一种基于未完全截污条件下的平原河网水量水质优化调控方法技术

本发明专利技术公开了一种基于未完全截污条件下的平原河网水量水质优化调控方法，通过野外水量水质同步监测实验与水环境现状调查和评价，获取河道实际水动力水质情况与区域污染源状况，利用水环境数值模拟技术构建研究区域一维河网水动力‑水质数学模型。通过模型分析引水流量、调度模式、引水时间对水动力与水质的影响，得出较优的调水引流方案。再考虑污染源的分布状况，对区域的主要超标污染物制定不同的削减方案后，利用模型再次分析调水引流方案对于水环境质量的改善效果，最终得出水量水质优化调控方案。其综合考虑闸泵的调度模式、污染源，可操作性强、计算快捷、适用范围广，尤其改善区域范围内的水质、水动力、水环境，解决区域河网的污染问题。

An optimal control method of water quantity and quality of plain river network based on incomplete wastewater interception

The invention discloses a method for optimizing and controlling water quantity and quality of plain river network based on incomplete sewage interception. Through field water quantity and quality synchronous monitoring experiment and water environment status investigation and evaluation, the actual hydrodynamic water quality of river channel and regional pollution source status are obtained, and the one-dimensional hydrodynamic water quality mathematical model of river network in research area is constructed by using water environment numerical simulation technology. Through the model analysis of the influence of diversion flow, operation mode and diversion time on hydrodynamic force and water quality, a better diversion scheme is obtained. After considering the distribution of pollution sources and making different reduction plans for the main pollutants exceeding the standard in the region, the model is used to analyze the improvement effect of water diversion plan on water environment quality again, and finally the optimal control plan of water quantity and quality is obtained. Considering the operation mode and pollution source of sluice pump, it has strong operability, fast calculation and wide application range, especially improving the water quality, hydrodynamic force and water environment in the area, and solving the pollution problem of regional river network.

【技术实现步骤摘要】
一种基于未完全截污条件下的平原河网水量水质优化调控方法
本专利技术涉及一种河网水量水质优化调控方案，具体涉及一种基于未完全截污条件下研究平原河网水量水质优化调控方案的方法。
技术介绍
平原河网地区经济发达、人口众多，工业企业聚集，污染源密布。现阶段，由于地形、地貌的特殊性，河网水系存在局部往复流和滞流等现象，水动力条件较差，水体抗污染能力弱，水环境质量较差。基于水量水质优化调控的调水引流是改善平原河网水环境质量的有效方法，即主要利用泵站、闸站等水利设施将较为清洁的水源调度至水体受到污染的区域，在这个过程中稀释受纳水体中的污染物并改善水体的水动力条件，使得水体的自净能力与环境容量得到提升，同时也使原来河道中的复向流变为单向流，加速了该河段中污染物的排除，以此来实现对于水体水质的改善。由于河网中具有众多的闸、泵站等水工建筑物，不同闸泵调度组合的调水引流方式对水环境质量的改善效果存在一定差异；同时，岸上复杂的污染源分布也会进一步影响调水引流的实际效果。因此，如何充分分析不同闸泵调度方式与不同污染源分布状况下调水引流对水环境质量的改善效果从而因地制宜、科学有效地制定相应的水量水质优化调控方案成为了目前研究的热点问题。
技术实现思路
为解决现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于未完全截污条件下的平原河网水量水质优化调控方法。为了实现上述目标，本专利技术采用如下的技术方案：一种基于未完全截污条件下的平原河网水量水质优化调控方法，根据调控方案，沿河网流道通过启闭闸、泵进行调水引流；所述调控方案的确定，包括以下步骤：S1、资料收集，包括水系资料、地理地形资料、污染源分布资料、常规监测资料、野外水量水质同步监测资料、水工建筑物资料、水文资料；S2、根据常规监测资料中的水质历史监测数据进行水质评价，确定主要污染物；S3、根据步骤S1收集的资料，构建河网一维水动力-水质耦合模型；S4、基于模型，根据调度模式、引水流量的不同针对河网水系制定不同的调水引流方案，并利用上述模型对各个调水引流方案的水动力和水质进行模拟，并根据水动力和水质的改善效果，得出较优调水引流方案。S5、于模型中，基于污染源的削减，针对主要污染物进行分析，于上述的较优调水引流方案中，确定水量水质优化调控方案。上述步骤S2中主要污染物的确定，为根据整体超标率较高的水质因子作为主要污染物，包括CODMn、氨氮、总磷。上述步骤S3中的一维水动力-水质耦合模型中的计算河网水动力的方程为圣维南方程组，离散解法采用Abbott-Ionescu六点隐式中心差分格式，计算采用追赶法；圣维南方程组，如下式：上式中，Q为流量，m3/s；x，t分别为沿水流方向空间坐标和时间坐标，m，s；BW为调蓄宽度，m；Z为水位，m；q为旁侧入流流量，m3/s；u为断面平均流速，m/s；g为重力加速度，m2/s；A为主槽过水断面面积，m2；B为主流断面宽度，m；n为河道糙率；R为水力半径，m。上述步骤S3中的一维水动力-水质耦合模型中的计算河网水质的方程采用质量守恒定律的污染物对流扩散方程，在对方程求解时，时间项采用向前差分的方式，对流项采用上风格式求解，扩散项采用中心差分格式；方程如下式：(其中Sc＝KdAC)式中：Q，Z为流量及水位，m3/s，m；A为河道面积，m2；Ex为纵向分散系数，m2/s；C为水流输送的物质浓度，mg/L；Ω为河道叉点-节点的水面面积，m2；j，I为节点编号以及与该节点相联接的河道编号；Sc为与输送物质浓度有关的衰减项；Kd为衰减因子；S为外部的源或汇项。上述步骤S4中的水动力模拟过程分析包括分析引水流量、调度模式对河网平均流量、平均水位、河段换水率、引水影响长度等水动力因子的影响。上述步骤S4中水动力的模拟，包括以下步骤：A1、统一调水引流的模拟时间T1；A2、分别从模型中获取水动力因子的模拟数据，包括各调水引流方案调水前后的河网平均水位、平均流量、河段换水率、引水影响长度；A3、对比分析不同调度模式、不同引水流量下的各调水引流方案调水后对以上水动力因子的影响效果；A4、确定出对于水动力因子改善效果较好的调水引流方案。上述步骤S4中水质的模拟，包括以下步骤：B1、统一调水引流的模拟时间T2；B2、选取分布在河网中的若干水质监测断面作为分析目标；B3、利用所建立模型对各调水引流方案下的水质变化过程进行模拟，并分别提取所选的各水质监测断面处的主要污染物调水前后的水质浓度，计算各主要污染物调水后的水质平均改善率，并统计各方案下各个监测断面处水质达标所需时间以及能否在选定的调水引流时间内水质达标；B4、优先选取在模拟时间内能够使各监测断面水质达标的调水引流方案作为较优方案，若不能达标则选取相同模拟时间内各断面水质平均改善率较高的调水引流方案作为较优方案。上述步骤S5中的基于污染源的削减，确定水量水质优化调控方案，包括如下步骤：C1、基于主要污染物，针对各污染源，制定不同的削减方案；C2、基于步骤S4确定的较优调水引流方案，于模型中引入污染源的削减方案，并进一步模拟；C3、对比分析污染物削减前与削减后，调水引流对水环境质量的改善与提升效果；C4、结合各方案的对比分析结果，综合考虑调水引流的经济效益与环境效益，最终确定最优的水量水质优化调控方案。进一步的，上述削减方案包括全局削减方案和局部削减优化。再进一步的，上述局部削减优化基于全局削减方案再实施。本专利技术的有益之处在于：本专利技术的一种基于未完全截污条件下的平原河网水量水质优化调控方法，通过野外水量水质同步监测实验与水环境现状调查和评价，获取河道实际水动力水质情况与区域污染源状况，利用水环境数值模拟技术构建研究区域一维河网水动力-水质数学模型并进行率定验证。通过模型，分别分析引水流量、调度模式、引水时间对水动力因子与水质因子的影响，得出相对较优的调水引流方案。进一步考虑污染源的不同分布状况，针对适用区域的主要超标污染物制定不同的削减方案后，利用模型再次分析相对较优的调水引流方案对于水环境质量的改善效果，并最终得出水量水质优化调控方案。本专利技术的方法综合考虑河网中不同闸泵调度模式、不同污染源的分布状况，步骤简单、可操作性强、计算快捷、适用范围较广，可为广大平原河网地区水环境长效管理与科学决策提供一定的理论依据，尤其是改善区域范围内的水质、水动力、水环境，并解决区域河网的污染问题。附图说明图1为A市的水动力率定验证结果图。图2为A市的水质率定验证结果图。图3为各调水引流方案引水7天后的河网平均水位图。图4为各调水引流方案引水7天后的河网平均流量图。图5为A市主要引水河道上的3个河段的分布图。图6为各调水引流方案的引水影响长度图。图7为A市内的6个水质监测断面的分布本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于未完全截污条件下的平原河网水量水质优化调控方法，其特征在于，根据调控方案，沿河网流道通过启闭闸、泵进行调水引流；所述调控方案的确定，包括以下步骤：/nS1、资料收集，包括水系资料、地理地形资料、污染源分布资料、常规监测资料、野外水量水质同步监测资料、水工建筑物资料、水文资料；/nS2、根据常规监测资料中的水质历史监测数据进行水质评价，确定主要污染物；/nS3、根据步骤S1收集的资料，构建河网一维水动力-水质耦合模型；/nS4、基于模型，根据调度模式、引水流量的不同针对河网水系制定不同的调水引流方案，并利用上述模型对各个调水引流方案的水动力和水质进行模拟，并根据水动力和水质的改善效果，得出较优调水引流方案。/nS5、于模型中，基于污染源的削减，针对主要污染物进行分析，于上述的较优调水引流方案中，确定水量水质优化调控方案。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于未完全截污条件下的平原河网水量水质优化调控方法，其特征在于，根据调控方案，沿河网流道通过启闭闸、泵进行调水引流；所述调控方案的确定，包括以下步骤：
S1、资料收集，包括水系资料、地理地形资料、污染源分布资料、常规监测资料、野外水量水质同步监测资料、水工建筑物资料、水文资料；
S2、根据常规监测资料中的水质历史监测数据进行水质评价，确定主要污染物；
S3、根据步骤S1收集的资料，构建河网一维水动力-水质耦合模型；
S4、基于模型，根据调度模式、引水流量的不同针对河网水系制定不同的调水引流方案，并利用上述模型对各个调水引流方案的水动力和水质进行模拟，并根据水动力和水质的改善效果，得出较优调水引流方案。
S5、于模型中，基于污染源的削减，针对主要污染物进行分析，于上述的较优调水引流方案中，确定水量水质优化调控方案。


2.根据权利要求1所述的一种基于未完全截污条件下的平原河网水量水质优化调控方法，其特征在于，所述步骤S2中主要污染物的确定，为根据整体超标率较高的水质因子作为主要污染物，包括CODMn、氨氮、总磷。


3.根据权利要求1所述的一种基于未完全截污条件下的平原河网水量水质优化调控方法，其特征在于，所述步骤S3中的一维水动力-水质耦合模型中的计算河网水动力的方程为圣维南方程组，离散解法采用Abbott-Ionescu六点隐式中心差分格式，计算采用追赶法；
圣维南方程组，如下式：



上式中，Q为流量，m3/s；x，t分别为沿水流方向空间坐标和时间坐标，m，s；BW为调蓄宽度，m；Z为水位，m；q为旁侧入流流量，m3/s；u为断面平均流速，m/s；g为重力加速度，m2/s；A为主槽过水断面面积，m2；B为主流断面宽度，m；n为河道糙率；R为水力半径，m。


4.根据权利要求1所述的一种基于未完全截污条件下的平原河网水量水质优化调控方法，其特征在于，所述步骤S3中的一维水动力-水质耦合模型中的计算河网水质的方程采用质量守恒定律的污染物对流扩散方程，在对方程求解时，时间项采用向前差分的方式，对流项采用上风格式求解，扩散项采用中心差分格式；方程如下式：



(其中Sc＝KdAC)



式中：Q，Z为流量及水位，m3/s，m；A为河道面积，m2；Ex为纵向分散系数，m2/s；C为水流输送的物质浓度，mg/L；Ω为河道叉点-节点的水面面积，m2；j，I为节点编号以及与该节点相联接的河道编号；Sc为与输送物质浓度有关的衰减项；Kd为衰减因子；S为外部的源或汇项。

【专利技术属性】
技术研发人员：李一平，潘泓哲，魏蓥蓥，程月，程一鑫，朱雅，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32