数，进行河道水动力和水质模型的率定；
利用率定后的模型在不同水动力下的水质模拟结果结合Origin软件的拟合功能确定水动力-水质拟合直线；
通过得到的多条水动力-水质拟合直线结合目标水质可以分别确定多个河道最优流速值，从这多个河道最优流速值中选取最大值作为最优流速的最终调控值；
设置流速、水位、水质一体式监测站；
进行水动力调控，使一体式监测站的监测数据大于或等于最优流速的最终调控值；
所述河道水动力模型的建立步骤为：
利用MIKE 11软件的河网编辑器进行河网的编辑和河网输入，实现数字化河网文件的构建；
利用MIKE 11软件的横断面编辑器设置内河断面的形状、类型、所属河流、里程及水力半径，然后MIKE 11软件进行预处理计算，得出水位-过水面积关系曲线、水力半径、阻力系数及流量模数数据；
利用MIKE 11软件的时间序列文件定义水位、流量、降水量、温度及浓度要素随时间的变化过程，将数据类型设置为等距日历轴瞬时值形式；
利用MIKE 11软件的边界条件编辑器定义计算模型与外界环境间的物质交换及相互作用；
利用MIKE 11软件的水力参数编辑器用以配置水动力模型所需补充参数的取值；
利用MIKE 11软件的模拟编辑器集成上述步骤中河网、断面、时间序列文件、边界及参数文件，输入模拟计算的基本参数，选择计算模块，设定计算时间及计算步长，进行模拟计算，得出河道水动力模型；
利用实测水位数据，反复调试参数文件，对MIKE 11水动力模型模拟值进行验证计算，得到可信的河道水动力模型。
2.如权利要求1所述的调控方法，其特征在于，所述河道水质模型的建立步骤为：
利用MIKE 11软件构建水质边界文件；
利用MIKE 11软件构建对流扩散参数文件；所述流扩散参数文件用于设定模拟污染物、计算初始条件、污染物扩散系数及综合降解系数；
利用MIKE 11软件模拟模块功能，计算水质模拟值，与实测水质数据对比，确定对流扩散参数，得到可信的水质模型。
3.如权利要求1所述的调控方法，其特征在于，所述水质参数包括氨氮NH3-N、五天生化需氧量BOD5、总磷TP、化学需氧量COD。
4.如权利要求1所述的调控方法，其特征在于，水动力调控的具体步骤为：利用河道中设置的闸坝、泵闸以及补水泵站设施进行河道水动力调控，结合一体式监测站的监测数据，以使监测数据大于或等于最优流速的最终调控值。
5.如权利要求4所述的调控方法，其特征在于，通过远程控制闸坝、泵闸以及补水泵站水工设备启闭来调节河水流速至最优流速的最终调控值。
6.如权利要求1所述的调控方法，其特征在于，水动力调控的具体步骤为：建立河道水动力-水质数据库，收集整理一体式监测站数据、河道水文资料以及河道各类水工设施设备运行资料；通过数据库、河道水动力-水质模型、水动力-水质拟合方法以及远程控制智慧水务系统，实现河道水动力自动高效动态调控。
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