CN115015504A - 基于地表土地类型的地表水质监测方法 - Google Patents

基于地表土地类型的地表水质监测方法 Download PDF

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CN115015504A CN202210599712.4A CN202210599712A CN115015504A CN 115015504 A CN115015504 A CN 115015504A CN 202210599712 A CN202210599712 A CN 202210599712A CN 115015504 A CN115015504 A CN 115015504A
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Abstract

本发明提供一种基于地表土地类型的地表水质监测方法，包括以下步骤：实时监测地表径流的地表环境和水质的各项参数；确定被监测地表径流的地表土地类型；计算实时地表径流流出量；分析地表径流对地表土地上的泥质层的各个方向的剪切力，进而得到水不断流动对地表径流内的污染物的冲刷系数；计算各种污染物在监测时间范围内的每种污染物各自的平均浓度，对水质环境进行检测分析；判断在监测时间范围内的每种污染物各自的平均浓度是否达到其相应的标准。本发明从地表径流所在的土地类型和泥质层收到的各个方向的水剪切力对冲刷系数的影响两方面的校准提高了各种污染物被监测时间范围内的平均浓度的计算的准确性。

Description

基于地表土地类型的地表水质监测方法
技术领域
本发明属于地表水监测方法技术领域，具体涉及一种基于地表土地类型的地表水质监测方法。
背景技术
城市化进程中大量不透水地表的出现，不仅在量上改变了区域地表径流，而且在质的方面也对其产生深刻的影响，城市地表径流污染，指在降雨(雪)的淋洗和冲刷的作用下，大气中的和地表长期积累的污染物伴随着径流，由地表(如商业区、居民区、停车场、广场街道等)到排水收集系统，通过各种方式的迁移，汇集一系列污染物质(如原油、重金属、有机物等)最后进入到受纳水体从而造成的水体非点源污染过程。地表径流中含有相当数量的悬浮颗粒物、营养盐、重金属和有机污染物。
由于城市地表径流往往直接排入城市河流、湖泊或是海湾，恶化受纳水体水质和破坏水生生态系统。城市地表径流污染是一种较复杂的水污染的形式，已经成为影响国家水体健康的重要危害之一。一方面，污染不是集中式产生的，而是由于分散着产生的，常被称为面源污染、非点源污染，另一方面，大部分的污染物都是经由市政排水管网进入水体的，因此又呈现了集中式排放的特点。快速发展的城市化进程是地表径流污染的根本原因。随着城市化的发展，土地利用现状已经改变。一方面，由于城市建设中以建筑的屋面、地面、道路、广场等为代表的不透水的面积大幅度的增加，导致地表综合径流系数增大，降雨落地迅速形成地表径流。就一般情况而言，针对地表洼地的蓄水，砂石地面可以消纳5mm左右的径流，草坪一般为3～10mm左右，黏土地面为4mm左右，而不透水的地表面在径流产生之前只能保持不到1mm的雨量。土地利用类型的改变造成不透水面积大幅度的增加后，不仅导致了径流峰值出现时间提前，而且导致地表径流的总量和峰值流量都有所提高。另一方面，伴随着社会人群活动范围、经济规模强度等的增大，在城市地表积累的大量的污染物，一旦有径流，污染物浓度必然会较高。
地表径流的污染物来源广泛，成分也较复杂，既有大气中的污染物(工业区与大气污染严重的城市中这一现象较为明显)，又有地表累计污染物(包括日常的垃圾与建筑工地的固体废物堆放、城市园林绿植使用的农药等化学品、日常车辆等的尾气排放物)。
自20世纪80年代以来欧美国家相继开展城市地表径流污染的监测，以获取不同尺度(源区和集水区)地表径流水质。目前国际上对地表径流污染的控制研究中，低影响发展技术是新一代城市地表径流污染控制最佳管理措施，非常重视地表径流污染源区的水量、水质控制。
例如，现有技术中，中国专利申请CN111461484A公开了一种降雨及径流水质综合评价方法，该方法通过采集降雨及径流样品m个，检测水样中n种污染因子浓度；计算每种污染物因子的单因子污染指数Fi，生成样本矩阵F，并把数值最大的记为Fmax；主成分法确定污染因子权重；将各种污染因子的单因子污染指数Fi与标准化权重进行加权求和并求平均，计算出污染因子的平均污染指数F’；计算水质综合指数P；根据水质综合指数P确定水质污染类型及处理措施。本发明可以直接进行比较、分类，并直观的反映降雨及径流水质污染程度。
但是该专利中并未充分考虑地表径流对地表上的泥质层受到的冲刷系数的影响，中国专利CN106682271B公开了一种确定SWMM水质冲刷模型参数的方法，其考虑了瞬时地表径流污染物浓度、降雨强度和地表沉积物对地表径流的冲刷影响进而构建了冲刷指数计算模型，中国专利CN106596347A公开了基于等流时线法不透水地表径流污染物冲刷效率测定方法，该方法将各时段径流污染负荷的进行累加得到总负荷量ΣM，将ΣM与雨前地表清扫物的污染负荷量M进行比较得到污染物冲刷效率δ值；以上两个地表径流的水质污染物监测方法中考虑了污染物的被径流冲刷的影响，但是其并未考虑地表径流的泥质层上表层和泥质层最下层的水底层以及垂直方向上的垂直剪切力对冲刷系数的影响，也未考虑不同的被监测地表径流所在的土地类型对地表径流中的水垂直方向向下吸收对地表径流流出口的流出量影响，进而影响地表径流流出口的污染物浓度的影响，进而造成了上述现有技术中对地表径流的污染物浓度监测方法不够准确。
发明内容
本发明针对上述缺陷，提供一种基于地表土地类型的地表径流水质监测方法，充分考虑了地表径流所在土地的孔隙度、渗透率以及泥质层厚度所决定的土地类型，进而对土地类型明确区分为泥质土壤、小颗粒沙质土壤、大颗粒沙质土壤和坚硬矿质土壤，以及考虑了泥质层上表层和泥质层最下层的水底层以及垂直方向上的垂直剪切力对冲刷系数的影响，总和土地类型和冲刷系数进而对地表径流流出口的实时监测的各种污染物浓度进行校正，得到准确的监测时间范围内的各种污染物的平均浓度，最终与国家标准所规定的各种污染物浓度进行比较确定地表径流中的各种污染物是否达到了相应的标准，从地表径流所在的土地类型和泥质层收到的各个方向的水剪切力对冲刷系数的影响两方面的校准提高了各种污染物被监测时间范围内的平均浓度的计算的准确性。
本发明提供如下技术方案：基于地表土地类型的地表水质监测方法，所述方法基于地表的土地类型及地表径流对地表泥质层的冲刷所带来的影响，对流过被监测地表径流的水质进行监测，包括以下步骤：
S1、实时监测地表径流的地表环境和水质的各项参数；
S2、确定被监测地表径流的地表土地类型；
S3、计算实时地表径流流出量；
S4、分析地表径流对地表土地上的泥质层的各个方向的剪切力，进而得到水不断流动对地表径流内的污染物的冲刷系数；
S5、计算各种污染物在监测时间范围内的每种污染物各自的平均浓度，对水质环境进行检测分析；判断在监测时间范围内的每种污染物各自的平均浓度是否达到其相应的标准。
进一步地，所述S2步骤中确定被监测地表径流的地表土地类型，包括以下步骤：
S21：计算t时刻地表的孔隙度与渗透率的相差比例系At：
Figure BDA0003669051890000031
其中，εt为所述S1步骤实时监测得到的t时刻地表的孔隙度，σt为所述S1步骤实时监测得到的t时刻地表的渗透率，Lt为所述S1步骤实时监测得到的t时刻地表的泥质层厚度；
S22：计算t时刻的地表的岩石胶结指数mt：
Figure BDA0003669051890000032
其中，μ1为岩石胶结指数第一计算权重系数，μ2为岩石胶结指数第二计算权重系数，I(εt,σt)为t时刻地表的孔隙度εt与t时刻地表的渗透率σt的协同效应系数，I(εt,σt)的计算公式如下：
Figure BDA0003669051890000041
计算得到的t时刻的地表的岩石胶结指数mt范围为1.5<mt<2.5；
S23：根据所述S21步骤计算得到的t时刻的地表的孔隙度与渗透率的相差比例系At，计算t时刻的地表的孔隙形态指数St：
Figure BDA0003669051890000042
其中，
Figure BDA0003669051890000043
和
Figure BDA0003669051890000044
为所述S1步骤实时监测得到的t时刻地表径流内的悬浮颗粒物在水流带动下分别于大地坐标系下x轴和y轴方向的速度，
Figure BDA0003669051890000045
为t时刻的地表径流内的悬浮颗粒物在水流带动下于大地坐标系下通过地表时的t时刻速度的标量值，
Figure BDA0003669051890000046
为t时刻的地表径流内的悬浮颗粒物在水流带动下于大地坐标系下z轴方向速度；计算的得到的t时刻的地表的孔隙形态指数St范围为0.01≤St<1；
S24：利用S22步骤计算得到的t时刻的地表的岩石胶结指数mt和S23步骤计算得到的孔隙形态指数St，计算t时刻的地表土地类型筛选指数SCt：
Figure BDA0003669051890000047
进而，根据岩石胶结指数mt和孔隙形态指数St的范围可以确定土地类型筛选指数SCt的范围为0.005<SCt<1；
S25：根据所述S24步骤计算得到的t时刻的地表土地类型筛选指数，确定被监测地表径流的地表土地类型；若0.005<SCt≤0.15，则为泥质土壤；若0.15<SCt≤0.3，则为小颗粒沙质土壤；若0.3<SCt≤0.5，则为大颗粒沙质土壤；若0.5<SCt<1，则为坚硬矿质土壤。
进一步地，所述岩石胶结指数第一计算权重系数μ1的范围为0.65≤μ1<1，所述岩石胶结指数第二计算权重系数μ2的范围为0<μ2≤0.35。
进一步地，所述S3步骤中计算实时地表径流流出量的计算公式如下：
Figure BDA0003669051890000048
其中，
Figure BDA0003669051890000049
为实时地表径流流出量，即t时刻的地表径流流出量；Qt为所述S1步骤实时监测得到的t时刻地表径流流入总量；
Figure BDA0003669051890000051
为t时刻的地表径流流入总量中在流经地表时垂直向地表内部渗入的水流量，r为基本径流与地表径流流入量的长期比率。
进一步地，所述S4步骤中分析地表径流对地表土地上的泥质层的各个方向的剪切力，进而得到水不断流动对地表径流内的污染物的冲刷系数Mt，包括以下步骤：
S41：计算t时刻被监测的地表径流中的悬浮物颗粒于大地坐标系下的泥质层表面受到的水流表面剪切力
Figure BDA0003669051890000052
Figure BDA0003669051890000053
其中，
Figure BDA0003669051890000054
为所述S1步骤实时监测得到的t时刻的地表径流内的悬浮颗粒物在水流带动下于大地坐标系下x轴方向的速度；
Figure BDA0003669051890000055
为所述S1步骤实时监测得到的t时刻的被监测的悬浮颗粒物距离水流表面高度为Ht处的水平面风速；
Figure BDA0003669051890000056
为t时刻的水流阻力系数；ρa为空气密度；
S42：计算t时刻被监测的地表径流中的悬浮物颗粒于大地坐标系下的泥质层最下层的水底层的水平剪切力
Figure BDA0003669051890000057
Figure BDA0003669051890000058
其中，B为水底层悬浮物颗粒被水流推动的剪切系数，ρw为水密度，g为重力加速度，
Figure BDA0003669051890000059
为所述S1步骤实时监测得到的t时刻的地表径流内的悬浮颗粒物在水流带动下于大地坐标系下y轴方向的速度；
S43：计算实时t时刻被监测的地表径流中的悬浮物颗粒于大地坐标系下的水流垂直剪切力
Figure BDA00036690518900000510
Figure BDA00036690518900000511
Figure BDA00036690518900000512
为实时监测得到的t时刻的地表径流内的悬浮颗粒物在水流带动下于大地坐标系下z轴方向速度；
S44；根据所述S41-S43步骤的计算结果，计算得到水不断流动对地表径流内的污染物的冲刷系数Mt：
Figure BDA00036690518900000513
其中，
Figure BDA00036690518900000514
为S3步骤计算得到的实时地表径流流出量，Lt为所述S1步骤实时监测得到的t时刻地表的泥质层厚度，T为所述监测时间范围。
进一步地，所述S41步骤中的t时刻的水流阻力系数
Figure BDA0003669051890000061
根据所述S1步骤实时监测得到的t时刻被监测的悬浮颗粒物距离水流表面高度为Ht处的水平面风速
Figure BDA0003669051890000062
的不同而不同：
当
Figure BDA0003669051890000063
时，
Figure BDA0003669051890000064
当
Figure BDA0003669051890000065
时，
Figure BDA0003669051890000066
当
Figure BDA0003669051890000067
时，
Figure BDA0003669051890000068
进一步地，所述S42步骤中的水底层悬浮物颗粒被水流推动的剪切系数B的计算公式如下：
Figure BDA0003669051890000069
其中，n为曼宁系数，R为地表径流在被监测地表土地上的泥质层底层形成的水流颗粒的水力半径。
进一步地，所述t时刻大地坐标系下z轴方向水流速度
Figure BDA00036690518900000610
由大地坐标系下z轴坐标相对于所述S1步骤实时监测得到的t时刻被监测的悬浮颗粒物的距离水流表面高度Ht而计算得到的实时t时刻的调整高度
Figure BDA00036690518900000611
决定：
Figure BDA00036690518900000612
其中，ut为实时监测得到的t时刻大地坐标系下z轴方向的水流剪切速度，
Figure BDA00036690518900000613
为计算其相对于z轴坐标的一阶导数的绝对值，Ri为理查森数，Ri∈[0,1]；
所述实时t时刻的调整高度
Figure BDA00036690518900000614
的计算公式如下：
Figure BDA00036690518900000615
其中，zt为所述S1步骤中实时监测得到的t时刻被监测的地表径流中的悬浮物颗粒于大地坐标系下z轴坐标。
进一步地，所述S1步骤中被实时监测的污染物浓度包括氨氮浓度、总氮浓度、总磷浓度、化学需氧量浓度；所述S5步骤中计算各种污染物在监测时间范围T内的每种污染物各自的平均浓度公式如下：
Figure BDA0003669051890000071
其中，T为所述监测时间范围，
Figure BDA0003669051890000072
为所述监测时间范围内的第i中污染物的平均浓度，
Figure BDA0003669051890000073
为所述S1步骤实时监测得到的t时刻的在地表径流出口处第i种污染物的浓度，Mt为所述S4步骤计算得到的水不断流动对地表径流内的污染物的冲刷系数，
Figure BDA0003669051890000074
为所述S3步骤计算得到的实时地表径流流出量，Qt为所述S1步骤实时监测得到的t时刻的地表径流流入总量。
进一步地，所述S5步骤中判断在监测时间范围内的平均浓度是否达到标准所依据的标准为地表水环境质量标准GB 3838-2002。
本发明的有益效果为：
1、本发明通过计算地表径流的地表土地类型，充分考虑了实时流经的地表的孔隙度、渗透率和泥质层厚度，通过孔隙度和渗透率计算得到地表的孔隙度与渗透率的相差比例系At和协同效应系数I(εt,σt)，再赋予孔隙度和渗透率在协同效应影响下的对岩石胶结指数计算结果的影响的岩石胶结指数第一计算权重系数μ1，以及赋予泥质层厚度对岩石胶结指数计算结果的影响的岩石胶结指数第二计算权重系数μ2，计算得到岩石胶结指数mt，并利用孔隙度与渗透率的相差比例系At计算得到地表的孔隙形态指数St，最终计算得到土地类型筛选指数SCt，进而能够从地表类型上对地表径流在流经地表过程中向下垂直深入不同土地类型的地表的渗入量上校正最终流程地表径流流出量，进而校正地表径流流出口的各种污染物的浓度，提高了计算的准确性。
2、本发明通过实时监测造成污染的地表径流内的悬浮颗粒物于大地坐标系下的x轴方向速度和y轴方向速度，以及其距离水流表面高度为Ht处的水平面风速，计算被监测地表径流中的悬浮物颗粒于大地坐标系下的泥质层表面受到的水流表面剪切力
Figure BDA0003669051890000075
泥质层最下层的水底层的水平剪切力
Figure BDA0003669051890000076
水流垂直剪切力
Figure BDA0003669051890000077
进而通过构建以实时t时刻的泥质层厚度Lt为直径且在监测时间范围T内于水平面上的被监测地表径流所流经的整个立方体体积为计算区域，综合考虑了泥质层上表面的水流表面剪切力
Figure BDA0003669051890000078
和泥质层最下层的水底层的水平剪切力
Figure BDA0003669051890000079
在实时t时刻的泥质层厚度Lt的垂直方向对泥质层冲刷的综合影响，并且其冲刷系数的计算中充分考虑了不同的地表径流的土地类型的真实地表径流流出量
Figure BDA00036690518900000710
因此，从两方面上提升了冲刷系数的计算精确度。
3、本发明充分考虑了地表径流所在土地的孔隙度、渗透率以及泥质层厚度所决定的土地类型，进而对土地类型明确区分为泥质土壤、小颗粒沙质土壤、大颗粒沙质土壤和坚硬矿质土壤，以及考虑了泥质层上表层和泥质层最下层的水底层以及垂直方向上的垂直剪切力对冲刷系数的影响，总和土地类型和冲刷系数进而对地表径流流出口的实时监测的各种污染物浓度进行校正，得到准确的监测时间范围内的各种污染物的平均浓度，最终与国家标准所规定的各种污染物浓度进行比较确定地表径流中的各种污染物是否达到了相应的标准，从地表径流所在的土地类型和泥质层收到的各个方向的水剪切力对冲刷系数的影响两方面的校准提高了各种污染物被监测时间范围内的平均浓度的计算的准确性。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1为本发明提供的基于地表土地类型的地表水质监测方法的流程示意图；
图2为本发明提供的方法的确定被监测地表径流的地表土地类型流程示意图；
图3为本发明提供的方法中计算水不断流动对地表径流内的污染物的冲刷系数的流程示意图。
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。
如图1所示，为本发明提供的基于地表土地类型的地表水质监测方法的流程示意图，本发明提供的方法基于地表的土地类型及地表径流对地表泥质层的冲刷所带来的影响，对流过被监测地表径流的水质进行监测，包括以下步骤：
S1、实时监测地表径流的地表环境和水质的各项参数；
S2、确定被监测地表径流的地表土地类型；
S3、计算实时地表径流流出量；具体地，根据S1步骤实时监测得到的t时刻的地表径流流入总量以及S2步骤确定被监测地表径流地表土地类型时计算得到的地表土地类型筛选指数，计算实时t时刻的地表径流流出量；
S4、分析地表径流对地表土地上的泥质层的各个方向的剪切力，进而得到水不断流动对地表径流内的污染物的冲刷系数Mt；
S5、根据实时监测得到的t时刻地表径流出口处的各种污染物浓度(即实时监测测t时刻的在地表径流出口处第i种污染物的浓度
Figure BDA0003669051890000091
)，计算各种污染物在监测时间范围T内的每种污染物各自的平均浓度(即计算在监测时间范围T内第i中污染物的平均浓度
Figure BDA0003669051890000092
)，对水质环境进行检测分析；判断在监测时间范围T内的每种污染物各自的平均浓度是否达到其相应的标准。
具体地，S1步骤中实时监测的地表径流地表环境和水质的各项参数包括：地表t时刻的孔隙度εt、渗透率σt、泥质层厚度Lt，t时刻地表径流内的悬浮颗粒物在水流带动下分别于大地坐标系下x轴和y轴方向的速度
Figure BDA0003669051890000093
和
Figure BDA0003669051890000094
t时刻大地坐标系下z轴方向的水流剪切速度ut，t时刻的地表径流流入总量Qt，t时刻第i种污染物指标在t时刻的地表径流出口处的浓度
Figure BDA0003669051890000095
t时刻被监测的地表径流中的悬浮物颗粒于大地坐标系下坐标(xt,yt,zt)，t时刻被监测的悬浮颗粒物距离水流表面高度Ht，t时刻被监测的悬浮颗粒物距离水流表面高度为Ht处的水平面风速
Figure BDA0003669051890000096
其中，xt、yt,和zt为t时刻被监测的地表径流中的悬浮物颗粒于大地坐标系下x轴坐标、y轴坐标和z轴坐标。
其中地表t时刻的孔隙度εt和渗透率σt采用覆压孔隙度渗透率测量仪测量得到，渗透率测量采用非稳态法，即压力脉冲衰减法。控制模块首先给岩芯施加一个孔隙压力，然后通过岩芯传递一个压差脉冲，随着压力瞬间传递通过岩芯，计算机数据采集系统记录岩芯两端的压力差、下游压力和时间，并在电脑软件屏幕上绘制出压差和平均压力与时间的对数曲线，软件通过对压力和时间数据的线性回归计算渗透率；孔隙度测量通过氦气膨胀原理，采用波依尔定律进行计算；地表t时刻的泥质层厚度Lt采用地表径流泥沙自动监测仪测定。
此外，t时刻地表径流内的悬浮颗粒物在水流带动下分别于大地坐标系下x轴和y轴方向的速度
Figure BDA0003669051890000097
和
Figure BDA0003669051890000098
t时刻被监测的地表径流中的悬浮物颗粒于大地坐标系下坐标(xt,yt,zt)以及t时刻被监测的悬浮颗粒物距离水流表面高度Ht由具有GPRS定位功能的水质分析监测仪得到；t时刻大地坐标系下z轴方向的水流剪切速度ut由水流剪切速度监测仪实时监测得到，t时刻的地表径流流入总量Qt，t时刻第i种污染物指标在t时刻的地表径流出口处的浓度
Figure BDA0003669051890000101
由水质污染监测仪实时监测得到，t时刻被监测的悬浮颗粒物距离水流表面高度为Ht处的水平面风速
Figure BDA0003669051890000102
由风速监测仪监测得到。
作为本发明的一个优选实施例，如图2所示，S2步骤中确定被监测地表径流的地表土地类型，包括以下步骤：
S21：计算t时刻地表的孔隙度与渗透率的相差比例系At：
Figure BDA0003669051890000103
其中，εt为S1步骤实时监测得到的t时刻地表的孔隙度，σt为S1步骤实时监测得到的t时刻地表的渗透率，Lt为S1步骤实时监测得到的t时刻地表的泥质层厚度；
S22：计算t时刻的地表的岩石胶结指数mt：
Figure BDA0003669051890000104
其中，μ1为岩石胶结指数第一计算权重系数(与孔隙度和渗透率对岩石胶结指数的协同影响有关)，μ2为岩石胶结指数第二计算权重系数(与泥质层厚度对岩石胶结指数的影响有关)，I(εt,σt)为t时刻地表的孔隙度εt与t时刻地表的渗透率σt的协同效应系数，I(εt,σt)的计算公式如下：
Figure BDA0003669051890000105
通过计算t时刻地表的孔隙度εt与t时刻地表的渗透率σt的协同效应系数I(εt,σt)，可以通过协同效应系数有效反映t时刻地表的孔隙度与t时刻地表的渗透率的协同一致性，即地表的均质性；当I(εt,σt)较大，则表明t时刻地表的孔隙度与t时刻地表的渗透率相关性较好，则t时刻的地表的均质性较高，此时岩石胶结指数mt受t时刻地表的孔隙度εt的影响较小，受t时刻地表的渗透率σt的影响较大；当I(εt,σt)较小，则表明t时刻地表的孔隙度εt与t时刻地表的渗透率相关性较差，则t时刻的地表的均质性较低，此时岩石胶结指数mt受t时刻地表的孔隙度εt的影响较大，受t时刻地表的渗透率σt的影响较小；进而通过计算协同效应系数I(εt,σt)进而在岩石胶结指数第一计算权重系数μ1的限定下有效反应t时刻地表的孔隙度和t时刻地表的渗透率对岩石胶结指数mt的影响；
通过设定不同的岩石胶结指数第一计算权重系数μ1和岩石胶结指数第二计算权重系数μ2分别限定t时刻地表的孔隙度εt、渗透率σt和泥质层厚度Lt对岩石胶结系数的影响，从两个不同的侧面反映了孔隙度和渗透率的协同效应以及泥质层对岩石交接系数的影响因子；
计算得到的t时刻的地表的岩石胶结指数mt范围为1.5<mt<2.5；
S23：根据S21步骤计算得到的t时刻的地表的孔隙度与渗透率的相差比例系At，以及S1步骤实时监测得到的t时刻地表径流内的悬浮颗粒物在水流带动下分别于大地坐标系下x轴和y轴方向的速度
Figure BDA0003669051890000111
和
Figure BDA0003669051890000112
计算t时刻的地表的孔隙形态指数St：
Figure BDA0003669051890000113
其中，
Figure BDA0003669051890000114
为t时刻的地表径流内的悬浮颗粒物在水流带动下于大地坐标系下通过地表时的t时刻速度的标量值，
Figure BDA0003669051890000115
为t时刻大地坐标系下z轴方向水流速度；其反映了悬浮颗粒物在随地表水流流动时垂直向地表以下逐渐渗透的难易程度，其与整体的悬浮颗粒物随水流运动通过地表时的t时刻速度的标量值以及地表的t时刻的孔隙度εt以及t时刻地表的孔隙度与渗透率的相差比例At相关，计算的得到的t时刻的地表的孔隙形态指数St范围为0.01≤St<1；
S24：利用S22步骤计算得到的t时刻的地表的岩石胶结指数mt和S23步骤计算得到的孔隙形态指数St，计算t时刻的地表土地类型筛选指数SCt：
Figure BDA0003669051890000116
进而，根据岩石胶结指数mt和孔隙形态指数St的范围可以确定土地类型筛选指数SCt的范围为0.005<SCt<1；
S25：根据S24步骤计算得到的t时刻的地表土地类型筛选指数，确定被监测地表径流的地表土地类型；若0.005<SCt≤0.15，则为泥质土壤；若0.15<SCt≤0.3，则为小颗粒沙质土壤；若0.3<SCt≤0.5，则为大颗粒沙质土壤；若0.5<SCt<1，则为坚硬矿质土壤。
由此可见，地表土地类型筛选指数反映了地表的径流流出量的大小：泥质土壤的出水量<小颗粒沙质土壤<大颗粒沙质土壤<坚硬矿质土壤。
优选地，上述优选实施例中的岩石胶结指数第一计算权重系数μ1的范围为0.65≤μ1<1，岩石胶结指数第二计算权重系数μ2的范围为0<μ2≤0.35。
作为本发明的另一个优选实施例，S3步骤中计算实时t时刻的地表径流流出量
Figure BDA0003669051890000121
的计算公式如下：
Figure BDA0003669051890000122
其中，
Figure BDA0003669051890000123
为实时t时刻的地表径流流出量，即t时刻的地表径流流出量；Qt为S1步骤实时监测得到的t时刻地表径流流入总量；
Figure BDA0003669051890000124
为t时刻的地表径流流入总量中在流经地表时垂直向地表内部渗入的水流量，r为基本径流与地表径流流入量的长期比率，基本径流为地表径流中能常年存在的那部分径流。
因此
Figure BDA0003669051890000125
为在长期比率r和土地筛选指数限定下的系数
Figure BDA0003669051890000126
的基础上，对t-1时刻地表径流流入总量Qt-1计算其在t-1时刻经过垂直向地表内部渗水后流出的水量(1-r)SCtQt-1，由于土地筛选系数的大小代表了地表径流的地表不同类型对出水量的一个限定，在1-r的限定下即为t-1刻的地表径流流入量抛却了常年基本径流流入的量，在经过土地筛选系数的进一步相乘限定，即为在t-1时刻经过垂直向地表内部渗水后流出的水量；
Figure BDA0003669051890000127
为在长期比率r和土地筛选指数限定下的系数
Figure BDA0003669051890000128
的基础上，对t时刻的地表径流流入量Qt在基本径流比率的限定下，考虑rQt这部分流量未垂直向地表内部渗入的水流量(经过(1-SCt)相乘限定)，即rQt这部分流量于t时刻的流出的水量；
因此，
Figure BDA0003669051890000129
即为在t-1时刻经过垂直向地表内部渗水后流出的水量与t时刻基本径流未经地表垂直向下渗入的流出量的加和；再被t时刻的地表径流流入量Qt减去，即为t时刻的经过垂直向地表内部渗水后的流出量。
作为本发明的另一个优选实施例，如图3所示，S4步骤中分析地表径流对地表土地上的泥质层的各个方向的剪切力，进而得到水不断流动对地表径流内的污染物的冲刷系数Mt，包括以下步骤：
S41：根据S1步骤实时监测得到的t时刻的地表径流内的悬浮颗粒物在水流带动下分别与大地坐标系下x轴方向的速度
Figure BDA00036690518900001210
和t时刻的被监测的悬浮颗粒物距离水流表面高度为Ht处的水平面风速
Figure BDA0003669051890000131
计算t时刻被监测的地表径流中的悬浮物颗粒于大地坐标系下的泥质层表面受到的水流表面剪切力
Figure BDA0003669051890000132
Figure BDA0003669051890000133
其中，
Figure BDA0003669051890000134
为t时刻的水流阻力系数；ρa为空气密度；
S42：根据S1步骤实时监测得到的t时刻的地表径流内的悬浮颗粒物在水流带动下于大地坐标系下y轴方向的速度
Figure BDA0003669051890000135
计算t时刻被监测的地表径流中的悬浮物颗粒于大地坐标系下的泥质层最下层的水底层的水平剪切力
Figure BDA0003669051890000136
Figure BDA0003669051890000137
其中，B为水底层悬浮物颗粒被水流推动的剪切系数，ρw为水密度，g为重力加速度；
S43：计算实时t时刻被监测的地表径流中的悬浮物颗粒于大地坐标系下的水流垂直剪切力
Figure BDA0003669051890000138
Figure BDA0003669051890000139
Figure BDA00036690518900001310
为t时刻的地表径流内的悬浮颗粒物在水流带动下于大地坐标系下z轴方向水流速度；
S44；根据S41-S43步骤的计算结果，计算得到水不断流动对地表径流内的污染物的冲刷系数Mt：
Figure BDA00036690518900001311
其中，
Figure BDA00036690518900001312
为S3步骤计算得到的实时t时刻的地表径流流出量，Lt为S1步骤实时监测得到的t时刻地表的泥质层厚度，T为监测时间范围。
实时冲刷系数Mt的计算公式中，
Figure BDA00036690518900001313
表明了以实时t时刻的泥质层厚度Lt为直径且在监测时间范围T内于水平面上的被监测地表径流所流经的整个立方体体积为计算区域，在t时刻被监测的地表径流中的悬浮物颗粒于大地坐标系下的泥质层表面受到的水流表面剪切力
Figure BDA00036690518900001314
泥质层最下层的水底层的水平剪切力
Figure BDA00036690518900001315
以及水流垂直剪切力
Figure BDA00036690518900001316
作用下的对泥质层的冲刷所带来的影响，
Figure BDA00036690518900001317
为综合考虑了泥质层上表面的水流表面剪切力
Figure BDA00036690518900001318
和泥质层最下层的水底层的水平剪切力
Figure BDA00036690518900001319
在实时t时刻的泥质层厚度Lt的垂直方向对泥质层冲刷的综合影响，
Figure BDA00036690518900001320
为考虑了在水平方向的实时t时刻的地表径流流出量为
Figure BDA0003669051890000141
的情况下的水流垂直剪切力
Figure BDA0003669051890000142
对泥质层冲刷的影响，
Figure BDA0003669051890000143
作为综合考虑水流的三维剪切力对泥质层冲刷影响的一个水平径流面积基数。
优选地，S41步骤中的t时刻的水流阻力系数
Figure BDA0003669051890000144
根据S1步骤实时监测得到的t时刻被监测的悬浮颗粒物距离水流表面高度为Ht处的水平面风速
Figure BDA0003669051890000145
不同而不同：
当
Figure BDA0003669051890000146
时，
Figure BDA0003669051890000147
当
Figure BDA0003669051890000148
时，
Figure BDA0003669051890000149
当
Figure BDA00036690518900001410
时，
Figure BDA00036690518900001411
进一步优选地，S42步骤中的水底层悬浮物颗粒被水流推动的剪切系数B的计算公式如下：
Figure BDA00036690518900001412
其中，n为曼宁系数，R为地表径流在被监测地表土地上的泥质层底层形成的水流颗粒的水力半径；一般情况下，n＝0.035。
作为本发明的另一个优选实施例，在确定被监测地表径流地表土地类型的S3步骤或者分析地表径流对地表土地上的泥质层的各个方向的剪切力，进而得到水不断流动对地表径流内的污染物的冲刷系数Mt的S43步骤中，t时刻大地坐标系下z轴方向水流速度
Figure BDA00036690518900001413
由大地坐标系下z轴坐标相对于S1步骤实时监测得到的t时刻被监测的悬浮颗粒物的距离水流表面高度Ht而计算得到的实时t时刻的调整高度
Figure BDA00036690518900001414
决定：
Figure BDA00036690518900001415
其中，ut为实时监测得到的t时刻大地坐标系下z轴方向的水流剪切速度，
Figure BDA00036690518900001416
为计算其相对于z轴坐标的一阶导数的绝对值，Ri为理查森数，Ri∈[0,1]；
理查森数Ri表示浮力项与流剪切项的比值的无量纲数。在物理学上，理查森数用来表示势能和动能的比值，如果理查森数远远小于1，浮力在流量中是不重要的。如果它远大于1，则浮力是主导的(在这种意义上，动能不足以使流体均匀化)；
实时t时刻的调整高度
Figure BDA0003669051890000151
的计算公式如下：
Figure BDA0003669051890000152
其中，zt为S1步骤中实时监测得到的t时刻被监测的地表径流中的悬浮物颗粒于大地坐标系下z轴坐标。
优选地，S1步骤中被实时监测的污染物浓度包括氨氮浓度
Figure BDA00036690518900001511
总氮浓度(TN)、总磷浓度(TP)、化学需氧量浓度(CODcr)；进而S5步骤中计算上述各种污染物在监测时间范围T内的每种污染物各自的平均浓度公式如下：
Figure BDA0003669051890000153
其中，T为监测时间范围，
Figure BDA0003669051890000154
为监测时间范围内的第i中污染物的平均浓度，
Figure BDA0003669051890000155
为S1步骤实时监测得到的t时刻的在地表径流出口处第i种污染物的浓度，Mt为S4步骤计算得到的水不断流动对地表径流内的污染物的冲刷系数，
Figure BDA0003669051890000156
为S3步骤计算得到的实时t时刻的地表径流流出量，Qt为S1步骤实时监测得到的t时刻的地表径流流入总量。
Figure BDA0003669051890000157
为监测时间范围内第i种污染物的地表径流流出总质量，
Figure BDA0003669051890000158
为监测时间范围内地表径流流入的水的总体积，进而第i种污染物的地表径流流出总质量除以监测时间范围内地表径流流入的水的总体积及得到第i种污染物在监测时间范围T内的平均浓度。
经过S3步骤精确计算实时t时刻的地表径流流出量
Figure BDA0003669051890000159
的基础上，再与t时刻的实时冲刷系数Mt相乘，考虑地表径流在经过地表时，泥质层在水的作用下的泥质层最上层的水流表面剪切力、最下层的水底层的水平剪切力和垂直作用于泥质层的水流垂直剪切力对泥质层的冲刷所带来的地表径流水流中的各种污染物的影响，进而有效地考虑了地表径流水流对污染物浓度影响这一因素，提高了最终计算的监测时间范围T内的第i种污染物浓度的平均浓度的准确度。
S1步骤实时监测得到的t时刻的在地表径流出口处处第i种污染物的浓度
Figure BDA00036690518900001510
分别采用如下方法测定：CODcr为采用重铬酸钾(K2Cr2O7)作为氧化剂测定出的化学耗氧量(GB11914-86)，氨氮浓度
Figure BDA0003669051890000161
采用纳氏试剂分光光度法(GB7479-87)测定,总氮浓度(TN)采用碱性过硫酸钾紫外分光光度法(GB11894-89)测定，总磷浓度(TP)采用钼酸铵分光光度法(GB11893-89)测定。
优选地，S5步骤中判断在监测时间范围T内的平均浓度是否达到标准所依据的标准为《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)。
本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
虽然以上描述了示例性实施例，但是这些实施例并不意在描述了权利要求所涵盖的所有的可能形式。说明书中所使用的词语为描述性词语而非限制性词语，并且应理解的是，可在不脱离本公开的精神和范围的情况下做出各种改变。如前所述，可将各种实施例的特征组合以形成本发明的可能未被明确描述或示出的进一步的实施例。尽管针对一个或更多个期望特性，各种实施例可能已经被描述为提供优点或者优于其它实施例或现有技术实施方式，但是本领域普通技术人员应该认识到，根据特定的应用和实施方式，一个或更多个特征或特性可被折衷以实现期望的整体系统属性。这些属性可包括但不限于：成本、强度、耐用性、生命周期成本、市场性、外观、包装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、易组装性等。因此，被描述为在一个或更多个特性方面不如其它实施例或现有技术实施方式满足期望的实施例并不在本公开的范围之外，并可被期望用于特定的应用。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.基于地表土地类型的地表水质监测方法，所述方法基于地表的土地类型及地表径流对地表泥质层的冲刷所带来的影响，对流过被监测地表径流的水质进行监测，其特征在于，包括以下步骤：
S1、实时监测地表径流的地表环境和水质的各项参数；
S2、确定被监测地表径流的地表土地类型；
S3、计算实时地表径流流出量；
S4、分析地表径流对地表土地上的泥质层的各个方向的剪切力，进而得到水不断流动对地表径流内的污染物的冲刷系数；
S5、计算各种污染物在监测时间范围内的每种污染物各自的平均浓度，对水质环境进行检测分析；判断在监测时间范围内的每种污染物各自的平均浓度是否达到其相应的标准。
2.根据权利要求1所述的基于地表土地类型的地表水质监测方法，其特征在于，所述S2步骤中确定被监测地表径流的地表土地类型，包括以下步骤：
S21：计算t时刻地表的孔隙度与渗透率的相差比例系At：
Figure FDA0003669051880000011
其中，εt为所述S1步骤实时监测得到的t时刻地表的孔隙度，σt为所述S1步骤实时监测得到的t时刻地表的渗透率，Lt为所述S1步骤实时监测得到的t时刻地表的泥质层厚度；
S22：计算t时刻的地表的岩石胶结指数mt：
Figure FDA0003669051880000012
其中，μ1为岩石胶结指数第一计算权重系数，μ2为岩石胶结指数第二计算权重系数，I(εt,σt)为t时刻地表的孔隙度εt与t时刻地表的渗透率σt的协同效应系数，I(εt,σt)的计算公式如下：
Figure FDA0003669051880000013
计算得到的t时刻的地表的岩石胶结指数mt范围为1.5<mt<2.5；
S23：根据所述S21步骤计算得到的t时刻的地表的孔隙度与渗透率的相差比例系At，计算t时刻的地表的孔隙形态指数St：
Figure FDA0003669051880000021
其中，
Figure FDA0003669051880000022
和
Figure FDA0003669051880000023
为所述S1步骤实时监测得到的t时刻地表径流内的悬浮颗粒物在水流带动下分别于大地坐标系下x轴和y轴方向的速度，
Figure FDA0003669051880000024
为t时刻的地表径流内的悬浮颗粒物在水流带动下于大地坐标系下通过地表时的t时刻速度的标量值，
Figure FDA0003669051880000025
为t时刻的地表径流内的悬浮颗粒物在水流带动下于大地坐标系下z轴方向速度；计算的得到的t时刻的地表的孔隙形态指数St范围为0.01≤St<1；
S24：利用S22步骤计算得到的t时刻的地表的岩石胶结指数mt和S23步骤计算得到的孔隙形态指数St，计算t时刻的地表土地类型筛选指数SCt：
Figure FDA0003669051880000026
进而，根据岩石胶结指数mt和孔隙形态指数St的范围可以确定土地类型筛选指数SCt的范围为0.005<SCt<1；
S25：根据所述S24步骤计算得到的t时刻的地表土地类型筛选指数，确定被监测地表径流的地表土地类型；若0.005<SCt≤0.15，则为泥质土壤；若0.15<SCt≤0.3，则为小颗粒沙质土壤；若0.3<SCt≤0.5，则为大颗粒沙质土壤；若0.5<SCt<1，则为坚硬矿质土壤。
3.根据权利要求2所述的基于地表土地类型的地表水质监测方法，其特征在于，所述岩石胶结指数第一计算权重系数μ1的范围为0.65≤μ1<1，所述岩石胶结指数第二计算权重系数μ2的范围为0<μ2≤0.35。
4.根据权利要求1所述的基于地表土地类型的地表水质监测方法，其特征在于，所述S3步骤中计算实时地表径流流出量的计算公式如下：
Figure FDA0003669051880000027
其中，
Figure FDA0003669051880000028
为实时地表径流流出量，即t时刻的地表径流流出量；Qt为所述S1步骤实时监测得到的t时刻地表径流流入总量；
Figure FDA0003669051880000029
为t时刻的地表径流流入总量中在流经地表时垂直向地表内部渗入的水流量，r为基本径流与地表径流流入量的长期比率。
5.根据权利要求1所述的基于地表土地类型的地表水质监测方法，其特征在于，所述S4步骤中分析地表径流对地表土地上的泥质层的各个方向的剪切力，进而得到水不断流动对地表径流内的污染物的冲刷系数Mt，包括以下步骤：
S41：计算t时刻被监测的地表径流中的悬浮物颗粒于大地坐标系下的泥质层表面受到的水流表面剪切力
Figure FDA0003669051880000031
Figure FDA0003669051880000032
其中，
Figure FDA0003669051880000033
为所述S1步骤实时监测得到的t时刻的地表径流内的悬浮颗粒物在水流带动下于大地坐标系下x轴方向的速度；
Figure FDA0003669051880000034
为所述S1步骤实时监测得到的t时刻的被监测的悬浮颗粒物距离水流表面高度为Ht处的水平面风速；
Figure FDA0003669051880000035
为t时刻的水流阻力系数；ρa为空气密度；
S42：计算t时刻被监测的地表径流中的悬浮物颗粒于大地坐标系下的泥质层最下层的水底层的水平剪切力
Figure FDA0003669051880000036
Figure FDA0003669051880000037
其中，B为水底层悬浮物颗粒被水流推动的剪切系数，ρw为水密度，g为重力加速度，
Figure FDA0003669051880000038
为所述S1步骤实时监测得到的t时刻的地表径流内的悬浮颗粒物在水流带动下于大地坐标系下y轴方向的速度；
S43：计算实时t时刻被监测的地表径流中的悬浮物颗粒于大地坐标系下的水流垂直剪切力
Figure FDA0003669051880000039
Figure FDA00036690518800000310
Figure FDA00036690518800000311
为实时监测得到的t时刻的地表径流内的悬浮颗粒物在水流带动下于大地坐标系下z轴方向速度；
S44；根据所述S41-S43步骤的计算结果，计算得到水不断流动对地表径流内的污染物的冲刷系数Mt：
Figure FDA00036690518800000312
其中，
Figure FDA00036690518800000313
为S3步骤计算得到的实时地表径流流出量，Lt为所述S1步骤实时监测得到的t时刻地表的泥质层厚度，T为所述监测时间范围。
6.根据权利要求5所述的基于地表土地类型的地表水质监测方法，其特征在于，所述S41步骤中的t时刻的水流阻力系数
Figure FDA0003669051880000041
根据所述S1步骤实时监测得到的t时刻被监测的悬浮颗粒物距离水流表面高度为Ht处的水平面风速
Figure FDA0003669051880000042
的不同而不同：
当
Figure FDA0003669051880000043
时，
Figure FDA0003669051880000044
当
Figure FDA0003669051880000045
时，
Figure FDA0003669051880000046
当
Figure FDA0003669051880000047
时，
Figure FDA0003669051880000048
7.根据权利要求5所述的基于地表土地类型的地表水质监测方法，其特征在于，所述S42步骤中的水底层悬浮物颗粒被水流推动的剪切系数B的计算公式如下：
Figure FDA0003669051880000049
其中，n为曼宁系数，R为地表径流在被监测地表土地上的泥质层底层形成的水流颗粒的水力半径。
8.根据权利要求2或5所述的基于地表土地类型的地表水质监测方法，其特征在于，所述t时刻大地坐标系下z轴方向水流速度
Figure FDA00036690518800000410
由大地坐标系下z轴坐标相对于所述S1步骤实时监测得到的t时刻被监测的悬浮颗粒物的距离水流表面高度Ht而计算得到的实时t时刻的调整高度
Figure FDA00036690518800000411
决定：
Figure FDA00036690518800000412
其中，ut为实时监测得到的t时刻大地坐标系下z轴方向的水流剪切速度，
Figure FDA00036690518800000413
为计算其相对于z轴坐标的一阶导数的绝对值，Ri为理查森数，Ri∈[0,1]；
所述实时t时刻的调整高度
Figure FDA00036690518800000414
的计算公式如下：
Figure FDA00036690518800000415
其中，zt为所述S1步骤中实时监测得到的t时刻被监测的地表径流中的悬浮物颗粒于大地坐标系下z轴坐标。
9.根据权利要求1所述的基于地表土地类型的地表水质监测方法，其特征在于，所述S1步骤中被实时监测的污染物浓度包括氨氮浓度、总氮浓度、总磷浓度、化学需氧量浓度；所述S5步骤中计算各种污染物在监测时间范围T内的每种污染物各自的平均浓度公式如下：
Figure FDA0003669051880000051
其中，T为所述监测时间范围，
Figure FDA0003669051880000052
为所述监测时间范围内的第i中污染物的平均浓度，
Figure FDA0003669051880000053
为所述S1步骤实时监测得到的t时刻的在地表径流出口处第i种污染物的浓度，Mt为所述S4步骤计算得到的水不断流动对地表径流内的污染物的冲刷系数，
Figure FDA0003669051880000054
为所述S3步骤计算得到的实时地表径流流出量，Qt为所述S1步骤实时监测得到的t时刻的地表径流流入总量。
10.根据权利要求1所述的基于地表土地类型的地表水质监测方法，其特征在于，所述S5步骤中判断在监测时间范围内的平均浓度是否达到标准所依据的标准为地表水环境质量标准GB 3838-2002。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117010232A (zh) * 2023-06-27 2023-11-07 西安理工大学 基于gpu加速技术的城市非点源污染全过程高分辨率模拟方法

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