CN116679021B - 一种污染物扩散模型中加注可溶性标记物的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种污染物扩散模型中加注可溶性标记物的方法，属于环保工程与水污染处理试验技术领域，包括以下步骤：S1、确定相关参数开始向模型中加注标记物；S2、持续实时测量标记物余量值和模型水体中标记物浓度值C测，并依据这两个值确定是否要加注标记物；如要加注标记物则进入步骤S3，否则进入步骤S4；S3、根据C测实时调整标记物加注流量，并对加注的标记物进行三维导流和涡流旋转扩散，所述三维导流用于使标记物在模型水体中扩散均匀，所述涡流旋转扩散用于加快标记物的扩散速度；S4、判定C设与C测的差值是否为零，如果为零，终止标记物加注；否则补充标记物并返回步骤S2；本发明能高效、精准的向污染物扩散模型中加注可溶性标记物。
Description
技术领域
本发明属于环保工程与水污染处理试验技术领域，具体涉及一种污染物扩散模型中加注可溶性标记物的方法和系统
背景技术
河湖污染是全球性的环境问题，近年来我国河湖污染得到了大力治理，水污染趋势得到遏制，水环境逐步好转。但水污染问题也随着化工行业、农业集约化发展等逐渐演变，呈现水污染指标新型化、影响多样化、危害长期化等趋势。河湖水污染治理离不开污染诊断与治理方案研究，这些往往也需要借助数学模型、物理模型等研究手段，才能对水污染的防治提出科学方案。物理模型作为水利工程、环境工程等领域较为成熟的试验手段，可为涉水工程影响下水环境变化、水污染治理方案论证提供重要的技术手段支撑，物理模型试验结果较为精准、可靠、可验证，可与数学模型手段相互印证，应用较为广泛。
目前，水环境物理模型试验偏重对水文、水动力的模拟研究，水质或污染因子的模拟技术还不成熟，缺少均匀加入水质因子标记物的试验技术。与水质指标类似，水质因子标记物也可分为可溶性指标(如表征COD、氮磷等)和不可溶性指标(如表征悬浮物浓度、微塑料等)，可用来表征不同试验方案下水质因子的时空变化过程，再现水质因子的二维或三维变化特征。水环境物理模型实验中，可溶性指标是模拟的重点和难点。
在加入手段上，一般采用人工或半人工湿洒、搅拌、静置等的方式，将水质因子可溶性标记物置于河湖模型水体中，易产生非均匀加入、点状加入、难以面状扩散等特点。在加入工具上，已存在容量桶连接导管自流进入物理模型水体的半人工操作装置，但是依然存在流量不可随时调控、人为加注误差大、加注端扩散较慢等特点，影响物理模型试验进度和精度。因此，需要研发一种适应在污染物扩散模型中加注可溶性标记物的高效方法，提高污染物模型研究效率和精度。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种污染物扩散模型中加注可溶性标记物的方法和系统，能科学、精准、便捷的向污染物扩散模型中加注可溶性标记物。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种污染物扩散模型中加注可溶性标记物的方法，包括以下步骤：
S1、确定标记物的类型、模型中标记物浓度设定值C设、模型水体积和加注总时长T，开始向模型中加注标记物；
S2、持续实时测量标记物余量值和模型水体中标记物浓度值C测，并依据这两个值确定是否要加注标记物；如要加注标记物则进入步骤S3，否则进入步骤S4；
S3、根据C测实时调整标记物加注流量，并对加注的标记物进行三维导流和涡流旋转扩散，所述三维导流用于使标记物在模型水体的竖直方向上扩散均匀，所述涡流旋转扩散用于加快标记物在模型水体中的扩散速度；
S4、判定C设与C测的差值是否为零，如果为零，终止标记物加注；否则补充标记物并返回步骤S2。
作为优选，加注的标记物为标记物溶液。
作为优选，步骤S2根据以下公式确定是否要加注标记物
其中，L0表示L1和L2的布尔运算的布尔值，具体由下式确定
其中，L1表示标记物余量的逻辑值，L2表示模型水体中标记物设定浓度值C设与实时测量的模型水体中标记物浓度值C测的差值的逻辑值，L1和L2分别由以下公式确定
作为优选，步骤S3通过以下公式实时调整标记物加注流量：
其中，Q泵为标记物实时加注流量，V模为模型水体总体积，ρ标为标记物溶液的质量体积浓度，Δt为加注总时间T与已加注时间T0的差值。
作为优选，步骤S3中所述三维导流为将标记物按照至少上中下三层的多层模式加注进模型中；如果标记物密度大于模型水体密度，则由上至下各层标记物加注分流量由大到小，反之由上至下各层标记物加注分流量由小到大；各层标记物加注分流量之和等于标记物实时加注流量。
作为优选，步骤S3中所述涡流旋转扩散具体为通过旋转搅动使加注端的模型水体产生涡流形成紊动流态；根据以下公式确定旋转搅动所需产生的旋转水流流速
其中，S模为模型水体表面积，T0为标记物已加注时间，α是加注的标记物溶液的浓度与C设的比值。
利用上述方法的污染物扩散模型中加注可溶性标记物的系统，包括标记物溶液仓储释放自控模块、流量实时调控模块、三维导流扩散模块和高敏探测模块，所述标记物溶液仓储释放自控模块、流量实时调控模块和三维导流扩散模块依次连通；所述高敏探测模块与标记物溶液仓储释放自控模块、流量实时调控模块和三维导流扩散模块电性连接；所述标记物溶液仓储释放自控模块用于存储和释放标记物溶液，并用于监测标记物溶液余量；所述流量实时调控模块用于调控标记物溶液的加注流量；所述三维导流扩散模块用于导流和加速标记物在污染物扩散模型中的扩散。
作为优选，所述三维导流扩散模块包括三维立体导流子模块和涡流旋转扩散子模块，所述三维立体导流子模块用于将标记物分层导流入污染物扩散模型中；所述涡流旋转扩散子模块用于在污染物扩散模型水体中产生涡流。
本发明的有益效果是：
一种污染物扩散模型中加注可溶性标记物的方法克服了现有人工或半人工湿洒、搅拌、静置等方法将可溶性标记物置于河湖物理模型水体的不均为、效率低、误差大等缺点，通过流量实时调控模块控制出液(标记物溶液)速率变频输出不同流量(也就是根据模型水体中标记物的实时浓度，实时调整加注标记物的加注流量逐渐减小为零)，从而能实现精准加注标记物，不会多也不会少；
再通过三维立体分层导流和涡流旋转扩散，自动调控加快标记物与水体的混合，有效提高了标记物的加注效率；以及通过高敏探测模块测定的实测标记物浓度值反馈信息，自动控制整个加注程序运行状态，比现有技术时效性更高、效果更好，提升了水环境物理模型水质因子模拟的精度和准确度。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为磷酸钾加注过程中实时浓度和调频加液泵输出流量变化图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
如图1所示，本发明提供了污染物扩散模型中加注可溶性标记物的方法和系统，
具体包括以下步骤：
S1、确定标记物的类型、模型中标记物浓度设定值C设、模型水体积和加注总时长T，开始向模型中加注标记物；
本实施例中采用加注标记物溶液的方式向污染物扩散模型中加注标记物，也可以根据实际情况更换，比如直接加注液态的标记物，而非标记物的溶液；
为了简化表述，后续加注的标记物不再赘述为标记物溶液，但实际是标记物溶液；本实施例中所述的模型也是为了简化表述，实际都是污染物扩散模型中的水体，因为向污染物扩散模型中加注标记物，实际就是个向污染物扩散模型中的水体进行加注。
标记物溶液存储在标记物溶液仓储释放自控模块中，标记物溶液仓储释放自控模块设有存储仓用于存储标记物语溶液，存储仓设有进出口，分别用于补充和释放标记物溶液；标记物溶液仓储释放自控模块还设有容量测定装置(可以采用容量测定器或液面测定仪)，用于实时进行在自我容量测定，容量测定装置的误差应小于5％或者0.5L。
S2、持续实时测量标记物余量值和模型水体中标记物浓度值C测，并依据这两个值确定是否要加注标记物；如要加注标记物则进入步骤S3，否则进入步骤S4；
其中，L0表示L1和L2的布尔运算的布尔值，具体由下式确定
其中，L1表示标记物余量(此实施例中也就指标记物溶液的余量)的逻辑值，L2表示模型中标记物设定浓度值C设与实时测量的模型中标记物浓度值C测的差值的逻辑值，L1和L2分别由以下公式确定
通过公式(1)-(4)可知，当标记物余量为0或者C测等于C设任一个条件达成时，不加注标记物；而只有标记物余量不为0且C测小于C设时才向模型中加注标记物；
标记物溶液仓储释放自控模块内置上述算法，根据算法的结果来控制存储仓出口阀的开关，也就是当L0为0关闭出口阀，当L0为1打开出口阀。
其中，公式(3)中标记物余量通过标记物溶液仓储释放自控模块的容量测定装置实时测量；
公式(4)中C测则通过高敏探测模块实时测量，高敏探测模块包括若干个抗污染可探测标记物实时浓度的高敏元器件，精度为0.001mg/L或1‰，在加注前校正所有高敏元器件，确保其精度误差应小于0.005mg/L或5‰；在模型水体中设置不少于3个探测点位适用高敏探测模块进行实时测量(实际是分布的越多越好，这样测量的得到的均值更加准确)，这些探测点均匀分布在模型中，所有高敏他侧模块测得的模型中标记物的实时浓度值的均值就是C测；
高敏探测模块可发射无线信号，进行无线信号传输，反馈模型中标记物实时浓度，也就是将获取的信号同步传输至标记物溶液仓储释放自控模块、流量实时调控模块和三维导流扩散模块(后续会说明后两个模块)。
如要加注标记物则进入步骤S3，否则进入步骤S4；
S3、根据C测实时调整标记物加注流量，具体通过以下公式实时调整标记物加注流量
其中，Q泵为标记物实时加注流量，V模为模型总体积，ρ标为标记物溶液的质量体积浓度(如果加注的是液态的标记物，那ρ标的含义就是标记物本身的密度)，Δt为加注总时间T与已加注时间T0的差值，也就是剩余的加注时间；
流量实时调控模块包括连接在标记物溶液仓储释放自控模块存储仓上的加液泵，且流量实时调控模块内置上述实时调整标记物加注流量的算法，通过该算法，实时调整加液泵加注标记物溶液的速率，随着可溶性标记物在污染物扩散模型的水体中的增加，实时浓度值(C测)也缓慢上升，调频加液泵输出流量(Q泵)也逐渐下降，因此输出流量是一个非线性下降变化的过程，当L0＝0时，也停止加液泵工作。
步骤S3还对加注的标记物进行三维导流和涡流旋转扩散，所述三维导流用于使标记物在模型水体的竖直方向上扩散均匀，所述涡流旋转扩散用于加快标记物在模型水体中的扩散速度；这通过三维导流扩散模块实现，所述三维导流扩散模块包括三维立体导流子模块和涡流旋转扩散子模块；
所述三维立体导流模块用于将标记物分层导流入污染物模型中，包括输送标记物的管道，管道由高到低设置有若干出液口，用于导流出标记物；所述三维导流为将标记物按照至少上中下三层的多层模式加注进模型中；如果标记物密度大于模型密度，则由上至下各层标记物加注分流量由大到小，反之由上至下各层标记物加注分流量由小到大；各层标记物加注分流量之和等于标记物实时加注流量；本实施例采用上中下三层加注模型，标记物溶液密度大于水，由上至下各层的标记物加注分流量分流比对应为50％、30％和20％，各层流量之和等于流量实时调控模块的调频加液泵输出流量，可通过调整上层、中层、下层的出液口口径大小，实现各层加注分流量的调节；
这样设置的目的是为了在竖直方向设置至少3层导流出口，每层导流出口进入污染物扩散模型水体后可使标记物在不同水深层面上形成二维自流扩散，这样能更加均匀快速的立体式加入模型水体中。而且最上层的流量占50％，由于标记物密度大于水密度，标记物溶液在水中的沉降也可以使得标记物在水中混合均匀。
所述涡流旋转扩散模块用于在污染物模型中产生涡流，所述涡流旋转扩散模块包括旋转部件，用于旋转搅动模型，使其产生小型涡流，进而使得模型形成紊动流态，进一步促进可溶性标记物在模型水体中的混合程度。而旋转部件则根据下式(5)计算所需要产生的旋转水流流速，从而控制自身的旋转速度
其中，S模为模型水体表面积，T0为标记物已加注时间，α是加注的标记物溶液的浓度与C设的比值。
当模型水体中的标记物浓度接近标记物设定浓度值时，加注流量变小，Q泵值接近于0，U水值也逐渐减小趋近于0，最终实现模型水体中标记物的均匀加入、三维均匀分布。
S4、判定C设与C测的差值是否为零，如果为零，不管标记物余量是否0，都终止标记物加注，整个加注过程彻底结束；否则，就只能是标记物余量为0导致的不加注标记物，这种情况向标记物溶液仓储释放自控模块中补充标记物并返回步骤S2继续加注过程。
为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案，下面结合具体案例进一步阐明本发明的内容，但本发明的实施方式不限于此。
对于某个位于太湖流域的具体湖泊物理模型，模型中的平均水深为10cm，面积为1150m2，水体体积为115m3。为模拟湖泊中总磷浓度随出入湖河道流量产生的变化，选用无毒的磷酸钾作为可溶性标记物。将可溶性标记物在湖泊物理模型水体中的浓度设定为0.2mg/L，且模型中各湖区的浓度要达到均匀，各测点的实际浓度与设定值的偏差小于0.005mg/L，预设加注时间约16分钟。标记物溶液仓储释放自控模块中的磷酸钾溶液质量体积浓度为1050kg/m3。
首先，加注自来水到湖区模型中至10cm水深，此时磷酸钾实时浓度小于0.001mg/L，启动标记物溶液仓储释放自控模块，L0＝1，释放磷酸钾溶液进入流量实时调控模块，流量从24.2L/s逐渐减小，流量随时间变化见下图2及表1。三维导流扩散模块将磷酸钾溶液分3层导流进入模型水体中，涡流旋转扩散产生的紊动流速为0.01～0.2m/s。高敏探测预警模块在加注程序启动后立即开始工作，实时监测模型水体中磷酸钾实时浓度。图2和表1也给出了模型水体中磷酸钾实时浓度变化，逐渐上升至0.2mg/L。流量和磷酸钾实时浓度与时间分别呈指函数拟合关系。在第16分钟，模型水体中磷酸钾实时浓度达到0.2mg/L时，L0＝0，整个程序停止运行。在加注过程中，各模块和程序自动化控制运行。
随后，通过在模型水体的各个点位进行检测，磷酸钾实测值浓度均为0.2mg/L左右，误差偏差小于0.003mg/L，试验精度达到要求，完成物理模型试验的可溶性标记物加注工作，为湖泊流域物理模型的总磷变化模拟试验提供支撑。
表1磷酸钾加注过程中实时浓度和调频加液泵输出流量变化
在本申请所公开的实施例中，计算机存储介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合使用的程序。计算机存储介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。计算机存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本申请所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以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。专业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申请的范围。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种污染物扩散模型中加注可溶性标记物的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、确定标记物的类型、模型中标记物浓度设定值C设、模型水体积和加注总时长T，开始向模型中加注标记物；加注的标记物为标记物溶液；
S2、持续实时测量标记物余量值和模型水体中标记物浓度值C测，并依据这两个值确定是否要加注标记物；如要加注标记物则进入步骤S3，否则进入步骤S4；
S3、根据C测实时调整标记物加注流量，并对加注的标记物进行三维导流和涡流旋转扩散，所述三维导流用于使标记物在模型水体的竖直方向上扩散均匀，所述涡流旋转扩散用于加快标记物在模型水体中的扩散速度；
所述三维导流为将标记物按照至少上中下三层的多层模式加注进模型中；如果标记物密度大于模型水体密度，则由上至下各层标记物加注分流量由大到小，反之由上至下各层标记物加注分流量由小到大；各层标记物加注分流量之和等于标记物实时加注流量；
所述涡流旋转扩散具体为通过旋转搅动使加注端的模型水体产生涡流形成紊动流态；根据以下公式确定旋转搅动所需产生的旋转水流流速
；
其中，为模型水体表面积，T0为标记物已加注时间，/>是加注的标记物溶液的浓度与的比值，/>为标记物实时加注流量，/>为模型水体总体积；
S4、判定C设与C测的差值是否为零，如果为零，终止标记物加注；否则补充标记物并返回步骤S2。
2.根据权利要求1所述的污染物扩散模型中加注可溶性标记物的方法，其特征在于：步骤S2根据以下公式确定是否要加注标记物
；
其中，表示/>和/>的布尔运算的布尔值，具体由下式确定
；
其中，表示标记物余量的逻辑值，/>表示模型水体中标记物设定浓度值C设与实时测量的模型水体中标记物浓度值C测的差值的逻辑值，/>和/>分别由以下公式确定
；
。
3.根据权利要求2所述的污染物扩散模型中加注可溶性标记物的方法，其特征在于：步骤S3通过以下公式实时调整标记物加注流量：
；
其中，为标记物实时加注流量，/>为模型水体总体积，/>为标记物溶液的质量体积浓度，/>为加注总时间T与已加注时间T0的差值。
4.利用权利要求3所述方法的污染物扩散模型中加注可溶性标记物的系统，其特征在于：包括标记物溶液仓储释放自控模块、流量实时调控模块、三维导流扩散模块和高敏探测模块，所述标记物溶液仓储释放自控模块、流量实时调控模块和三维导流扩散模块依次连通；所述高敏探测模块与标记物溶液仓储释放自控模块、流量实时调控模块和三维导流扩散模块电性连接；所述标记物溶液仓储释放自控模块用于存储和释放标记物溶液，并用于监测标记物溶液余量；所述流量实时调控模块用于调控标记物溶液的加注流量；所述三维导流扩散模块用于导流和加速标记物在污染物扩散模型中的扩散。
5.根据权利要求4所述的污染物扩散模型中加注可溶性标记物的系统，其特征在于：所述三维导流扩散模块包括三维立体导流子模块和涡流旋转扩散子模块，所述三维立体导流子模块用于将标记物分层导流入污染物扩散模型中；所述涡流旋转扩散子模块用于在污染物扩散模型水体中产生涡流。
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