一种河流突发性水污染分析与风险图编制方法技术

本发明专利技术涉及一种河流突发性水污染分析与风险图编制方法，其特征在于：所述分析方法的步骤为：1)突发性水污染情景设定；2)建立水动力水质耦合模型；3)模拟结果分析；4)水污染风险图绘制。本发明专利技术方法集风险源识别，数值模拟及事故预警为一体，精确地模拟了水污染指标如区域受影响的时间及污染团到达特定断面的时间，为水环境管理者制定应急预案及事故后处理提供技术支持。

A method of analysis and risk map compilation of river sudden water pollution

【技术实现步骤摘要】
一种河流突发性水污染分析与风险图编制方法
本专利技术属于水环境的应急防灾领域，具体涉及一种河流突发性水污染分析与风险图编制方法。
技术介绍
随着社会经济的不断发展，城市规划建设的进程不断加快，我国的水环境问题日益恶化，尤其是突发性水污染事件频现，对水环境和供水系统造成了严重、恶劣的影响。由于突发性水污染事故具有不确定性，事故预测和风险规避有一定的难度，且事故一旦发生，影响范围极广，危害极大。因此，建立完善的突发性水污染状况的应急体系，完成水污染风险图的绘制成为水污染应急防治亟待解决的重点问题。突发性水污染问题具有事故发生的不确定性、危害的紧急性、影响的长期性等特点，现有研究主要通过风险源识别与评价、建立水质模型、水污染预警等方法来模拟事故发生的过程及危害，取得了一定成果，但也存在一定的局限性：①传统的数值模拟研究重点关注浓度的变化，对其他水污染指标如区域受影响的时间及污染团到达特定断面的时间关注较少，应急预案的实施效率较低；②一维水质模型不能反映污染物横向的浓度分布，且模拟的精度不足；③以往绘制的污染风险图中包含信息不全面，不规范，且可视化效果较差。本专利技术将针对以上问题，提供一种基于一、二维水动力水质耦合模型的丰、枯水时期的河流突发性水污染的模拟分析与风险图编制方法。通过对公开专利文献的检索，并未发现与本专利申请相似的公开专利文献。
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，，提供一种河流突发性水污染分析与风险图编制方法，该方法集风险源识别，数值模拟及事故预警为一体，精确地模拟了水污染指标如区域受影响的时间及污染团到达特定断面的时间，为水环境管理者制定应急预案及事故后处理提供技术支持；绘制的水污染风险图能够实现水污染信息的可视化，提升我国水污染风险管理水平，促进我国水环境治理和生态文明建设。本专利技术解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：一种河流突发性水污染分析与风险图编制方法，其特征在于：所述方法的步骤为：1)突发性水污染情景设定：根据对突发性水污染特点及影响分析，设定两种突发性水污染事件，分别为企业污水泄露和交通运输事故，研究水域为河流干流；2)建立水动力水质耦合模型：水质模型用于模拟污染物在水体中迁移、扩散及衰减转化过程，运用一、二维模型对步骤1)中的情景进行模拟，分析河道水污染风险；一维水动力水质模型水动力基本方程为：水质模型基本方程为：其中：C为整个断面的平均浓度，单位为mg/m3；Q为流量，单位为m3/s；A为过水断面面积，单位为m2；u为断面平均流速，单位为m/s；D为纵向弥散系数，单位为m2/s；S为各种源和漏的代数和；b)二维水动力水质模型水流连续方程为：水流动量方程为：其中：t为时间；x、y为空间坐标系；η为水位；h为静止水深；u为X方向的流速；v为Y方向的流速；pa为当地气压；ρ为水密度；ρ0为参考水密度；f为科里奥利参量；Txx、Txy、Tyx、Tyy为水平粘滞应力；Isx、Ibx、Ixy、Iby为水流切应力分量；us、vs为源汇项水流流速；水质模型基本方程为：其中：C为污染物的浓度，单位为mg/l；t为时间，单位为d；ux、uy分别为x、y方向的水流速度，单位为m/s；Dx、Dy分别为x、y方向的扩散(离散)系数，m2/s；K为污染物的降解速率常数，单位为s-1；为△t时间内，由于流速引起污染物在x、y方向的浓度变化；为由于紊动扩散引起的污染物在x、y方向的浓度变化；3)模拟结果分析：a)一维模拟结果分析：①取水口污染物分析：河流干流沿岸一般分布着大量的取水口，在假定污染源位置的前提下，根据一维水动力水质耦合模型模拟各取水口的浓度变化过程线；根据《农田灌溉水质标准》GB5084-2005规范中对农田灌溉用水水质基本控制项目浓度的规定，化学需氧量对于水作作物应小于150mg/l，旱作作物要控制在200mg/l以内。本专利技术约定当取水口处COD浓度首次达到150mg/l的时间为污染物到达时间，当取水口处COD浓度下降到小于150mg/l的时刻与到达时刻的时间差，即为影响时间；②河道污染风险分析：根据《地表水环境质量标准》中对水质类别的划分，Ⅰ类、Ⅱ类水中COD的浓度小于15mg/l、Ⅲ类水COD浓度介于15mg/l-20mg/l之间，Ⅳ类水COD浓度介于20mg/l-30mg/l之间，Ⅴ类水中COD浓度介于30mg/l-40mg/l，大于40mg/l为劣Ⅴ类水；在设定突发性水污染事故的情景下，可以绘制不同位置不同时刻的COD浓度变化曲线；b)二维模拟结果分析：在设定突发性水污染事故的情景下，二维模型考虑了横向扩散，在水动力条件下，污染团沿着主河槽向下游迁移扩散，模拟污染物平面上的浓度分布，绘制不同位置不同时刻的COD浓度变化过程平面图；4)水污染风险图绘制：参照洪水风险图的种类，将河流水污染风险图分为污染物浓度分布图、污染物到达时间图、影响时间图等三类，并在其上叠加监测站网、污染源、取水工程信息及水源地分布等信息；将计算得到的污染物浓度分布、污染物到达时间及污染物影响时间矢量化，与其他的矢量图层叠加，最后还要对图中的符号、文字及颜色等进行设计、渲染；(1)一维结果的矢量化：模拟计算的结果以沿程断面浓度变化的形式表征污染物的扩散及传输规律，提取不同断面的污染物最大浓度及不同时刻的浓度，并认为浓度沿河道中心线分布；经过差值加密的断面与河道中心线矢量图层叠加，并给各个交点赋予浓度值。结合浓度分级标准，以浓度值字段为对象，将浓度值进行分级，并与河道面矢量图层叠加，分级赋予不同的颜色，形成最大浓度的空间分布图及不同时刻的污染物浓度分布图；根据模拟的结果分析各个河道断面受到污染的起始时刻，并按照一定的间隔将时间分级，在GIS中处理河道图层shp，按照分级点的控制距离将不同的时间类别赋予不同的颜色，即得到到达时间分布图层。影响时间分布层的处理方法与到达时间处理方法相同；(2)二维结果的矢量化：二维模拟结果存储在沿河道分布的网格中，每个网格点按照时间序列存储了该点的空间位置信息和污染物的浓度值；根据网格的坐标信息，创建空间矢量图层；污染物浓度分布是空间中的连续场，为了实现污染物浓度扩散的连续二维场，在GIS中对浓度矢量图层进行IDW差值处理，按照分级标准将不同的分级赋予不同的颜色，即得到污染物浓度分布矢量图；通过C++编程，提取分析污染物的到达时间及影响历时，以网格编号作为不同文件之间转换的连接的唯一属性，将分析提取的文件处理成与河道网格对应的矢量图层，最后按照分级标准，赋予不同的颜色，表征污染物影响的变化；(3)根据步骤3)中的一、二维模拟结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种河流突发性水污染分析与风险图编制方法，其特征在于：所述方法的步骤为：/n1)突发性水污染情景设定：根据对突发性水污染特点及影响分析，设定两种突发性水污染事件，分别为企业污水泄露和交通运输事故，研究水域为河流干流；/n2)建立水动力水质耦合模型：水质模型用于模拟污染物在水体中迁移、扩散及衰减转化过程，运用一、二维模型对步骤1)中的情景进行模拟，分析河道水污染风险；/na)一维水动力水质模型/n水动力基本方程为：/n

【技术特征摘要】
1.一种河流突发性水污染分析与风险图编制方法，其特征在于：所述方法的步骤为：
1)突发性水污染情景设定：根据对突发性水污染特点及影响分析，设定两种突发性水污染事件，分别为企业污水泄露和交通运输事故，研究水域为河流干流；
2)建立水动力水质耦合模型：水质模型用于模拟污染物在水体中迁移、扩散及衰减转化过程，运用一、二维模型对步骤1)中的情景进行模拟，分析河道水污染风险；
a)一维水动力水质模型
水动力基本方程为：






水质模型基本方程为：



其中：C为整个断面的平均浓度，单位为mg/m3；
Q为流量，单位为m3/s；
A为过水断面面积，单位为m2；
u为断面平均流速，单位为m/s；
D为纵向弥散系数，单位为m2/s；
S为各种源和漏的代数和；
b)二维水动力水质模型
水流连续方程为：



水流动量方程为：







其中：t为时间；
x、y为空间坐标系；
η为水位；
h为静止水深；
u为X方向的流速；
v为Y方向的流速；
pa为当地气压；
ρ为水密度；
ρ0为参考水密度；
f为科里奥利参量；
Txx、Txy、Tyx、Tyy为水平粘滞应力；
Isx、Ibx、Ixy、Iby为水流切应力分量；
us、vs为源汇项水流流速；
水质模型基本方程为：



其中：C为污染物的浓度，单位为mg/l；
t为时间，单位为d；
ux、uy分别为x、y方向的水流速度，单位为m/s；
Dx、Dy分别为x、y方向的扩散(离散)系数，m2/s；
K为污染物的降解速率常数，单位为s-1；

为△t时间内，由于流速引起污染物在x、y方向的浓度变化；

为由于紊动扩散引起的污染物在x、y方向的浓度变化；
3)模拟结果分析：
a)一维模拟结果分析：
①取水口污染物分析：河流干流沿岸一般分布着大量的取水口，在假定污染源位置的前提下，根据一维水动力水质耦合模型模拟各取水口的浓度变化过程线；
根据《农田灌溉水质标准》GB5084-2005规范中对农田灌溉用水水质基本控制项目浓度的规定，化学需氧量对于水作作物应小于150mg/l，旱作作物要控制在200mg/l以内。本发明约定当取水口处COD浓度首次达到150mg/l的时间为污染物到达时间，当取水口处COD浓度下降到小于150mg/l的时刻与到达时刻的时间差，即为影响时间；
②河道污染风险分析：根据《地表水环境质量标准》中对水质类别的划分，Ⅰ类、Ⅱ类水中COD的浓度小于15mg/l、Ⅲ类水COD浓度介于15mg/l-20mg/l之间，...

【专利技术属性】
技术研发人员：苑希民，王秀杰，王艳鹏，封桂敏，徐奎，田福昌，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12