CN113011034B - 一种海域断面污染物输运通量确定方法及系统 - Google Patents

一种海域断面污染物输运通量确定方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种海域断面污染物输运通量确定方法及系统，涉及海域污染物扩散领域，该方法包括：获取待检测海域断面的测点、潮流数值模拟数据和海上污染物数据；将所述潮流数值模拟数据在所述待检测海域断面的测点上进行插值，提取所述测点对应的水深、流速和流向；根据测点对应的水深、流速和流向确定相邻两测点间的平均流量；将海上污染物数据在待检测海域断面的测点进行插值，确定相邻两测点间的污染物平均浓度；根据平均流量和污染物平均浓度确定待检测海域断面污染物输运通量。本发明能够实现在流态复杂的海域中检测污染物输运通量。

Description

一种海域断面污染物输运通量确定方法及系统
技术领域
本发明涉及海域污染物扩散领域，特别是涉及一种海域断面污染物输运通量确定方法及系统。
背景技术
随着沿海经济的快速发展，我国近海水环境持续恶化，海洋生态功能受损严重。近海水质污染是一个全球性的环境问题，将严重影响着海洋生态系统健康以及海洋经济的可持续发展。而近岸海域人类活动往往比较密集，是增养殖区、风景旅游区、海洋保护区等重要的功能区域。因此，控制污染、保护沿海海域水环境迫在眉睫。对海域污染物输运通量进行合理的计算是海域污染控制的前提和基础；建立起断面输运通量与海域水环境间的响应关系，是合理制定海域污染控制对策，实施总量控制的关键。海域污染物输运通量是污染物流经某一环境区间各种过程的综合表现，是海洋水文、地貌和化学等历程的综合结果。目前污染物通量计算方法大多只针对入海河流，现今缺乏一种适用于海域断面的污染物通量计算方法。海域断面污染物输运通量可用于刻画某一海域在某一时间范围内污染物的净输运总量。海域断面污染物输运通量计算所涉及到的是时空方面的问题，这是一个连续动态变化的过程，不同时段的计算结果是不同的，所以要因地制宜的选择计算方法。
物质输运通量是指一段时间内通过断面的物质总量。河流入海污染物的通量计算通常采用断面污染物的瞬间通量乘以时间跨度来代表该时段内通过该断面的污染物总量。入海河流的流向一般是单向非周期性流动，而海洋中的海流是潮流、风海流、波浪流等的综合水流，通常可把它分解为周期性的潮流和非周期性的余流。河流入海污染物断面瞬间通量法只适用于流态单一的非周期性流动，无法应用于流态复杂的海域中。
发明内容
本发明的目的是提供一种海域断面污染物输运通量确定方法及系统，以实现在流态复杂的海域中检测污染物输运通量。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种海域断面污染物输运通量确定方法，包括：
获取待检测海域断面的测点、潮流数值模拟数据和海上污染物数据；
将所述潮流数值模拟数据在所述待检测海域断面的测点上进行插值，得到所述测点对应的水深、流速和流向；
根据所述测点对应的水深、流速和流向确定相邻两测点间的平均流量；
将所述海上污染物数据在所述待检测海域断面的测点进行插值，确定相邻两测点间的污染物平均浓度；
根据所述平均流量和所述污染物平均浓度确定待检测海域断面污染物输运通量。
可选的，所述根据所述测点对应的水深、流速和流向确定相邻两测点间的平均流量，具体包括：
根据所述测点对应的水深、流速和流向确定单宽流量；
根据所述单宽流量确定相邻两测点间的平均流量。
可选的，所述根据所述测点对应的水深、流速和流向确定单宽流量，具体包括：
根据所述测点对应的水深、流速和流向利用如下公式确定单宽流量：
Figure BDA0002992792070000021
其中，
Figure BDA0002992792070000022
为第i个测点j时刻的单宽流量；
Figure BDA0002992792070000023
为第i个测点j时刻的水深；
Figure BDA0002992792070000024
为第i个测点j时刻的流速；
Figure BDA0002992792070000025
为第i个测点j时刻流向；γ为北方向与海域断面方向的夹角，所述海域断面方向为海域断面起点到终点的方向。
可选的，所述根据所述单宽流量确定相邻两测点间的平均流量，具体包括：
根据所述单宽流量利用如下公式确定相邻两测点间的平均流量：
Figure BDA0002992792070000026
其中，
Figure BDA0002992792070000027
为j时刻相邻两测点间的平均流量；
Figure BDA0002992792070000028
为第i个测点j时刻的单宽流量；
Figure BDA0002992792070000031
为第i+1个测点j时刻的单宽流量；Δli为相邻两测点的测点间距。
可选的，所述根据所述平均流量和所述污染物平均浓度确定待检测海域断面污染物输运通量，具体包括：
根据所述平均流量和所述污染物平均浓度利用如下公式确定海域断面污染物输运通量：
Figure BDA0002992792070000032
其中，Q为海域断面污染物输运通量；M为海域断面测点个数；N为设定时间步长的个数；
Figure BDA0002992792070000033
为j+1时刻相邻两测点间的平均流量；
Figure BDA0002992792070000034
为j时刻相邻两点间的污染物浓度；
Figure BDA0002992792070000035
为j+1时刻相邻两点间的污染物浓度；Δt为设定时间步长。
可选的，所述根据所述平均流量和所述污染物平均浓度确定待检测海域断面污染物输运通量之后，还包括：
根据多个所述待检测海域断面污染物输运通量确定海域的污染物流通方向和污染物输运通量；所述海域由多个待检测海域断面闭合形成。
一种海域断面污染物输运通量确定系统，包括：
获取模块，用于获取待检测海域断面的测点、潮流数值模拟数据和海上污染物数据；
第一插值模块，用于将所述潮流数值模拟数据在所述待检测海域断面的测点上进行插值，得到所述测点对应的水深、流速和流向；
平均流量确定模块，用于根据所述测点对应的水深、流速和流向确定相邻两测点间的平均流量；
第二插值模块，用于将所述海上污染物数据在所述待检测海域断面的测点进行插值，确定相邻两测点间的污染物平均浓度；
待检测海域断面污染物输运通量确定模块，用于根据所述平均流量和所述污染物平均浓度确定待检测海域断面污染物输运通量。
可选的，所述平均流量确定模块，具体包括：
单宽流量确定子模块，用于根据所述测点对应的水深、流速和流向确定单宽流量；
相邻两测点间的平均流量确定子模块，用于根据所述单宽流量确定相邻两测点间的平均流量。
可选的，所述单宽流量确定子模块，具体包括：
单宽流量确定单元，用于根据所述测点对应的水深、流速和流向利用如下公式确定单宽流量：
Figure BDA0002992792070000041
其中，
Figure BDA0002992792070000042
为第i个测点j时刻的单宽流量；
Figure BDA0002992792070000043
为第i个测点j时刻的水深；
Figure BDA0002992792070000044
为第i个测点j时刻的流速；
Figure BDA0002992792070000045
为第i个测点j时刻流向；γ为北方向与海域断面方向的夹角，所述海域断面方向为海域断面起点到终点的方向。
可选的，所述相邻两测点间的平均流量确定子模块，具体包括：
相邻两测点间的平均流量确定单元，用于根据所述单宽流量利用如下公式确定相邻两测点间的平均流量：
Figure BDA0002992792070000046
其中，
Figure BDA0002992792070000047
为j时刻相邻两测点间的平均流量；
Figure BDA0002992792070000048
为第i个测点j时刻的单宽流量；
Figure BDA0002992792070000049
为第i+1个测点j时刻的单宽流量；Δli为相邻两测点的测点间距。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种海域断面污染物输运通量确定方法，通过潮流数值模拟数据，提取待检测海域断面测点上的水深，流速和流向，确定相邻两测点间的平均流量；利用海上污染物数据和待检测海域断面的测点确定两测点间的污染物平均浓度，通过计算一段时间是内流经待检测海域断面的累计物质通量来确定该时间段内通过待检测海域断面的物质总量，从而实现了在流态复杂的海域中检测污染物输运通量。
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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的海域断面污染物输运通量确定方法流程图；
图2为本发明提供的海域断面流速分布示意图；
图3为本发明提供的海域断面活性磷酸盐浓度分布示意图；
图4为本发明提供的γ角示意图；
图5为本发明提供的海域断面污染物输运通量确定系统示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种海域断面污染物输运通量确定方法及系统，以实现在流态复杂的海域中检测污染物输运通量。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图2和图3所示，海域断面污染物输运通量计算，需将已有的潮流数值模拟结果和已有的海上水质调查所获取的污染物数据在海域断面所布设的测点上进行插值。本发明的污染物数据以活性磷酸盐为例。
如图1所示，本发明提供的一种海域断面污染物输运通量确定方法，包括：
步骤101：获取待检测海域断面的测点、潮流数值模拟数据和海上污染物数据。
步骤102：将所述潮流数值模拟数据在所述待检测海域断面的测点上进行插值，得到所述测点对应的水深、流速和流向。
在海域断面上布设M个测点，两个测点间距为Δli，提取数据设为N个时间步，时间步长为Δt。从潮流数值模拟结果中提取断面上M个测点N个时刻的水深、流速和流向。
步骤103：根据所述测点对应的水深、流速和流向确定相邻两测点间的平均流量。
步骤103，具体包括：
根据所述测点对应的水深、流速和流向确定单宽流量。所述根据所述测点对应的水深、流速和流向确定单宽流量，具体包括：根据所述测点对应的水深、流速和流向利用如下公式确定单宽流量：
Figure BDA0002992792070000061
其中，
Figure BDA0002992792070000062
为第i个测点j时刻的单宽流量；
Figure BDA0002992792070000063
为第i个测点j时刻的水深；
Figure BDA0002992792070000064
为第i个测点j时刻的流速；
Figure BDA0002992792070000065
为第i个测点j时刻流向；γ为北方向与海域断面方向的夹角，所述海域断面方向为海域断面起点到终点的方向，具体如图4所示，图中的N代表北。
根据所述单宽流量确定相邻两测点间的平均流量。所述根据所述单宽流量确定相邻两测点间的平均流量，具体包括：根据所述单宽流量利用如下公式确定相邻两测点间的平均流量：
Figure BDA0002992792070000066
其中，
Figure BDA0002992792070000067
为j时刻相邻两测点间的平均流量；
Figure BDA0002992792070000068
为第i个测点j时刻的单宽流量；
Figure BDA0002992792070000069
为第i+1个测点j时刻的单宽流量；Δli为相邻两测点的测点间距。
步骤104：将所述海上污染物数据在所述待检测海域断面的测点进行插值，确定相邻两测点间的污染物平均浓度。
根据研究海域水质调查获取的污染物浓度值，在海域断面所布设的测点上进行插值，即可获得该测点的污染物浓度值。
j时刻相邻两测点间的污染物平均浓度为：
Figure BDA00029927920700000610
式中：
Figure BDA00029927920700000611
为第i个测点j时刻的污染物浓度；
Figure BDA00029927920700000612
为第i+1个测点j时刻的污染物浓度。
步骤105：根据所述平均流量和所述污染物平均浓度确定待检测海域断面污染物输运通量。物质输运通量是指一段时间内通过某断面的物质总量。
步骤105，具体包括：
根据所述平均流量和所述污染物平均浓度利用如下公式确定海域断面污染物输运通量：
Figure BDA0002992792070000071
其中，Q为海域断面污染物输运通量；M为海域断面测点个数；N为设定时间步长的个数；
Figure BDA0002992792070000072
为j+1时刻相邻两测点间的平均流量；
Figure BDA0002992792070000073
为j时刻相邻两点间的污染物浓度；
Figure BDA0002992792070000074
为j+1时刻相邻两点间的污染物浓度；Δt为设定时间步长。
作为一种可选的实施方式，所述根据所述平均流量和所述污染物平均浓度确定待检测海域断面污染物输运通量之后，还包括：根据多个所述待检测海域断面污染物输运通量确定海域的污染物流通方向和污染物输运通量；所述海域由多个待检测海域断面闭合形成。
建立海域断面污染物输运通量计算公式，能够计算得到研究海域在某一段时间内进出某断面的污染物总量Q。如果Q为正值，那么该污染物是由外海经该断面净输入到研究海域；如果Q为负值，那么该污染物是由研究海域经该断面向外海净输出。研究海域一般是由多个海域断面闭合而成，通过计算各个断面的污染物通量Q，然后累加求和便得到整个研究海域在某一段时间内污染物的进出总量∑Q。同理，由∑Q值的正负可知该污染物是向研究海域内净输入还是向研究海域外净输出，从而可以判断该污染物是主要来自于研究海域内部还是外部海域，例如表1中的海域断面活性磷酸盐输运通量。
表1海域断面活性磷酸盐输运通量(单位：吨)
季节 断面1 断面2 断面3 合计(∑Q)
春季 11.63 -4.03 0.38 7.99
秋季 -15.47 6.87 0.20 -8.40
春季活性磷酸盐总计向海域内输入7.99吨，其中断面1向海域内输入11.63吨，断面2向海域外输出4.03吨，断面3向海域内输入0.38吨。秋季活性磷酸盐总计向海域外输出8.40吨，其中断面1向海域外输出15.47吨，断面2向海域内输入6.87吨，断面3向海域内输入0.20吨。
如图5所示，本发明提供的一种海域断面污染物输运通量确定系统，包括：
获取模块401，用于获取待检测海域断面的测点、潮流数值模拟数据和海上污染物数据。
第一插值模块402，用于将所述潮流数值模拟数据在所述待检测海域断面的测点上进行插值，得到所述测点对应的水深、流速和流向。
平均流量确定模块403，用于根据所述测点对应的水深、流速和流向确定相邻两测点间的平均流量。其中，所述平均流量确定模块403，具体包括：
单宽流量确定子模块，用于根据所述测点对应的水深、流速和流向确定单宽流量。所述单宽流量确定子模块，具体包括：单宽流量确定单元，用于根据所述测点对应的水深、流速和流向利用如下公式确定单宽流量：
Figure BDA0002992792070000081
其中，
Figure BDA0002992792070000082
为第i个测点j时刻的单宽流量；
Figure BDA0002992792070000083
为第i个测点j时刻的水深；
Figure BDA0002992792070000084
为第i个测点j时刻的流速；
Figure BDA0002992792070000085
为第i个测点j时刻流向；γ为北方向与海域断面方向的夹角，所述海域断面方向为海域断面起点到终点的方向。
相邻两测点间的平均流量确定子模块，用于根据所述单宽流量确定相邻两测点间的平均流量。所述相邻两测点间的平均流量确定子模块，具体包括：相邻两测点间的平均流量确定单元，用于根据所述单宽流量利用如下公式确定相邻两测点间的平均流量：
Figure BDA0002992792070000086
其中，
Figure BDA0002992792070000087
为j时刻相邻两测点间的平均流量；
Figure BDA0002992792070000088
为第i个测点j时刻的单宽流量；
Figure BDA0002992792070000089
为第i+1个测点j时刻的单宽流量；Δli为相邻两测点的测点间距。
第二插值模块404，用于将所述海上污染物数据在所述待检测海域断面的测点进行插值，确定相邻两测点间的污染物平均浓度。
待检测海域断面污染物输运通量确定模块405，用于根据所述平均流量和所述污染物平均浓度确定待检测海域断面污染物输运通量。
针对海域断面污染物通量计算，采用本发明提供的海域断面污染物输运通量确定方法及系统，即通过计算一段时间内流经海域断面的累计物质通量来得到该时段内通过该断面的物质总量。污染物断面累计通量法与断面瞬间通量法相比，具有较强的时效性和准确性，该方法不仅适用于海洋，也适用于入海河流，并能为沿海地市管辖海域范围内污染物的溯源、污染物总量控制指标的制定提供科学依据。本发明所推导的公式，可为海域主管部门管辖海域范围内污染物的溯源、总量控制提供技术支撑。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种海域断面污染物输运通量确定方法，其特征在于，包括：
获取待检测海域断面的测点、潮流数值模拟数据和海上污染物数据；
将所述潮流数值模拟数据在所述待检测海域断面的测点上进行插值，得到所述测点对应的水深、流速和流向；
根据所述测点对应的水深、流速和流向确定相邻两测点间的平均流量；
将所述海上污染物数据在所述待检测海域断面的测点进行插值，确定相邻两测点间的污染物平均浓度；
根据所述平均流量和所述污染物平均浓度确定待检测海域断面污染物输运通量；所述根据所述平均流量和所述污染物平均浓度确定待检测海域断面污染物输运通量，具体包括：
根据所述平均流量和所述污染物平均浓度利用如下公式确定海域断面污染物输运通量：
Figure FDA0003527785520000011
其中，Q为海域断面污染物输运通量；M为海域断面测点个数；N为设定时间步长的个数；
Figure FDA0003527785520000012
为j+1时刻相邻两测点间的平均流量；
Figure FDA0003527785520000013
为j时刻相邻两点间的污染物浓度；
Figure FDA0003527785520000014
为j+1时刻相邻两点间的污染物浓度；Δt为设定时间步长；
Figure FDA0003527785520000015
为j时刻相邻两测点间的平均流量。
2.根据权利要求1所述的海域断面污染物输运通量确定方法，其特征在于，所述根据所述测点对应的水深、流速和流向确定相邻两测点间的平均流量，具体包括：
根据所述测点对应的水深、流速和流向确定单宽流量；
根据所述单宽流量确定相邻两测点间的平均流量。
3.根据权利要求2所述的海域断面污染物输运通量确定方法，其特征在于，所述根据所述测点对应的水深、流速和流向确定单宽流量，具体包括：
根据所述测点对应的水深、流速和流向利用如下公式确定单宽流量：
Figure FDA0003527785520000016
其中，
Figure FDA0003527785520000021
为第i个测点j时刻的单宽流量；
Figure FDA0003527785520000022
为第i个测点j时刻的水深；
Figure FDA0003527785520000023
为第i个测点j时刻的流速；
Figure FDA0003527785520000024
为第i个测点j时刻流向；γ为北方向与海域断面方向的夹角，所述海域断面方向为海域断面起点到终点的方向。
4.根据权利要求3所述的海域断面污染物输运通量确定方法，其特征在于，所述根据所述单宽流量确定相邻两测点间的平均流量，具体包括：
根据所述单宽流量利用如下公式确定相邻两测点间的平均流量：
Figure FDA0003527785520000025
其中，
Figure FDA0003527785520000026
为j时刻相邻两测点间的平均流量；
Figure FDA0003527785520000027
为第i个测点j时刻的单宽流量；
Figure FDA0003527785520000028
为第i+1个测点j时刻的单宽流量；Δli为相邻两测点的测点间距。
5.根据权利要求1所述的海域断面污染物输运通量确定方法，其特征在于，所述根据所述平均流量和所述污染物平均浓度确定待检测海域断面污染物输运通量之后，还包括：
根据多个所述待检测海域断面污染物输运通量确定海域的污染物流通方向和污染物输运通量；所述海域由多个待检测海域断面闭合形成。
6.一种海域断面污染物输运通量确定系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取待检测海域断面的测点、潮流数值模拟数据和海上污染物数据；
第一插值模块，用于将所述潮流数值模拟数据在所述待检测海域断面的测点上进行插值，得到所述测点对应的水深、流速和流向；
平均流量确定模块，用于根据所述测点对应的水深、流速和流向确定相邻两测点间的平均流量；
第二插值模块，用于将所述海上污染物数据在所述待检测海域断面的测点进行插值，确定相邻两测点间的污染物平均浓度；
待检测海域断面污染物输运通量确定模块，用于根据所述平均流量和所述污染物平均浓度确定待检测海域断面污染物输运通量；所述根据所述平均流量和所述污染物平均浓度确定待检测海域断面污染物输运通量，具体包括：
根据所述平均流量和所述污染物平均浓度利用如下公式确定海域断面污染物输运通量：
Figure FDA0003527785520000031
其中，Q为海域断面污染物输运通量；M为海域断面测点个数；N为设定时间步长的个数；
Figure FDA0003527785520000032
为j+1时刻相邻两测点间的平均流量；
Figure FDA0003527785520000033
为j时刻相邻两点间的污染物浓度；
Figure FDA0003527785520000034
为j+1时刻相邻两点间的污染物浓度；Δt为设定时间步长；
Figure FDA0003527785520000035
为j时刻相邻两测点间的平均流量。
7.根据权利要求6所述的海域断面污染物输运通量确定系统，其特征在于，所述平均流量确定模块，具体包括：
单宽流量确定子模块，用于根据所述测点对应的水深、流速和流向确定单宽流量；
相邻两测点间的平均流量确定子模块，用于根据所述单宽流量确定相邻两测点间的平均流量。
8.根据权利要求7所述的海域断面污染物输运通量确定系统，其特征在于，所述单宽流量确定子模块，具体包括：
单宽流量确定单元，用于根据所述测点对应的水深、流速和流向利用如下公式确定单宽流量：
Figure FDA0003527785520000036
其中，
Figure FDA0003527785520000037
为第i个测点j时刻的单宽流量；
Figure FDA0003527785520000038
为第i个测点j时刻的水深；
Figure FDA0003527785520000039
为第i个测点j时刻的流速；
Figure FDA00035277855200000310
为第i个测点j时刻流向；γ为北方向与海域断面方向的夹角，所述海域断面方向为海域断面起点到终点的方向。
9.根据权利要求8所述的海域断面污染物输运通量确定系统，其特征在于，所述相邻两测点间的平均流量确定子模块，具体包括：
相邻两测点间的平均流量确定单元，用于根据所述单宽流量利用如下公式确定相邻两测点间的平均流量：
Figure FDA00035277855200000311
其中，
Figure FDA0003527785520000041
为j时刻相邻两测点间的平均流量；
Figure FDA0003527785520000042
为第i个测点j时刻的单宽流量；
Figure FDA0003527785520000043
为第i+1个测点j时刻的单宽流量；Δli为相邻两测点的测点间距。
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