CN114894557A - 水环境网格化监测预警分析方法及其监测取水装置 - Google Patents

水环境网格化监测预警分析方法及其监测取水装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了水环境网格化监测预警分析方法及其监测取水装置，水环境网格化监测预警分析方法利用有限元网格划分的方法对河道模型进行流体运算，通过不同时间物质流动区域变化的分析，实现对监测部分上下游污染物扩散情况的有效预警通知；监测取水装置包括采样筒；采样筒的两端分别设置有第一通道和第二通道；采样筒的内部固定设置有导向杆；导向杆上滑动设置有漂浮块；第一通道上还设置有配重件；配重件在水中下沉调节采样筒的姿态，让其类似于浮漂杆竖直浮沉，保证采样进水速率稳定，液面就会把漂浮块向上推动嵌入第二通道，在采样筒重新离开水面时避免内部存水泄漏。

Description

水环境网格化监测预警分析方法及其监测取水装置
技术领域
本发明设计水环境监测领域，尤其涉及水环境网格化监测预警分析方法及其监测取水装置。
背景技术
河道环境治理是环境治理工作的重要组成部分，为了实现长效的污染监测及预警分析的体系，需要建立一套分析方法以及相应的监测取水装置，利用不同时间全流域物质扩散状态的研究，可以在局部取水检测后推测出其它地方的污染情况，从而便于及时发出预警。此外，目前常规的取水装置多为单进口结构的瓶装结构，不但容易受到水中污染物的堵塞而影响采样进行，其开口也往往依赖操作人员回收后进行封闭，无法自主完成采样和封闭全过程。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种可以对河道流域进行分析预警、且采样设备易用稳定的水环境网格化监测预警分析方法及其监测取水装置。
技术方案：为实现上述目的，本发明的水环境网格化监测预警分析方法，包括以下步骤：
S1，绘制监测水域的河道图；
S2，沿水流方向截取若干河道截面；
S3，将河道网格划分并建立河道模型；
S4，输入水体流动数据，得到流动模型；
S5，对S2中任意的截面进行取水检测，将其中污染物的检测数据代入S4的流动模型，计算上下游污染物随时间的传播情况；
S6，针对污染物超过阈值的区域，发送预警信息；
其中，水体流动数据包括断面流量和高程；
1.1模型原理：
该河道模型是基于三项不可压缩和Reynolds值均布的Navier-Stokes方程，并服从于Boussinesq假定和静水压力的假定；
二维非恒定浅水方程组为：
Figure BDA0003613729380000011
Figure BDA0003613729380000021
Figure BDA0003613729380000022
式中：t为时间；x,y为笛卡尔坐标系坐标；η为水位；d为静止水深；h＝η+d为总水深；u,v分别为x,y方向上的速度分量；g为重力加速度；ρ为水的密度；sxx、sxy、syy分别为辐射应力分量；S为源项；ux,vx为源项水流流速；f是科氏力系数，长度小、流域小的河道受地转偏向力影响不大，故建模时忽略科氏力；
字母上带上横杠的代表平均值，例如：
Figure BDA0003613729380000023
为沿水深的平均流速，由以下公式定义：
Figure BDA0003613729380000024
Tij为水平粘滞应力项，包括粘性力、紊流应力和水平对流，这些量可根据沿水深平均的速度梯度用涡流粘性方程得出：
Figure BDA0003613729380000025
1.2数值解法：
空间离散：计算区域的空间离散是用有限体积法，将河道细分为不重叠的三角形；
浅水方程组的通用形式一般可写成：
Figure BDA0003613729380000026
在笛卡尔坐标系中，二维浅水方程组可写为：
Figure BDA0003613729380000027
式中：U为守恒型物理向量；F为向量通量；S为源项；上标I和V分别为无粘性和有粘性的通量。各项分别如下：
Figure BDA0003613729380000031
对方程(1-6)第i个单元积分，并运用Gauss原理重写可得出：
Figure BDA0003613729380000032
式中：Ai为单元Ωi的面积；Γi为单元的边界；ds为沿着边界的积分变量。使用单点求积法计算面积的积分，该求积点位于单元的质点，同时使用中点求积法来计算边界积分，方程(1-9)可写为：
Figure BDA0003613729380000033
式中：Ui和Si分别为第i个单元的U和S的平均值，并位于单元中心；NS是单元的边界数；ΔΓj为第j个单元的长度。
进一步的，监测取水装置包括采样筒；所述采样筒的两端分别设置有第一通道和第二通道；所述采样筒的内部固定设置有导向杆；所述导向杆上滑动设置有漂浮块；所述第一通道内部设置有单向阀；所述第一通道上还设置有配重件；当所述采样筒被置于水中时，其配重件所在端下沉，水流从第一通道涌入筒内，驱动所述漂浮块滑动镶嵌进所述第二通道内。
进一步的，所述漂浮块包括相互连接的浮力部和膨胀部；所述浮力部的密度小于水；所述膨胀部采用吸水膨胀橡胶制成。
进一步的，所述膨胀部的侧面环向设置有透气槽；所述透气槽连通开设在所述膨胀部靠近所述第二通道的一端上；所述透气槽的长度小于所述第二通道的长度。
进一步的，所述配重件为管状结构；所述配重件与所述第一通道连通衔接；所述配重件的管壁上环向开设有辅助进水口；所述辅助进水口为条形孔，其长度方向与所述第一通道的长度方向平行。
进一步的，所述第二通道的出口端设置有限位组件；所述限位组件包括挡杆；所述挡杆一端与所述采样筒的端面连接，另一端延伸在所述第二通道的流通路径上。
进一步的，所述限位组件还包括补强圈；所述补强圈与所述采样筒的端面贴合连接；若干个所述挡杆环向间隔穿设在所述补强圈上。
进一步的，所述采样筒的端面上还设置有拉环；所述拉环上沿自身长度方向设置有若干个穿线孔；多个所述穿线孔之间呈S形穿设有拉绳。
有益效果：(1)本发明的水环境网格化监测预警分析方法，利用有限元网格划分的方法对河道模型进行流体运算，通过不同时间物质流动区域变化的分析，实现对监测部分上下游污染物扩散情况的有效预警通知；(2)本发明的监测取水装置，包括采样筒；采样筒的两端分别设置有第一通道和第二通道；采样筒的内部固定设置有导向杆；导向杆上滑动设置有漂浮块；第一通道上还设置有配重件；配重件在水中下沉调节采样筒的姿态，让其类似于浮漂杆竖直浮沉，保证采样进水速率稳定，液面就会把漂浮块向上推动嵌入第二通道，在采样筒重新离开水面时避免内部存水泄漏；(3)本发明的监测取水装置，膨胀部的侧面环向设置有透气槽；透气槽连通开设在膨胀部靠近第二通道的一端上；透气槽的长度小于第二通道的长度，透气槽可以在膨胀部初始嵌入第二通道内部时，让采样筒内外空气可以保持连通，令漂浮块相应能够进一步嵌入第二通道，提升密封可靠性；(4)本发明的监测取水装置，配重件为管状结构；配重件与第一通道连通衔接；配重件的管壁上环向开设有辅助进水口；管状结构可以让配重件下沉到更深的水域中，通过管道内部空间以及侧面的辅助进水口共同进水，从而避免局部区域被水中的杂物遮挡堵塞，提升取水操作的稳定性。
附图说明
图1为本发明的预警分析方法流程图。
图2为本发明的河道模型网格划分示意图；
图3为本发明的监测取水装置剖视图；
图4为本发明的监测取水装置整体结构示意图；
图5为本发明的漂浮块结构示意图；
图6为本发明的监测取水装置局部细节图；
图7为本发明的限位组件和拉环结构示意图。
图中里各附图标记为：
1、采样筒，2、第一通道，21、单向阀，3、第二通道，4、导向杆，5、漂浮块，51、浮力部，52、膨胀部，53、透气槽，6、限位组件，61、挡杆，62、补强圈，7、拉环，71、穿线孔，8、拉绳，9、配重件，91、辅助进水口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
水环境网格化监测预警分析方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1，绘制监测水域的河道图；
S2，沿水流方向截取若干河道截面；
S3，将河道网格划分并建立河道模型；
S4，输入水体流动数据，得到流动模型；
S5，对S2中任意的截面进行取水检测，将其中污染物的检测数据代入S4的流动模型，计算上下游污染物随时间的传播情况；
S6，针对污染物超过阈值的区域，发送预警信息；
其中，建立河道模型以及有限元网格划分的工作都可以依靠fluent软件进行相应的流体模拟运算，水体流动数据包括断面流量和高程，用来作为重要参数填入软件中使模拟结果更加贴近实际，其网格划分的效果图如图2所示。
1.1模型原理：
该河道模型是基于三项不可压缩和Reynolds值均布的Navier-Stokes方程，并服从于Boussinesq假定和静水压力的假定；
二维非恒定浅水方程组为：
Figure BDA0003613729380000051
Figure BDA0003613729380000052
Figure BDA0003613729380000053
式中：t为时间；x,y为笛卡尔坐标系坐标；η为水位；d为静止水深；h＝η+d为总水深；u,v分别为x,y方向上的速度分量；g为重力加速度；ρ为水的密度；sxx、sxy、syy分别为辐射应力分量；S为源项；ux,vx为源项水流流速；f是科氏力系数，长度小、流域小的河道受地转偏向力影响不大，故建模时忽略科氏力；
字母上带上横杠的代表平均值，例如：
Figure BDA0003613729380000061
为沿水深的平均流速，由以下公式定义：
Figure BDA0003613729380000062
Tij为水平粘滞应力项，包括粘性力、紊流应力和水平对流，这些量可根据沿水深平均的速度梯度用涡流粘性方程得出：
Figure BDA0003613729380000063
1.2数值解法：
空间离散：计算区域的空间离散是用有限体积法，将河道细分为不重叠的三角形；
浅水方程组的通用形式一般可写成：
Figure BDA0003613729380000064
在笛卡尔坐标系中，二维浅水方程组可写为：
Figure BDA0003613729380000065
式中：U为守恒型物理向量；F为向量通量；S为源项；上标I和V分别为无粘性和有粘性的通量。各项分别如下：
Figure BDA0003613729380000066
Figure BDA0003613729380000071
对方程(1-6)第i个单元积分，并运用Gauss原理重写可得出：
Figure BDA0003613729380000072
式中：Ai为单元Ωi的面积；Γi为单元的边界；ds为沿着边界的积分变量。使用单点求积法计算面积的积分，该求积点位于单元的质点，同时使用中点求积法来计算边界积分，方程(1-9)可写为：
Figure BDA0003613729380000073
式中：Ui和Si分别为第i个单元的U和S的平均值，并位于单元中心；NS是单元的边界数；ΔΓj为第j个单元的长度。
在得到随时间变化的河道流动模型后，还需要进行现场的取水操作。如图3和图4所示，该监测取水装置，包括采样筒1；所述采样筒1的两端分别设置有第一通道2和第二通道3；所述采样筒1的内部固定设置有导向杆4；所述导向杆4上滑动设置有漂浮块5；所述第一通道2内部设置有单向阀21；所述第一通道2上还设置有配重件9；当所述采样筒1被置于水中时，其配重件9所在端下沉，水流从第一通道2涌入筒内，驱动所述漂浮块5滑动镶嵌进所述第二通道3内。
配重件9具体可以采用金属材质制成，而其他的采样筒1结构可以采用注塑成型制造，从而有效控制加工成本，也可以强化配重件9在水中下沉调节采样筒1姿态的效果，让其类似于浮漂杆竖直浮沉，保证采样进水速率稳定；在水位上涨的过程中，液面就会把漂浮块5向上推动靠近第二通道3，最终让其部分嵌入第二通道3内部，将第二通道3封闭，在采样筒1重新离开水面时避免内部存水泄漏。
所述漂浮块5包括相互连接的浮力部51和膨胀部52；所述浮力部51的密度小于水；所述膨胀部52采用吸水膨胀橡胶制成。
浮力部51可以采用泡沫、木块等材质，用以为漂浮块5整体提供浮力，膨胀部52则利用吸水膨胀橡胶的特性，在嵌入第二通道内部后会持续吸水膨胀，从而提升镶嵌紧密度，降低静压力下造成第二通道处向外渗水的概率。
如图5所示，所述膨胀部52的侧面环向设置有透气槽53；所述透气槽53连通开设在所述膨胀部52靠近所述第二通道3的一端上；所述透气槽53的长度小于所述第二通道3的长度。
透气槽53的效果在于，可以在膨胀部52初始嵌入第二通道3内部时，采样筒1内外空气可以通过透气槽53保持连通，从而让采样筒1继续下沉进水，漂浮块5相应能够进一步嵌入第二通道3，提升密封可靠性。
如图4所示，所述配重件9为管状结构；所述配重件9与所述第一通道2连通衔接；所述配重件9的管壁上环向开设有辅助进水口91；所述辅助进水口91为条形孔，其长度方向与所述第一通道2的长度方向平行。
管状结构9可以让配重件9下沉到更深的水域中，通过管道内部空间以及侧面的辅助进水口91共同进水，从而避免局部区域被水中的杂物遮挡堵塞，提升取水操作的稳定性。
如图6和图7所示，所述第二通道3的出口端设置有限位组件6；所述限位组件6包括挡杆61；所述挡杆61一端与所述采样筒1的端面连接，另一端延伸在所述第二通道3的流通路径上。
挡杆61的作用在于，可以对漂浮块5的嵌入路径形成限位，限制其镶嵌深度，从而在膨胀部52吸水膨胀后，即使没有被及时取出也不会将第二通道3撑坏。
所述限位组件6还包括补强圈62；所述补强圈62与所述采样筒1的端面贴合连接；若干个所述挡杆61环向间隔穿设在所述补强圈62上。
补强圈62的作用在于，可以把多个挡杆61串联在一起，从而形成整体强化限位组件6的结构强度，补强圈62具体可以通过粘接的手段与采样筒1连接。
所述采样筒1的端面上还设置有拉环7；所述拉环7上沿自身长度方向设置有若干个穿线孔71；多个所述穿线孔71之间呈S形穿设有拉绳8。
拉环7的作用在于与拉绳8连接，拉绳8的另一端则与支撑杆等结构连接，从而让拉绳8保持在水面上悬垂，通过对拉绳8的收放即可完成采样筒1的升降活动；拉绳8的具体穿设方式如图6所示，拉绳采用双股线束的形式来对拉环7施加拉力，多穿线孔71的穿绳设置可以增加拉绳8与拉环7之间的受力区域，从而把拉环7上所受的拉力分散到各处，提升连接可靠性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.水环境网格化监测预警分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，绘制监测水域的河道图；
S2，沿水流方向截取若干河道截面；
S3，将河道网格划分并建立河道模型；
S4，输入水体流动数据，得到流动模型；
S5，对S2中任意的截面进行取水检测，将其中污染物的检测数据代入S4的流动模型，计算上下游污染物随时间的传播情况；
S6，针对污染物超过阈值的区域，发送预警信息；
其中，水体流动数据包括断面流量和高程；
1.1模型原理：
该河道模型是基于三项不可压缩和Reynolds值均布的Navier-Stokes方程，并服从于Boussinesq假定和静水压力的假定；
二维非恒定浅水方程组为：
Figure FDA0003613729370000011
Figure FDA0003613729370000012
Figure FDA0003613729370000013
式中：t为时间；x,y为笛卡尔坐标系坐标；η为水位；d为静止水深；h＝η+d为总水深；u,v分别为x,y方向上的速度分量；g为重力加速度；ρ为水的密度；sxx、sxy、syy分别为辐射应力分量；S为源项；ux,vx为源项水流流速；f是科氏力系数，长度小、流域小的河道受地转偏向力影响不大，故建模时忽略科氏力；
字母上带上横杠的代表平均值，例如：
Figure FDA0003613729370000014
为沿水深的平均流速，由以下公式定义：
Figure FDA0003613729370000015
Tij为水平粘滞应力项，包括粘性力、紊流应力和水平对流，这些量可根据沿水深平均的速度梯度用涡流粘性方程得出：
Figure FDA0003613729370000021
1.2数值解法：
空间离散：计算区域的空间离散是用有限体积法，将河道细分为不重叠的三角形；
浅水方程组的通用形式一般可写成：
Figure FDA0003613729370000022
在笛卡尔坐标系中，二维浅水方程组可写为：
Figure FDA0003613729370000023
式中：U为守恒型物理向量；F为向量通量；S为源项；上标I和V分别为无粘性和有粘性的通量。各项分别如下：
Figure FDA0003613729370000024
对方程(1-6)第i个单元积分，并运用Gauss原理重写可得出：
Figure FDA0003613729370000031
式中：Ai为单元Ωi的面积；Γi为单元的边界；ds为沿着边界的积分变量。使用单点求积法计算面积的积分，该求积点位于单元的质点，同时使用中点求积法来计算边界积分，方程(1-9)可写为：
Figure FDA0003613729370000032
式中：Ui和Si分别为第i个单元的U和S的平均值，并位于单元中心；NS是单元的边界数；ΔΓj为第j个单元的长度。
2.用于权利要求1所述的水环境网格化监测预警分析方法的监测取水装置，其特征在于：包括采样筒(1)；所述采样筒(1)的两端分别设置有第一通道(2)和第二通道(3)；所述采样筒(1)的内部固定设置有导向杆(4)；所述导向杆(4)上滑动设置有漂浮块(5)；所述第一通道(2)内部设置有单向阀(21)；所述第一通道(2)上还设置有配重件(9)；当所述采样筒(1)被置于水中时，其配重件(9)所在端下沉，水流从第一通道(2)涌入筒内，驱动所述漂浮块(5)滑动镶嵌进所述第二通道(3)内。
3.根据权利要求2所述的监测取水装置，其特征在于：所述漂浮块(5)包括相互连接的浮力部(51)和膨胀部(52)；所述浮力部(51)的密度小于水；所述膨胀部(52)采用吸水膨胀橡胶制成。
4.根据权利要求3所述的监测取水装置，其特征在于：所述膨胀部(52)的侧面环向设置有透气槽(53)；所述透气槽(53)连通开设在所述膨胀部(52)靠近所述第二通道(3)的一端上；所述透气槽(53)的长度小于所述第二通道(3)的长度。
5.根据权利要求2所述的监测取水装置，其特征在于：所述配重件(9)为管状结构；所述配重件(9)与所述第一通道(2)连通衔接；所述配重件(9)的管壁上环向开设有辅助进水口(91)；所述辅助进水口(91)为条形孔，其长度方向与所述第一通道(2)的长度方向平行。
6.根据权利要求2所述的监测取水装置，其特征在于：所述第二通道(3)的出口端设置有限位组件(6)；所述限位组件(6)包括挡杆(61)；所述挡杆(61)一端与所述采样筒(1)的端面连接，另一端延伸在所述第二通道(3)的流通路径上。
7.根据权利要求6所述的监测取水装置，其特征在于：所述限位组件(6)还包括补强圈(62)；所述补强圈(62)与所述采样筒(1)的端面贴合连接；若干个所述挡杆(61)环向间隔穿设在所述补强圈(62)上。
8.根据权利要求7所述的监测取水装置，其特征在于：所述采样筒(1)的端面上还设置有拉环(7)；所述拉环(7)上沿自身长度方向设置有若干个穿线孔(71)；多个所述穿线孔(71)之间呈S形穿设有拉绳(8)。
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