一种平原感潮河网区纳污能力计算方法技术

本发明专利技术涉一种平原感潮河网区纳污能力计算方法。包括：S1. 收集水文资料、水质资料、入河排污口资料、河道断面地形数据；S2. 根据流域或区域规划要求，以规划管理目标所确定的污染物作为计算河段纳污能力的污染物；S3. 确定设计边界，上游边界采用90%保证率最枯月平均流量或近十年最枯月平均流量作为设计流量，下边界以多年平均潮位作为设计潮位过程；S4. 构建大型感潮网河区的纳污能力计算数学模型，包括建立网河区一维水动力模型和建立网河区一维水质模型；S5. 将S1步骤收集的数据代入纳污能力计算模型后，计算获得各水功能区的纳污能力。本发明专利技术提供的计算模型结构十分简单；主要特点是简便、通用，模拟精度较高，尤其适用于感潮复杂河网水流水环境模拟。

【技术实现步骤摘要】
一种平原感潮河网区纳污能力计算方法
本专利技术涉及水文水利工程
，更具体地，涉及一种平原感潮河网区纳污能力计算方法。
技术介绍
水域纳污能力是指一定水体在满足水域功能要求的前提下，按给定水质目标值、设计水量、排污口位置及排污方式下，依据水体稀释和污染物自净的规律利用数学模型计算水域所能容纳的最大污染物量，以t/a表示。对不同类型的水功能区，由于现状水质和水质保护目标的不同，采用不同的方法来确定纳污能力。平原感潮河网不同于山区单向河流的特点在于感潮河网内部结构的错综复杂、水流的潮汐往复性以及由此带来的方程组离散及其求解上的困难，这是多年来人们研究河网问题一大难点，河网的复杂性也导致许多成熟的水环境数学模型往往不再适用。主要的问题是,在模型的设计过程中忽略了复杂的河道地形、初边条件和潮水涨落等因素,导致模型的稳定性、收剑性较差且模拟精度较低或者使用过于复杂、不够经济和适用性差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种平原感潮河网区纳污能力计算方法。为解决上述问题，本专利技术提供的技术方案为：一种平原感潮河网区纳污能力计算方法，包括以下步骤：S1.收集水文资料、水质资料、入河排污口资料、河道断面地形数据等；水文资料包括河段流量、入海口潮位，资料应能满足设计水文条件和模型参数的计算要求；水质资料包括计算和段内各水功能区的水质现状、水质目标等，资料应能反映计算河段主要污染物及计算水域纳污能力对水质参数的要求；入河排污口资料包括计算河段内入河排污口分布、排放量、污染物浓度、排放方式、排放规律等；河道断面地形数据包括计算河段的横断面和纵剖面数据；S2.污染物的确定；根据流域或区域规划要求，以规划管理目标所确定的污染物作为计算河段纳污能力的污染物；S3.确定设计边界；上游边界采用90％保证率最枯月平均流量或近十年最枯月平均流量作为设计流量，下边界以多年平均潮位作为设计潮位过程；S4.构建大型感潮网河区的纳污能力计算数学模型。S5.将S1步骤收集的数据代入纳污能力计算模型后，计算获得各水功能区的纳污能力。进一步地，所述的S4步骤包括：S41.建立网河区一维水动力模型；S42.建立网河区一维水质模型。进一步地，所述的S41步骤包括：S411.基于一维圣维南方程组，建立网河区一维水动力水质模型，河道水动力模型的控制方程如下：连续方程动量方程式中，Z为断面水位；Q为流量；A为河道过水面积；g为重力加速度；B为过水宽度；q为旁侧入流流量；R为水力半径；c为谢才(Chezy)系数；x、t是位置和时间坐标；S412.将步骤S411采用四点加权Preissmann隐式差分格式，图1中M点建立差分因子，得到任意函数F及其偏导数的离散形式为：式中，F代表流量Q和水位Z；θ为加权系数，一般取0.5-1.0。S413.将步骤S412的函数F转化为步骤S411的连续方程，可得到连续方程的差分方程如下：假设时段初的变量均为已知，整理得：其中，同时，S411的动力方程如下：其中：由曼宁公式则为书写方便，忽略上标n+1，可把式的任一微段差分方程写为：其中cj、Dj、Ej、Fj、Gj、均由初值计算，所以方程组为常系数线性方程组。对一条有m-1个微段的河道，有2(m-1+1)个未知量，可以列出2(m-1)个方程，加上河道两端的边界条件，形成封闭的代数方程组：S414.建立外河道(单一河道)的追赶方程上边界为流量边界条件，追赶方程为：Q1＝P1-V1Z1P1＝Q1(t)，V1＝0其中：下边界为水位，即Zm已知，末断面流量Qm＝Pm-VmZm，用Zm回代到方程组(11)，按j＝m-1,m-2,……,1的顺序求出微段断面的流量Qj及水位Zj，当j＝1时，求出Q2、Z1，而Q1为已知的上边界。S415.建立内河道的追赶方程对于内河道，首、末断面的边界条件均为未知，由于没有端点边界条件可供利用，单一河道递推的方法不能适用。内河道计算采用的思路为：以内节点水位为基本未知量，利用追赶方程，用逆推法(j＝m-1,m-2,……,1)、顺推法(j＝2,3,……,m)得到各河道各断面的流量用首、末断面水位表示的两个表达式，那么首、末断面的流量也可表示为首、末断面水位的唯一表达式。根据stoker条件，首、末断面的水位即与之相连节点的水位，再由水量平衡公式，得到节点水位平衡方程，由此得到各节点水位方程构成的方程组，从而求得内节点的水位，再求得河道首、末断面流量。回代到各微段方程，可求得各计算断面水位与流量。逆推法：以方程组(10)为基础方程，从第m-1个微段方程起，用逆推法相互消元，把内河道中任一断面的流量表达成本断面水位和末断面水位的线性函数：Qj＝αj+βZj-ξjZm，(j＝m-1,m-2,……,2,1)(13)对于上式(13)，当j＝m-1时，有单独递推系数的起始值：其余的递推公式为：顺推法：以方程组(10)为基本方程，从第1河段微段起，用顺推法进行相互消元，可把河道任一断面的流量表达成本断面水位与首段面的水位线性函数：Qj＝θj+ηZj-γjZ1，(j＝2,3,……,m)(16)对于上式(16)，当j＝2时，有单独递推系数的起始值：其他系数的递推公式为：当首、末断面水位求得后，联解(13)、(16)，对于同一断面上的流量有：可得：求出Zj后，代入(19)任一方程，即可求出Qj。S416.建立河段方程对于外河道，末断面流量为：Qm＝fm(Zm)(21)对于内河道：当j＝1时，由式(13)得首断面流量：Q1＝α1+β1Z1+ξ1Zm(22)当j＝m时，由方程式(15)得：Qm＝θm+ηmZm+γmZ1(23)其中：首、末断面的流量分别用首、末断面的水位Z1、Zm表示，外河道末断面流量只用末断面水位Zm表示，而Z1、Zm即首、末节点的水位。S417.建立汊点方程设出流为正，入流为负，(也可设入流为正，出流为负)，进出每一节点的流量必须与该节点内实际水量的增减率相平衡，可表示为：式中，l为汊点相连河段数，k为汊点号，Ωk表示第k汊点的蓄水量，Ak为调蓄节点的蓄水面积，分别为调蓄节点时段末、时段初的水位。若调蓄节点面积很小，则可忽略水位变化引起调蓄节点水体积变化，将步骤S417的汊点方程转化为：S418.建立节点水位方程如果汊点可概化为一个几何点，出入该汊点的水流平缓，不存在水位突变的情况，则各节点相连汊道的水位应相等，等于该点的平均水位，即：在步骤S418成立前提下，将步骤S416中河道首、末断面与节点水位关系式(21)、(22)、(23)代入(25)，得到与节点i相邻的节点水位为未知变量的线性代数方程：fi(Zi,j)＝0(29)其中Zi,j为节点i相邻节点水位的集合。如果各断面的过水面积相差悬殊，流速有较明显的差别，当略去汊点的局部损耗时，得伯努利(Bernouli)方程，各断面之间的能量水头应相等，即：对河网每一个节点，都建立上述的节点水位方程，形成以河网节点水位为基本未知变量的线性方程组：AZ＝R(30)其中：为系数矩阵，Z＝[Z1Z2…Zn]T为节点水位列阵，为右端项列阵。n为节点总数。当i,j不是相邻节点时，或节点i与节点j相连，但连接节点i的流量方向并不是流向节点i，则aij＝0，AZ＝R为带型线性方程组。采用标志矩阵法对节点方程组本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种平原感潮河网区纳污能力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.收集水文资料、水质资料、入河排污口资料、河道断面地形数据；S2.根据流域或区域规划要求，以规划管理目标所确定的污染物作为计算河段纳污能力的污染物；S3.确定设计边界，上游边界采用90％保证率最枯月平均流量或近十年最枯月平均流量作为设计流量，下边界以多年平均潮位作为设计潮位过程；S4.构建大型感潮网河区的纳污能力计算数学模型，包括建立网河区一维水动力模型和建立网河区一维水质模型；S5.将S1步骤收集的数据代入纳污能力计算模型后，计算获得各水功能区的纳污能力。

【技术特征摘要】
1.一种平原感潮河网区纳污能力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.收集水文资料、水质资料、入河排污口资料、河道断面地形数据；S2.根据流域或区域规划要求，以规划管理目标所确定的污染物作为计算河段纳污能力的污染物；S3.确定设计边界，上游边界采用90％保证率最枯月平均流量或近十年最枯月平均流量作为设计流量，下边界以多年平均潮位作为设计潮位过程；S4.构建大型感潮网河区的纳污能力计算数学模型，包括建立网河区一维水动力模型和建立网河区一维水质模型；S5.将S1步骤收集的数据代入纳污能力计算模型后，计算获得各水功能区的纳污能力。2.根据权利要求1所述的一种平原感潮河网区纳污能力计算方法，其特征在于，所述的S4步骤中建立一维水动力模型为基于一维圣维南方程组，建立的网河区一维水动力水质模型，河道水动力模型的控制方程如下：连续方程：动量方程：式中，Z为断面水位；Q为流量；A为河道过水面积；g为重力加速度；B为过水宽度；q为旁侧入流流量；R为水力半径；c为谢才(Chezy)系数；x、t是位置和时间坐标。3.根据权利要求1所述的一种平原感潮河网区纳污能力计算方法，其特征在于，所述的S4步骤中建立网河区一维水质模型的控制方程为：河道方程：节点方程：式中，Q，Z是流量及水位；A是河道断面积；EX是纵向分散系数；C是水流输送的...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈晓宏，郑炎辉，房春艳，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44