水资源突发水污染物扩散仿真系统技术方案

本发明专利技术公开了一种水污染物扩散仿真系统，包括水污染扩散仿真分析单元，水质模型库，水文工情数据库和现场数据采集单元，其中：水质模型库建立了通用的零维、一维、二维水质数值模型；水文工情数据库用于存储水文基础信息；现场数据采集单元用于即时收集水污染事件发生的受纳水体的监测数据或现场人工检测报告；水污染扩散仿真分析单元用于根据水文工情数据库和现场数据采集单元现场采集的数据对受纳水体进行建模从而对水污染物扩散进行仿真。通过本发明专利技术能够实现对水污染物扩散的较精确预测，为防止污染物扩散，提高治理效果提供了科学依据。

Simulation system of sudden water pollutant diffusion in water resources

【技术实现步骤摘要】
水资源突发水污染物扩散仿真系统
本专利技术涉及污染物扩散仿真系统，尤其是涉及一种水资源突发水污染物扩散仿真系统。
技术介绍
流域水资源应急管理业务，按照其定位属于水利部门的专项应急管理业务，主要涉及突发水污染事件、特殊干旱事件以及水利工程事故几个方面,其中，流域水行政主管部门在河道、湖库发生突发水污染事件时，需要对突发水污染事件的变化趋势(时间、污染物浓度、扩散范围等)做到预见和防范，此时大多凭借经验判断，由于主观因素较强，容易出现误判。为此有必要提供一种水资源突发水污染物扩散仿真系统，借助水污染水质扩散数值模型，用实时测报数据和基础水文数据进行模拟演算，为突发水污染事件的应急辅助决策、优化调度提供模拟仿真支撑服务。本专利技术提出了一种采用水文-水动力-水质耦合的数值模型的水资源突发水污染物扩散仿真系统。
技术实现思路
为实现本专利技术之目的，采用以下技术方案予以实现：一种水污染物扩散仿真系统，包括水污染扩散仿真分析单元，水质模型库，水文工情数据库和现场数据采集单元，其中：水质模型库存储有零维、一维、二维水质数值模型；水文工情数据库用于存储水文基础信息；现场数据采集单元用于即时收集水污染事件发生的受纳水体的监测数据或现场人工检测报告；水污染扩散仿真分析单元用于根据水文工情数据库和现场数据采集单元现场采集的数据对受纳水体进行建模从而对水污染物扩散进行仿真。所述的仿真系统，其中：水文基础信息包括河道工情信息、断面信息、湖库的工程信息。所述的仿真系统，其中：监测数据或现场人工检测报告包括水体的水位、污染物种类、浓度、流量、流速的实时信息。所述的仿真系统，其中：水污染扩散仿真分析单元从水文工情数据库调取水污染区域水文工情数据和水污染区域现场数据采集单元采集到的实时数据；水污染扩散仿真分析单元根据上述数据进行污染物扩散模型选择；水污染扩散仿真分析单元根据上述数据进行水动力模型计算；水污染扩散仿真分析单元将水动力学模型求解的结果作为污染物扩散模型的输入，进行水质模型的污染物扩散模拟，迭代至所有离散河段，从而得出最终的仿真解。所述的仿真系统，其中：水污染扩散仿真分析单元用于根据水文工情数据库和现场数据采集单元现场采集的数据对受纳水体进行建模从而对水污染物扩散进行仿真包括：步骤1.水质概念模型建模；步骤2.选择污染物扩散模型；步骤3.根据选择的污染物扩散模型水污染物扩散进行仿真计算。所述的仿真系统，其中步骤1包括：1)通过对水污染区域现场数据采集单元采集到的实时数据进行分析，确定污染物排放源的种类及污染物的性质；2)通过对水污染区域水文工情数据的分析受纳水体的水文特点及有关水文参数；3)掌握受纳水体的水质控制指标和水体功能；4)确定水质模型的参数所需的示踪实验或现场实测的实施条件及可能性。所述的仿真系统，其中在于步骤2包括：水污染事件发生后，根据污染物所处的混合阶段，选择不同的河流水质模型：当受纳水体的河段长度比横向尺度大的多时，考虑第三混合阶段，采用零维模型或一维模型；而当污染物排放口与取水口距离较近，且河面相对较宽阔时，采用二维模型。所述的仿真系统，其中所述混合阶段包括：1)第一阶段：竖向z混合阶段，从排放口起沿水深方向逐渐充分混合阶段；2)第二阶段：从竖向z充分混合起至河流横向y开始充分混合为止；3)第三阶段：从横断面上开始充分混合之后的阶段，此阶段河流断面上各点水质浓度的偏差远比各横断面间的断面平均浓度偏差小，因此本阶段只需考虑断面平均浓度沿河流纵向x的变化。所述的仿真系统，其中步骤3中零维污染物扩散模型如下：其中：C0为污染物初始浓度，C为时间t时的污染物浓度，K1为污染物的衰减速率系数，，t＝x/86400u，其中x为河段长度，u为流速。所述的仿真系统，其中步骤3中一维污染物扩散模型如下：水动力基本方程如下：式中：x为离散的河段长度；t为时间；Q为流量；A为断面面积；q为单位长度旁侧入流；C为河道糙率；α为动量校正系数；R为水力半径；g为重力加速度；污染物一维扩散方程：式中，C为污染物的断面平均浓度；U为断面平均流速；A为过水断面面积；h为断面平均水深；Dx为湍流扩散系数；Ex为纵向扩散系数；K为污染物降解系数；Sr为河床底泥释放污染物的速率；S为单位时间内、单位河长上的污染物排放量。所述的仿真系统，其中：在忽略湍流扩散、河床底泥释放污染物以及沿河其它污染物排放的影响时，上述扩散方程变为：所述的仿真系统，其中步骤3中二维污染物扩散模型如下：水动力基本方程如下：水污染物二维扩散方程如下：式(3-1)为连续方程、式(3-2)、(3-3)为动量方程，式中：z为水位；h为水深；u、v分别为河流断面x、y方向平均流速；t为时间；C为谢才系数，C＝R1/6/n,n为河床糙率，R为水力半径；Ω为哥氏力系数，Ω＝2ωsinψ(ω为地球自转速度，ψ为纬度)；p为污染物浓度值(mg/m3)；Ex、Ey分别为x、y方向的紊动扩散系数；K为自净化作用系数；s表示水体中的污浊量；式(3-4)表示空间任意一点(x、y)某污染物的时段平均浓度p(x,y)随时间的变化率,与该点处污染物的平移、湍流扩散及源漏项的速率关系，表达的是某污染物在水体中任意点在二维空间x、y方向上的时段平均浓度。所述的仿真系统，其中：水动力一维模型的求解过程如下：1)采用四点隐式差分格式，将式(2-4)写成如下差分方程：整理为：式中，αi＝-E/Δx2；βi＝1/Δt+2E/Δx2+K/2；γi＝-E/Δx2；δi＝Cij(1/Δt-U/Δx)+Ci-1j(U/Δx-K/2)；Δx为x方向空间步长，Δt是时间步长；Ci表示污染物在i点的浓度；U表示断面平均流速；2)从i＝1作为起始时刻，将被污染水体河段初始断面的边界条件作为输入，依次迭代至i＝n时刻，即可获得一维河流水污染模型的线性方程组，该线性方程组的一般形式为：i,j为当前计算网格点的行列位置；。所述的仿真系统，其中水动力二维模型的求解过程如下:对式(3-1)～(3-3)根据给定的初始边界条件进行数值求解，在河岸边根据固壁的不可穿透性，设流速的法向分量为0，即vn＝0；在上下游开边界上，用实际观测或内插得到的水文资料输入，初始条件为利用模拟初始时刻的水流流速和水位，u＝u0(x,y),v＝v0(x,y),z＝z0(x,y)；1)对偏微分方程组(3-1)～(3-3)采用分步法，分别沿x、y向分步求解，得如下偏微分方程组：沿X方向：沿Y方向：2)应用交替方向隐式差分法(ADI)，将上述x、y方向偏微分方程组，改写成如下代数方程组:沿X方向：沿Y方向：其中A、B、C、D是差分方程的系数项，式中A、B、C、D各系数项均由网格点高程、水深及前一时刻的水力系数计算得出，联系边界条件，利用标准的追赶法即可求出该点的结合式(4-4)可求出y方向的处理类似,即求出结合式(4-7)可求出至此完成一个时间步长的计算，据上述过程对各时次进行迭代求解，求出各个时间步长上u、v、z的值；3)污染物扩散方程差分求解在方程(3-4)中忽略自净化作用和源漏项的影响，即令K、s均为0，可简化为：为简化计算，上式可变为：对式(4-14)进行差分离散，时间方向采用向后差分格式，空间方向采用中心差分格式，可得：式中：分别表示真解p(xi,yj,tn)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水污染物扩散仿真系统，包括水污染扩散仿真分析单元，水质模型库，水文工情数据库和现场数据采集单元，其特征在于：水质模型库存储有零维、一维、二维水质数值模型；水文工情数据库用于存储水文基础信息；现场数据采集单元用于即时收集水污染事件发生的受纳水体的监测数据或现场人工检测报告；水污染扩散仿真分析单元用于根据水文工情数据库和现场数据采集单元现场采集的数据对受纳水体进行建模从而对水污染物扩散进行仿真。

【技术特征摘要】
1.一种水污染物扩散仿真系统，包括水污染扩散仿真分析单元，水质模型库，水文工情数据库和现场数据采集单元，其特征在于：水质模型库存储有零维、一维、二维水质数值模型；水文工情数据库用于存储水文基础信息；现场数据采集单元用于即时收集水污染事件发生的受纳水体的监测数据或现场人工检测报告；水污染扩散仿真分析单元用于根据水文工情数据库和现场数据采集单元现场采集的数据对受纳水体进行建模从而对水污染物扩散进行仿真。2.根据权利要求1所述的仿真系统，其特征在于：水文基础信息包括河道工情信息、断面信息、湖库的工程信息。3.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鸿杰，姚广华，杜付然，杨明华，陈楠，周政辉，王冰，李黎，郭德勇，王健，苏顺奇，陈宁锦，庞雁东，张荣，张欢，
申请(专利权)人：河南省水文水资源局，
类型：发明
国别省市：河南,41