CN117648881A - 一种渠化治理河道水质简化计算方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种渠化治理河道水质简化计算方法，基于渠化治理河道断面规整、几何信息明晰、不同河段水陆界面糙率相对均一等特点，结合施工断面图，对均匀流控制断面进行水位流量、水位流速关系拟合；对具有闸坝、急弯等河段，将该控制断面作为水位起推控制断面，推求上游河段水位，结合推求水位和流量得到不同断面处的流速；河道水文水动力信息获取后，结合水质计算公式建立该河道一维水量水质计算模型。本发明充分挖掘了渠化治理河道在水文水质计算中的特点，无需进行繁杂的数据采集及模型构建，且在水质计算中，考虑了水文变化对河道污染降解速率的影响及不同污染物之间的迁移转化，简便、高效、对计算资源要求低，可适用于在线监测平台或设备。
Description
技术领域
本发明属于水质监测预测领域，具体涉及一种渠化治理河道水质简化计算方法。
背景技术
河道渠化治理是流域综合开发、水环境综合治理工程中的重要组成部分。河道水质监测预测贯穿河道治理的全寿命周期，污染现状评估、修复技术选型、工程实施效果评价、水质运维管控等都离不开对河道水质的监测预测。为了降低水质监测成本、提高预测精度，通常采用水质模型，进行河道污染物分布预测。
现有的河道水质模型及预测方法很多，也有较为成熟的商业分析软件，但其建模过程较为复杂，且对河道基础信息如地形边界条件、水文条件、水质条件等要求较高。针对城区河道复杂的排污环境，也很难对其进行有效的建模，即使完成模型构建，也需要耗费巨大的计算资源。
发明内容
本发明的目的就是解决上述背景中，一种渠化治理河道水质简化计算方法包括以下步骤：
S1、提取河道断面几何、高程及位置坐标信息；
S2、不同水陆边界河段选择合适糙率；
S3、判断河段是否为均匀流河段并执行相应水文参数计算；
S4、计算河段平均流速；
S5、构建河道水动力模型；
S6、判断河段污染物迁移特征并构建相应水质计算模型。
优选的方案中，步骤S3中对于均匀流河段，水文参数计算步骤如下：
S311、计算得到断面水深流量关系和水深流速关系，公式如下：
其中，Q为流量；A为过水面积；为单位；i为河道坡降；n为糙率；χ为湿周；b为河底宽；h为水深；m为边坡系数；
S312、拟合得到流量-水深计算公式和流速-水深计算公式。
优选的方案中，步骤S3 中对于非均匀流河段，水文参数计算步骤如下：
S321、根据闸坝、急弯处的水位流量关系得到给定流量下的水位；
S322、将闸坝、急弯等断面的水位作为起推水位，推求上游水面线，得到上游各断面水位：
其中，Zu为上游水位，Zd为下游水位；Au为上游过水面积，Ad下游过水面积，ξ为扩散系数； 为流量模数；
S323、将水位信息与各断面几何尺寸、高程匹配，得到河道过水面积、断面平均流速。
优选的方案中，步骤S6中，当kE/v 2≤0.01时，污染物迁移主要受移流作用影响，水质模型构建步骤如下：
S611、考虑温度、水流条件对污染降解影响，获取污染物综合降解系数k，计算方法如下：
（2）计算得到河道水质沿程变化分布，公式如下：
其中，C为断面x处的污染物浓度，C0分别断面x处的初始浓度；k为综合降解系数；E为纵向离散系数；v为平均流速；k0为静水条件下降解系数；θ为阿伦尼乌斯系数。
优选的方案中，步骤S6中，当kE/v 2>0.01时，污染物迁移受移流作用及离散作用共同影响，并考虑污染物之间的迁移转化，水质模型构建步骤如下：
S621、生化需氧量考虑降解过程，计算方法如下：
S622、氨氮考虑BOD降解释放产生的氨氮、硝化反应消耗的氨氮、植物和细菌对氨氮的利用过程，计算方法如下：
S623、总磷考虑BOD降解生成的磷以及植物对磷的吸收作用，计算方法如下：
其中，C为断面x处的污染物浓度，C0分别断面x处的初始浓度；k为综合降解系数；E为纵向离散系数；v为平均流速；k0为静水条件下降解系数；θ为阿伦尼乌斯系数。
优选的方案中，纵向离散系数E计算方法如下：
本发明的有益效果为：本方法相对于现有的水质模型充分考虑了渠化治理河道断面规整、几何信息明晰、不同河段水陆界面糙率相对均一等特点，模型构建方便、快捷，计算准确；水质模型系统考虑了污染物迁移主要影响因素及相互间的转化过程，并考虑了水动力变化对污染物降解的影响，方法实用性强，适用性广；计算资源占用率极低，计算原理简便且计算效率高，模型率定完成后，可实时计算出结果；该方法可以快速植入在线水质监测系统，实现水质分布实时模拟。该方法可通过调整河段流量及初始浓度，新增污染源，方便、快捷。
附图说明
图1是本发明中的渠化治理河道水质简化计算方法流程图；
图2是本发明中的河段新增污染源模型设置原理图；
图3是本发明中的断面信息获取结果示意图；
图4是本发明中的水位流量关系图；
图5是本发明中的流量-水位、流量-流速关系拟合图；
图6是本发明中的某均匀河道水位验证图；
图7是本发明中的某非均匀河道水位验证图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案更加清楚，下面结合实施案例对本发明做进一步阐述。本发明按以下步骤具体实现：
案例基本背景：本案例为枣阳城区某河道，因管网不完善、行洪排涝等原因，造成河道淤积阻塞严重，甚至出现中断，局部成为“断头河”，因此需要进行渠化治理，清理污染严重的淤泥并进行断面修整及生态化护岸改造，恢复提升河道的水动力及水质状况，并提高河道对污染负荷的抗冲击能力。
第一步：提取河道断面几何、高程及位置坐标信息。可从渠化治理河道设计施工图纸中获取该河道控制断面的位置坐标、河床、边岸高程以及断面几何尺寸等信息。
本实施案例中，均匀流河道长约7km，提取了33个控制断面数据，平均断面间隔约200m；受闸坝影响的非均匀流河道长约3km，提取了28个控制断面数据，平均断面间隔约100m。
如桩号（0+600）处的断面数据提取边界坐标点（xi，gi），用于绘制过水断面，如梯形断面，则只需提取左右岸顶标高和左右岸底标高。提取坐标形式及断面形态如图（3）所示。
第二步：不同水陆边界河段选择合适糙率。一般在河道整治中，不同河段会设置不同挡墙、植生型护岸等，因此针对不同河岸形态，选择合适的糙率。
本实施案例中，河道岸坡分别有混凝土护岸、浆砌石护岸、格宾挡墙、植生型护岸等，且植被种类不完全相同，因此，糙率值选择范围为0.02~0.045。
第三步：判断河段是否为均匀流河段并执行相应水文参数计算。
对于均匀流河段，水文参数计算步骤如下：
根据公式计算得到断面水深流量关系和水深流速关系，其中，Q，流量；A，过水面积；i河道坡降；n，糙率；χ，湿周；b，河底宽；h，水深；m，边坡系数；
实施案例中，当n取0.04、i取0.003时，桩号（0+600）的水位流量关系如图（4）所示。
（2）拟合得到流量-水深计算公式和流速-水深计算公式；
实施案例中，因河道断面形态相对规整，两种关系曲线都具有良好的乘幂关系，例如（桩号里程3+150）断面处的水深h=0.5553Q0.5626（R2=0.999）；断面平均流速v=0.4668Q0.3138（R2=0.993），如图5所示。该案例均匀河道共得到33组流量-水深计算公式和流速-水深计算公式。
对于非均匀流河段，水文参数计算步骤如下：
（1）根据闸坝、急弯处的水位流量关系得到给定流量下的水位；
案例中非均匀流的影响因素主要为闸坝影响，案例中的闸坝无侧收缩、自由出流，且为矩形薄壁堰形式，其流量计算方法如下：
式中-m0考虑行进流速水头影响的流量系数，无侧收缩的可由雷保克公式计算：
式中H为堰顶水头，P为上游堰高。
（2）将闸坝、急弯等断面的水位作为起推水位，推求上游水面线，得到上游各断面水位：
其中，Zu、Zd分别为上、下游水位；ξ为扩散系数； 为流量模数；
（3）将水位信息与各断面几何尺寸、高程匹配，得到河道过水面积、断面平均流速；
第四步：计算河段平均流速；
第五步：构建河道水动力模型；
第六步：采用实测数据验证模型；
本案例中，采用本发明提出的计算方法，均匀流河道、非均匀流河道水位都与实测值吻合良好，可以用于水质模型构建。验证结果分别见图6和图7。
第七步：判断河段污染物迁移特征并选择相应水质计算模型：
当kE/v2≤0.01时，污染物迁移主要受移流作用影响，水质模型构建步骤如下：
（1）考虑温度、水流条件对污染降解影响，获取污染物综合降解系数k，计算方法如下：
；
（2）采用公式计算得到河道水质沿程变化分布；
其中，k，综合降解系数；E，纵向离散系数；v，平均流速；k0，静水条件下降解系数；θ，阿伦尼乌斯系数。
当kE/v2>0.01时，污染物迁移受移流作用及离散作用共同影响，并考虑污染物之间的迁移转化，水质模型构建步骤如下：
（1）生化需氧量考虑降解过程，计算方法如下：
（2）氨氮考虑BOD降解释放产生的氨氮、硝化反应消耗的氨氮、植物和细菌对氨氮的利用过程，计算方法如下：
（3）总磷考虑BOD降解生成的磷以及植物对磷的吸收作用，计算方法如下：
第八步：河段组合形成渠化治理河道水质计算方法。
本案例河道经过渠化治理并进行了生态补水，水动力条件得到了显著地改善，因此通过计算，主要受到河道移流作用影响。且通过实测水质数据，分别求得化学需氧量的k0范围为0.11~0.23，氨氮的k0为0.08~0.14，总磷的k0为0.06~0.09。计算的水质分布与实测数据吻合较好。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种渠化治理河道水质简化计算方法，其特征是包括以下步骤：
S1、提取河道断面几何、高程及位置坐标信息；
S2、不同水陆边界河段选择合适糙率；
S3、判断河段是否为均匀流河段并执行相应水文参数计算；
S4、计算河段平均流速；
S5、构建河道水动力模型；
S6、判断河段污染物迁移特征并构建相应水质计算模型。
2.根据权利要求1所述一种渠化治理河道水质简化计算方法，其特征是：步骤S3中对于均匀流河段，水文参数计算步骤如下：
S311、计算得到断面水深流量关系和水深流速关系，公式如下：
其中，Q为流量；A为过水面积；为单位；i为河道坡降；n为糙率；χ为湿周；b为河底宽；h为水深；m为边坡系数；
S312、拟合得到流量-水深计算公式和流速-水深计算公式。
3.根据权利要求1所述一种渠化治理河道水质简化计算方法，其特征是：步骤S3 中对于非均匀流河段，水文参数计算步骤如下：
S321、根据闸坝、急弯处的水位流量关系得到给定流量下的水位；
S322、将闸坝、急弯等断面的水位作为起推水位，推求上游水面线，得到上游各断面水位：
其中，Zu为上游水位，Zd为下游水位；Au为上游过水面积，Ad下游过水面积，ξ为扩散系数； 为流量模数；
S323、将水位信息与各断面几何尺寸、高程匹配，得到河道过水面积、断面平均流速。
4.根据权利要求1所述一种渠化治理河道水质简化计算方法，其特征是：步骤S6中，当kE/v 2≤0.01时，污染物迁移主要受移流作用影响，水质模型构建步骤如下：
S611、计算温度和水流条件对污染降解影响，获取污染物综合降解系数k，计算方法如下：
（2）计算得到河道水质沿程变化分布，公式如下：
其中，C为断面x处的污染物浓度，C0分别断面x处的初始浓度；k为综合降解系数；E为纵向离散系数；v为平均流速；k0为静水条件下降解系数；θ为阿伦尼乌斯系数。
5.根据权利要求1所述一种渠化治理河道水质简化计算方法，其特征是：步骤S6中，当kE/v 2>0.01时，污染物迁移受移流作用及离散作用共同影响，并考虑污染物之间的迁移转化，水质模型构建步骤如下：
S621、生化需氧量考虑降解过程，计算方法如下：
S622、氨氮考虑BOD降解释放产生的氨氮、硝化反应消耗的氨氮、植物和细菌对氨氮的利用过程，计算方法如下：
S623、总磷考虑BOD降解生成的磷以及植物对磷的吸收作用，计算方法如下：
其中，C为断面x处的污染物浓度，C0分别断面x处的初始浓度；k为综合降解系数；E为纵向离散系数；v为平均流速；k0为静水条件下降解系数；θ为阿伦尼乌斯系数。
6.根据权利要求4所述一种渠化治理河道水质简化计算方法，其特征是：纵向离散系数E计算方法如下：
。
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