CN116432439A - 一种基于数值模拟的城市河道纳污能力规划方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了河道规划领域的一种基于数值模拟的城市河道纳污能力规划方法及系统，方法包括：基于污染物对流扩散方程构建城市河段的一维河道水动力‑水质耦合数学模型；将水动力监测数据和污染物浓度检测值Ca带入所述一维河道水动力‑水质耦合数学模型，对城市河段内的水动力过程及水质沿程变化过程进行模拟演算，获得污染物浓度模拟值Cs；利用b的污染物浓度模拟值Cs和污染物浓度检测值Cb计算所述城市河道的污染物综合衰减浓度；基于城市河道的污染物综合衰减浓度计算城市河段污染物综合降解系数K；根据城市河段污染物综合降解系数K对河道纳污能力进行规划；从而对河道水质管理更加精准，实现对河道水体水质有效保护。
Description
技术领域
本发明属于河道规划领域，具体涉及城市河道纳污能力规划方法。
背景技术
在城市化高速推进的当下，城市河道逐步成为了城市水系统中的重要组成。城市河道两岸大多分布有众多的排水系统末端截流设施，在汛期及雨季往往会发生污水溢流现象，导致大量雨污混合水进入城市河道，与河道自身来水混合后改变了河道水体水量-水质组成，进一步影响城市河道污染物的沿程降解转化。同时，出于防汛与水质改善需要，城市河道中分布有众多的闸控水利设施，河道水体的流动状态受人工调控及季节性水量分布影响较大。河道污染物降解系数是计算河道水环境容量、水环境数学模型构建中的关键参数，直接影响到后续河道水环境状况评级、河道综合整治与相关水量-水质调度方案的制定与方案效果评估。
污染物在河道中由于浓度变化而形成的降解过程分别包括物理沉降、化学降解与生物降解，城市河道在多重因素交织影响下，污染物综合降解系数多存在明显的时空分异特征，如何结合野外原位高频监测与水环境数值模拟技术来精准识别污染物综合降解系数的时空分布特征目前也仍存在较大空缺；从而导致河道水质管理政策制定产生偏差，给河道水体水质保护工作带来非常不利的影响。
发明内容
本发明提供了一种基于数值模拟的城市河道纳污能力规划方法及系统，为城市河道污染物综合降解系数的科学求解，根据城市河道污染物综合降解系数提出河道纳污能力规划方法。
本发明提供了一种基于数值模拟的城市河道纳污能力规划方法，包括：
根据监测评估条件划分城市河道获得城市河段；在所述城市河段中选定多个上游待测断面a和下游待测断面b；所述上游待测断面a和下游待测断面b安装布设有流量监测仪、水位监测仪和水质自动监测仪；
基于污染物对流扩散方程构建城市河段的一维河道水动力-水质耦合数学模型；
在Ta时刻至Tb时刻，通过流量监测仪和水位监测仪对上游待测断面a和下游待测断面b进行监测获得水动力监测数据；通过水质自动监测仪对所述上游待测断面a监测获得污染物浓度检测值Ca；通过水质自动监测仪对所述下游待测断面b监测获得污染物浓度检测值Cb；
将水动力监测数据和污染物浓度检测值Ca带入所述一维河道水动力-水质耦合数学模型，对城市河段内的水动力过程及水质沿程变化过程进行模拟演算，获得Tb时刻下游待测断面b的污染物浓度模拟值Cs；
利用Tb时刻下游待测断面b的污染物浓度模拟值Cs和污染物浓度检测值Cb计算所述城市河道的污染物综合衰减浓度；
基于城市河道的污染物综合衰减浓度计算城市河段污染物综合降解系数K；重复计算各城市河段在各月份的城市河段污染物综合降解系数K；根据城市河段污染物综合降解系数K对河道纳污能力进行规划。
优选的，所述监测评估条件包括：城市河段沿程无污水直排口、合流制溢流排口。
优选的，通过流量监测仪和水位监测仪对上游待测断面a和下游待测断面b进行监测获得水动力监测数据的方法包括：
按照1小时/次的数据监测频率，通过流量监测仪对上游待测断面a和下游待测断面b进行监测获得河道断面流量，通过水位监测仪对上游待测断面a和下游待测断面b进行监测获得监测水位；所述河道断面流量和监测水位组成水动力监测数据。
优选的，所述水质自动监测仪对所述上游待测断面a和下游待测断面b进行监测的水质监测指标包括：高锰酸盐浓度、氨氮浓度、总氮浓度和总磷浓度。
优选的，通过水质自动监测仪对所述上游待测断面a和下游待测断面b进行监测的监测频率设定为4小时/次。
优选的，城市河段的一维河道水动力-水质耦合数学模型，计算公式为：
公式中，Q为城市河段的流量，Z为城市河段的水位；x表述为河段沿水流方向空间坐标；t表示为污染物由河段上游断面迁移至河段里程x处断面的时间；A为上游待测断面a的面积；D为纵向扩散系数；Ca为上游待测断面a的污染物浓度；K表示为城市河段污染物综合降解系数，其初始值设置为0；Ω为河道节点的水面面积；I表示为上游待测断面a的编号；N表示为选定的上游待测断面a的数量；j表示为城市河段的编号；C2为外部的源汇项的污染物浓度；q为外部源汇项的输入输出流量。
优选的，利用Tb时刻下游待测断面b的污染物浓度模拟值Cs和污染物浓度检测值Cb计算所述城市河道的污染物综合衰减浓度，表达式为：
ΔC＝Cs-Cd
公式中，ΔC表示为城市河道的污染物综合衰减浓度。
优选的，基于城市河道的污染物综合衰减浓度计算城市河段污染物综合降解系数K，计算公式为：
公式中，ts表示为污染物由河段上游断面a迁移至河段下游断面的时间。
第二方面提供了一种基于数值模拟的城市河道纳污能力规划系统，包括：
划分模块，用于根据监测评估条件划分城市河道获得城市河段；在所述城市河段中选定多个上游待测断面a和下游待测断面b；所述上游待测断面a和下游待测断面b安装布设有流量监测仪、水位监测仪和水质自动监测仪；
模型构建模块，基于污染物对流扩散方程构建城市河段的一维河道水动力-水质耦合数学模型；
监测模块，用于在Ta时刻至Tb时刻，通过流量监测仪和水位监测仪对上游待测断面a和下游待测断面b进行监测获得水动力监测数据；通过水质自动监测仪对所述上游待测断面a监测获得污染物浓度检测值Ca；通过水质自动监测仪对所述下游待测断面b监测获得污染物浓度检测值Cb；
模拟模块，将水动力监测数据和污染物浓度检测值Ca带入所述一维河道水动力-水质耦合数学模型，对城市河段内的水动力过程及水质沿程变化过程进行模拟演算，获得Tb时刻下游待测断面b的污染物浓度模拟值Cs；
计算分析模块，利用Tb时刻下游待测断面b的污染物浓度模拟值Cs和污染物浓度检测值Cb计算所述城市河道的污染物综合衰减浓度；基于城市河道的污染物综合衰减浓度计算城市河段污染物综合降解系数K；重复计算各城市河段在各月份的城市河段污染物综合降解系数K；根据城市河段污染物综合降解系数K对河道纳污能力进行规划。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明将水动力监测数据和污染物浓度检测值Ca带入所述一维河道水动力-水质耦合数学模型，对城市河段内的水动力过程及水质沿程变化过程进行模拟演算，获得Tb时刻下游待测断面b的污染物浓度模拟值Cs；利用Tb时刻下游待测断面b的污染物浓度模拟值Cs和污染物浓度检测值Cb计算所述城市河道的污染物综合衰减浓度；基于城市河道的污染物综合衰减浓度计算城市河段污染物综合降解系数K；根据城市河段污染物综合降解系数K对河道纳污能力进行规划；从而对河道水质管理更加精准，实现对河道水体水质有效保护。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于数值模拟的城市河道纳污能力规划方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的城市河道图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一
如图1至图2所示，一种基于数值模拟的城市河道纳污能力规划方法，包括：
根据监测评估条件划分城市河道获得城市河段；所述监测评估条件包括：城市河段沿程无污水直排口、合流制溢流排口；在所述城市河段中选定多个上游待测断面a和下游待测断面b；所述上游待测断面a和下游待测断面b安装布设有流量监测仪、水位监测仪和水质自动监测仪；
基于污染物对流扩散方程构建城市河段的一维河道水动力-水质耦合数学模型的方法包括：
在质量和动量守恒定律基础上的圣维南方程组对一维河道非恒定流进行模拟，包括连续性方程与动量方程，以流量Q和水位Z为未知变量，并补充考虑了漫滩和旁侧入流，基本方程如下：
公式中，Q为城市河段的流量，Z为城市河段的水位；x表述为河段沿水流方向空间坐标；t表示为污染物由河段上游断面迁移至河段里程x处断面的时间；A为上游待测断面a的面积；Bw表示为城市河段的调蓄宽度；q为城市河段汇入的支流流量；u表示为平均流速；g表示为重力加速；B表示为城市河段主流的宽度；n为河道糙率；R为水力半径。
时间项采用向前差分，求解获得城市河段的一维河道水动力-水质耦合数学模型，计算公式为：
公式中，D为纵向扩散系数；Ca为上游待测断面a的污染物浓度；K表示为城市河段污染物综合降解系数，其初始值设置为0；Ω为河道节点的水面面积；I表示为上游待测断面a的编号；N表示为选定的上游待测断面a的数量；j表示为城市河段的编号；C2为外部的源汇项的污染物浓度；q为外部源汇项的输入输出流量。
按照1小时/次的数据监测频率，通过流量监测仪对上游待测断面a和下游待测断面b进行监测获得河道断面流量，通过水位监测仪对上游待测断面a和下游待测断面b进行监测获得监测水位；所述河道断面流量和监测水位组成水动力监测数据。
按照4小时/次的数据监测频率，通过水质自动监测仪对所述上游待测断面a监测获得污染物浓度检测值Ca；通过水质自动监测仪对所述下游待测断面b监测获得污染物浓度检测值Cb；所述水质自动监测仪对所述上游待测断面a和下游待测断面b进行监测的水质监测指标包括：高锰酸盐浓度、氨氮浓度、总氮浓度和总磷浓度。
将水动力监测数据和污染物浓度检测值Ca带入所述一维河道水动力-水质耦合数学模型，对城市河段内的水动力过程及水质沿程变化过程进行模拟演算，获得Tb时刻下游待测断面b的污染物浓度模拟值Cs；
利用Tb时刻下游待测断面b的污染物浓度模拟值Cs和污染物浓度检测值Cb计算所述城市河道的污染物综合衰减浓度，表达式为：
ΔC＝Cs-Cd
公式中，ΔC表示为城市河道的污染物综合衰减浓度。
基于城市河道的污染物综合衰减浓度计算城市河段污染物综合降解系数K，计算公式为：
公式中，ts表示为污染物由河段上游断面a迁移至河段下游断面的时间。
表1选取城市河段综合降解系数K不同月份计算结果
表2选取城市河段综合降解系数K不同水期计算结果
重复计算各城市河段在各月份的城市河段污染物综合降解系数K；确定城市河段污染物综合降解系数K逐月分布特征以及丰平枯水期尺度不同水期的综合降解系数分布特征，分别包括对应时期的城市河段污染物综合降解系数K平均值、最大值与最小值，取值范围划分结果分别见表1、表2。
本实施例为城市河道污染物综合降解系数的科学求解，河道水环境容量精准计算以及河道水环境综合治理方案的有效评估提供了有力支撑。
实施例二
如图1所示，一种基于数值模拟的城市河道纳污能力规划系统，本实施例提供的系统可以应用于实施例一所述的方法，城市河道纳污能力规划系统包括：
划分模块，用于根据监测评估条件划分城市河道获得城市河段；在所述城市河段中选定多个上游待测断面a和下游待测断面b；所述上游待测断面a和下游待测断面b安装布设有流量监测仪、水位监测仪和水质自动监测仪；
模型构建模块，基于污染物对流扩散方程构建城市河段的一维河道水动力-水质耦合数学模型；
监测模块，用于在Ta时刻至Tb时刻，通过流量监测仪和水位监测仪对上游待测断面a和下游待测断面b进行监测获得水动力监测数据；通过水质自动监测仪对所述上游待测断面a监测获得污染物浓度检测值Ca；通过水质自动监测仪对所述下游待测断面b监测获得污染物浓度检测值Cb；
模拟模块，将水动力监测数据和污染物浓度检测值Ca带入所述一维河道水动力-水质耦合数学模型，对城市河段内的水动力过程及水质沿程变化过程进行模拟演算，获得Tb时刻下游待测断面b的污染物浓度模拟值Cs；
计算分析模块，利用Tb时刻下游待测断面b的污染物浓度模拟值Cs和污染物浓度检测值Cb计算所述城市河道的污染物综合衰减浓度；基于城市河道的污染物综合衰减浓度计算城市河段污染物综合降解系数K；重复计算各城市河段在各月份的城市河段污染物综合降解系数K；根据城市河段污染物综合降解系数K对河道纳污能力进行规划。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于数值模拟的城市河道纳污能力规划方法，其特征在于，包括：
根据监测评估条件划分城市河道获得城市河段；在所述城市河段中选定多个上游待测断面a和下游待测断面b；所述上游待测断面a和下游待测断面b安装布设有流量监测仪、水位监测仪和水质自动监测仪；
基于污染物对流扩散方程构建城市河段的一维河道水动力-水质耦合数学模型；
在Ta时刻至Tb时刻，通过流量监测仪和水位监测仪对上游待测断面a和下游待测断面b进行监测获得水动力监测数据；通过水质自动监测仪对所述上游待测断面a监测获得污染物浓度检测值Ca；通过水质自动监测仪对所述下游待测断面b监测获得污染物浓度检测值Cb；
将水动力监测数据和污染物浓度检测值Ca带入所述一维河道水动力-水质耦合数学模型，对城市河段内的水动力过程及水质沿程变化过程进行模拟演算，获得Tb时刻下游待测断面b的污染物浓度模拟值Cs；
利用Tb时刻下游待测断面b的污染物浓度模拟值Cs和污染物浓度检测值Cb计算所述城市河道的污染物综合衰减浓度；
基于城市河道的污染物综合衰减浓度计算城市河段污染物综合降解系数K；重复计算各城市河段在各月份的城市河段污染物综合降解系数K；根据城市河段污染物综合降解系数K对河道纳污能力进行规划。
2.根据权利要求1所述的一种基于数值模拟的城市河道纳污能力规划方法，其特征在于，所述监测评估条件包括：城市河段沿程无污水直排口、合流制溢流排口。
3.根据权利要求1所述的一种基于数值模拟的城市河道纳污能力规划方法，其特征在于，通过流量监测仪和水位监测仪对上游待测断面a和下游待测断面b进行监测获得水动力监测数据的方法包括：
按照1小时/次的数据监测频率，通过流量监测仪对上游待测断面a和下游待测断面b进行监测获得河道断面流量，通过水位监测仪对上游待测断面a和下游待测断面b进行监测获得监测水位；所述河道断面流量和监测水位组成水动力监测数据。
4.根据权利要求1所述的一种基于数值模拟的城市河道纳污能力规划方法，其特征在于，所述水质自动监测仪对所述上游待测断面a和下游待测断面b进行监测的水质监测指标包括：高锰酸盐浓度、氨氮浓度、总氮浓度和总磷浓度。
5.根据权利要求1所述的一种基于数值模拟的城市河道纳污能力规划方法，其特征在于，通过水质自动监测仪对所述上游待测断面a和下游待测断面b进行监测的监测频率设定为4小时/次。
6.根据权利要求1所述的一种基于数值模拟的城市河道纳污能力规划方法，其特征在于，城市河段的一维河道水动力-水质耦合数学模型，计算公式为：
公式中，Q为城市河段的流量，Z为城市河段的水位；x表述为河段沿水流方向空间坐标；t表示为污染物由河段上游断面迁移至河段里程x处断面的时间；A为上游待测断面a的面积；D为纵向扩散系数；Ca为上游待测断面a的污染物浓度；K表示为城市河段污染物综合降解系数，其初始值设置为0；Ω为河道节点的水面面积；I表示为上游待测断面a的编号；N表示为选定的上游待测断面a的数量；j表示为城市河段的编号；C2为外部的源汇项的污染物浓度；q为外部源汇项的输入输出流量。
7.根据权利要求6所述的一种基于数值模拟的城市河道纳污能力规划方法，其特征在于，利用Tb时刻下游待测断面b的污染物浓度模拟值Cs和污染物浓度检测值Cb计算所述城市河道的污染物综合衰减浓度，表达式为：
ΔC＝Cs-Cd
公式中，ΔC表示为城市河道的污染物综合衰减浓度。
8.根据权利要求7所述的一种基于数值模拟的城市河道纳污能力规划方法，其特征在于，基于城市河道的污染物综合衰减浓度计算城市河段污染物综合降解系数K，计算公式为：
公式中，ts表示为污染物由河段上游断面a迁移至河段下游断面的时间。
9.一种基于数值模拟的城市河道纳污能力规划系统，其特征在于，包括：
划分模块，用于根据监测评估条件划分城市河道获得城市河段；在所述城市河段中选定多个上游待测断面a和下游待测断面b；所述上游待测断面a和下游待测断面b安装布设有流量监测仪、水位监测仪和水质自动监测仪；
模型构建模块，基于污染物对流扩散方程构建城市河段的一维河道水动力-水质耦合数学模型；
监测模块，用于在Ta时刻至Tb时刻，通过流量监测仪和水位监测仪对上游待测断面a和下游待测断面b进行监测获得水动力监测数据；通过水质自动监测仪对所述上游待测断面a监测获得污染物浓度检测值Ca；通过水质自动监测仪对所述下游待测断面b监测获得污染物浓度检测值Cb；
模拟模块，将水动力监测数据和污染物浓度检测值Ca带入所述一维河道水动力-水质耦合数学模型，对城市河段内的水动力过程及水质沿程变化过程进行模拟演算，获得Tb时刻下游待测断面b的污染物浓度模拟值Cs；
计算分析模块，利用Tb时刻下游待测断面b的污染物浓度模拟值Cs和污染物浓度检测值Cb计算所述城市河道的污染物综合衰减浓度；基于城市河道的污染物综合衰减浓度计算城市河段污染物综合降解系数K；重复计算各城市河段在各月份的城市河段污染物综合降解系数K；根据城市河段污染物综合降解系数K对河道纳污能力进行规划。
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|---|---|---|---|
| CN202310335799.9A CN116432439A (zh) | 2023-03-31 | 2023-03-31 | 一种基于数值模拟的城市河道纳污能力规划方法及系统 |
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| CN202310335799.9A CN116432439A (zh) | 2023-03-31 | 2023-03-31 | 一种基于数值模拟的城市河道纳污能力规划方法及系统 |
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| CN116432439A true CN116432439A (zh) | 2023-07-14 |
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| CN (1) | CN116432439A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117454152A (zh) * | 2023-11-16 | 2024-01-26 | 江苏省南京环境监测中心 | 一种城市河道污染物通量核算与沿程污染输入特征识别分析方法 |
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2023
- 2023-03-31 CN CN202310335799.9A patent/CN116432439A/zh active Pending
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