基于可溶性污染物在水环境中输移扩散模型的评估方法技术

本发明专利技术涉及基于可溶性污染物在水环境中输移扩散模型的评估方法，以圣维南方程和一维对流扩散方程为基础，设置汊点连接，建立一维河网汊点模型，通过Preissmann四点隐式格式离散转化为线性方程组，基于三级联解法的思想，应用追赶法，求得污染物浓度时空变化的递推关系，带入初始、边界条件，将未知数集中到汊点上，运用超松弛迭代法求解汊点未知数，然后带入各单一直流河段分别求解。针对概化断面数据支撑不足的情况，本发明专利技术创新性地采用Google Earth遥感与图像处理技术相结合，设计合理可行的数据提取方法，得到基础数据，并通过水力学公式，计算河网模型必要的水力参数；关于参数率定方面，采用改进的Bayesian‑MCMC方法对模型的参数进行率定。

Evaluation method based on transport and diffusion model of soluble pollutants in water environment

【技术实现步骤摘要】
基于可溶性污染物在水环境中输移扩散模型的评估方法
本专利技术涉及水环境评估领域，尤其是一种一维河网水动力水质模型数据的获取方法及模型针对具体河流区域的实际应用。
技术介绍
水库是我国重要的淡水资源，随着社会经济的发展和人口数量的增多，给我国水库资源安全带来了巨大压力，水污染层出不穷。水库上游地区的河流污染直接影响着库区的水质安全，因而研究库区上游区域河网的污染物迁移和转化规律，对水库的日常治理及水污染突发事件的决策处理有着十分重要的意义。随着CFD的兴起与高速发展，国内外对水动力水质模型研究的学者颇多，模型的理论研究及数值计算已趋于成熟，对于污染物在特定区域的河网水系统中的迁移和转换规律的模拟，多建立一维河网水动力水质模型，模型的求解需将整个河网系统划分为大量的概化断面，因而需要庞大的基础数据支撑。目前主流的方法是通过测量几个典型断面的实测数据，然后采用插值法获得全部断面的数据，而对于河道地形复杂的研究区域，建立监测站的成本太高，所以有实测数据的典型断面数量很少，结果导致插值得到数据与实际数据相差较大，使得模型的准确性不高。为解决这一难题，卢敏等人提出一种利用GoogleEarth遥感影像提取河流多期水面宽度，结合实测最大水深获取河流概化断面参数的方法，并分别用概化断面和实测断面在MIKE11下构建少资料河流一维水动力水质模型，对两种断面模型的计算结果进行对比分析。但只应用GoogleEarth遥感影像，提取的信息有限。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种设计合理、计算精确、应用广泛的基于可溶性污染物在水环境中输移扩散模型的评估方法。为实现上述目的，采用了以下技术方案：本专利技术所述方法包括以下步骤：S1，数据收集，基于公共部门提供、查阅文献资料、实地勘测得到的部分实测数据，采用GoogleEarth遥感技术和图像处理技术，设计基础数据提取方法；计算得到河道宽度、断面间距、河床海拔、河道形状、糙率、水深等基础数据，通过水力学相关的计算公式，分别计算湿周、流量、流量模数、断面面积、水位、水力半径、水力坡度等必要水力参数，为一维河网水动力水质模型提供数据支撑；S2，应用系统工程的设计思想，将整个流域概化为一个由单一河段和汊点组成的系统，把上游河流化分为主干流和支流，并通过汊点连接；本专利技术以桃林口水库上游河流流域为案例分析，进行河网系统的设计和模拟计算。桃林口位于温带大陆性季风区，降水主要集中在7、8两个月，上游河流以青龙河水系为主，除主干河流(青龙河)和几大支流外，其他河流的经流量均小于10m3/s，而且河流的径流量集中于汛期7、8月，其他时间段内流量较小，甚至出现断流的情况。为简化问题，研究主要矛盾，本专利技术根据上游流域特点，忽略其他细小河流的影响，只选择汛期的青龙河主干道及4条径流量较大的支流作为主要的河流研究对象，将流域中的河流概化为9个河段和4个汊点，然后分别建立河段结构体和汊点结构体，通过汊点连接机制连接，进行河网系统的构建。并在每条河段选取多个典型断面(如图4)，在此基础上，运用分段样条插值，细化河段的划分。为满足伯努利方程的微分性质，本专利技术取500m的断面间距。S3，运用欧拉法，将河段划分为多个研究断面，建立一维河网水动力模型对上游河流的水动力条件进行模拟，进而建立与水动力特性相对应的污染输移物扩散(水质)模型，计算污染输移物扩散的过程；S4，一维河网水动力水质模型的求解，采用Preissmann四点隐式格式将河网中每条单一河段的水动力水质模型的控制方程离散为差分方程，并整理成线性方程组，通过汊点条件进行衔接；基于基础数据与河流的自然条件，确定各河段的初始和边界条件。基于三级联解法的思想，运用追赶法，求得各断面污染物浓度的时空递推关系，将各河段的未知数集中在汊点上，根据汊点连接条件即汊点边界条件形成封闭的汊点方程组，应用超松弛迭代法求解此方程组，然后回代到单一河段中，最终得到各断面的河流流量、水位和污染物浓度等结果；S5，模型参数率定，采用改进的Bayesian-MCMC方法，将模型参数的率定问题视为贝叶斯估计问题，根据有限差分方法和贝叶斯推理得到参数的后验概率密度函数，通过改进的Metropolis-Hastings抽样方法得到合理的参数值，提高模型的针对性和准确性。进一步的，在步骤S1中，利用GoogleEarth遥感技术，获取河道两个相邻断面间的周边卫星遥感地图，并基于图像处理技术，对遥感地图进行灰度化、去燥、滤波等操作后，得到图像的二值化矩阵；(见图3)其中，f(xi,xj)为坐标为(xi,yj)的像素点的灰度值；首先，进行阈值调试和连通性检验，保留最大连通分支Ψmax(本专利技术案例为最大连通分支，可根据具体的实际情况进行合理的调整)的同时，合理设置阈值m0和M0，使得当f(xi,xj)∈[m0,M0]∩f(xi,xj)∈Ψmax时，像素点(xi,xj)在河流集合H＝{f1,f2,f3,...,fs,}中；然后将提取的河流集合H与原图的河流进行相似度判断，如果满足相似度判断，输出集合H，如果不满足相似度判断，继续调整阈值m0和M0或对二值图像进行开闭运算等形态学操作，扩大、减小集合H，重复上述步骤，多次迭代，直到满足相似度判断，最终得到准确的河流集合H；(1)河道宽度提取在河流的像素点集合H中研究断面的河宽坐标，计算该河段第k个断面附近20组河宽的像素距离Dxk(20)，通过数据齐全的断面建立像素距离和实际距离之间的比例尺，计算该20组河宽的实际距离，用其均值来代表断面处的水面宽度；(2)断面间距假设两个断面间河流的河岸长度近似为断面间距，基于DFS算法思想，设置优先搜索方向和末断面坐标(搜索路径从首断面河岸点开始，当横坐标到达末断面时，搜索结束)，按照特定的搜索方向提取河岸的像素点集P＝{p1,p2,...,pl}，通过比例尺，计算断面的间距；(3)河床海拔在GoogleEarth7.3版本中，有记录地形海拔的功能，在断面附近提取20组河道的海拔高度，用均值代替断面处的河床海拔；(4)河道形状将河道概化为抛物线与等腰梯形的连接，利用GoogleEarth遥感影像，提取的枯水期和丰水期的水面宽度并结合结合枯水期和丰水期的最大水深，通过插值拟合，即可得到各断面形状概化方程；(5)糙率糙率是影响水体动态特征的重要指标，天然山区河流河道糙率一般介于0.025～0.035之间，建立专家评价方法，以m个在糙率测量和水力计算等方面有相当经验的专家组成评价小组组，根据GoogleEarth遥感影像为断面处的糙率进行打分，得分记为nik,i＝1,2,...,m，并根据专家的权威性，得到专家的权值向量P＝(p1,p2,...,pm)，由计算式得到专家评价下的糙率然后通过实测断面的糙率插值得到的第k个断面的糙率为最后通过计算式计算的第k个断面的糙率，其中θ为专家的置信系数；(6)水深以第k本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于可溶性污染物在水环境中输移扩散模型的评估方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：/nS1，数据收集，基于公共部门提供、查阅文献资料、实地勘测得到的部分实测数据，采用Google Earth遥感技术和图像处理技术，设计基础数据提取方法；/n计算得到各过水断面河道宽度、断面间距、河床海拔、河道形状、糙率、水深等基础数据，通过水力学相关计算公式，分别计算湿周、流量、流量模数、断面面积、水位、水力半径、水力坡度等必要水力参数，为一维河网水动力水质模型提供数据支撑；/nS2，应用系统工程的设计思想，将整个流域概化为一个由单一河段和汊点组成的系统，把上游河流化分为主干流和支流，并通过汊点连接；/nS3，运用欧拉法，将河段划分为多个研究断面，建立一维河网水动力模型对上游河流的水动力条件进行模拟，进而建立与水动力特性相对应的污染输移物扩散模型，计算污染输移物扩散的过程；/nS4，一维河网水动力水质模型的求解，采用Preissmann四点隐式格式将河网中每条单一河段水动力水质模型的控制方程离散为差分方程，并整理成线性方程组，通过汊点条件进行衔接；/n根据基础数据与河流的自然条件，确定各河段的初始和边界条件。基于三级联解法的思想，运用追赶法，求得各断面污染物浓度的时空递推关系，将各河段的未知数集中在汊点上，依据汊点连接条件即汊点边界条件形成封闭的汊点方程组，应用超松弛迭代法求解此方程组，然后回代到单一河段中，最终得到各断面的河流流量、水位和污染物浓度等结果；/nS5，模型参数率定，采用改进的Bayesian-MCMC方法，将模型参数的率定问题视为贝叶斯估计问题，根据有限差分方法和贝叶斯推理得到参数的后验概率密度函数，通过改进的Metropolis-Hastings抽样方法得到合理的参数值，提高模型的针对性和准确性。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于可溶性污染物在水环境中输移扩散模型的评估方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1，数据收集，基于公共部门提供、查阅文献资料、实地勘测得到的部分实测数据，采用GoogleEarth遥感技术和图像处理技术，设计基础数据提取方法；
计算得到各过水断面河道宽度、断面间距、河床海拔、河道形状、糙率、水深等基础数据，通过水力学相关计算公式，分别计算湿周、流量、流量模数、断面面积、水位、水力半径、水力坡度等必要水力参数，为一维河网水动力水质模型提供数据支撑；
S2，应用系统工程的设计思想，将整个流域概化为一个由单一河段和汊点组成的系统，把上游河流化分为主干流和支流，并通过汊点连接；
S3，运用欧拉法，将河段划分为多个研究断面，建立一维河网水动力模型对上游河流的水动力条件进行模拟，进而建立与水动力特性相对应的污染输移物扩散模型，计算污染输移物扩散的过程；
S4，一维河网水动力水质模型的求解，采用Preissmann四点隐式格式将河网中每条单一河段水动力水质模型的控制方程离散为差分方程，并整理成线性方程组，通过汊点条件进行衔接；
根据基础数据与河流的自然条件，确定各河段的初始和边界条件。基于三级联解法的思想，运用追赶法，求得各断面污染物浓度的时空递推关系，将各河段的未知数集中在汊点上，依据汊点连接条件即汊点边界条件形成封闭的汊点方程组，应用超松弛迭代法求解此方程组，然后回代到单一河段中，最终得到各断面的河流流量、水位和污染物浓度等结果；
S5，模型参数率定，采用改进的Bayesian-MCMC方法，将模型参数的率定问题视为贝叶斯估计问题，根据有限差分方法和贝叶斯推理得到参数的后验概率密度函数，通过改进的Metropolis-Hastings抽样方法得到合理的参数值，提高模型的针对性和准确性。


2.根据权利要求1所述的基于可溶性污染物在水环境中输移扩散模型的评估方法，其特征在于：步骤S1中，利用GoogleEarth遥感技术，获取河道两个相邻断面间的周边卫星遥感地图，并基于图像处理技术，对遥感地图进行灰度化、去燥、滤波操作后，得到图像的二值化矩阵；



其中，f(xi,xj)为坐标为(xi,yj)的像素点的灰度值；
首先，进行阈值调试和连通性检验，保留最大连通分支Ψmax的同时，合理设置阈值m0和M0，使得当f(xi,xj)∈[m0,M0]∩f(xi,xj)∈Ψmax时，像素点(xi,xj)在河流集合H＝{f1,f2,f3,...,fs,}中；
然后将提取的河流集合H与原图的河流进行相似度判断，如果满足相似度判断，输出集合H，如果不满足相似度判断，继续调整阈值m0和M0或对二值图像进行插值、形态学开闭运算等操作，扩大、减小集合H，重复上述步骤，多次迭代，直到满足相似度判断，最终得到准确的河流集合H；
(1)河道宽度
提取在河流的像素点集合H中研究断面的河宽坐标，计算该河段第k个断面附近20组河宽的像素距离通过数据齐全的断面建立像素距离和实际距离之间的比例尺，计算该20组河宽的实际距离，用其均值来代表断面处的水面宽度；
(2)断面间距
假设两个断面间河流的河岸长度近似为断面间距，基于DFS算法思想，设置优先搜索方向和末断面坐标，按照特定的搜索方向提取河岸的像素点集P＝{p1,p2,...,pl}，通过比例尺，计算断面的间距；
(3)河床海拔
在GoogleEarth7.3版本中，在断面附近提取20组河道的海拔高度，用均值代替断面处的河床海拔；
(4)河道形状
将河道概化为抛物线与等腰梯形的连接，利用GoogleEarth遥感影像，提取的枯水期和丰水期的水面宽度并结合结合枯水期和丰水期的最大水深，通过插值拟合，即可得到各断面形状概化方程；
(5)糙率
糙率是影响水体动态特征的重要指标，天然山区河流河道糙率一般介于0.025～0.035之间，建立专家评价方法，以m个在糙率测量和水力计算等方面有相当经验的专家组成评价小组组，根据GoogleEarth遥感影像为断面处的糙率进行打分，得分记为nik,i＝1,2,...,m，并根据专家的权威性，得到专家的权值向量P＝(p1,p2,...,pm)，由计算式



得到专家评价下的糙率然后通过实测断面的糙率插值得到的第k个断面的糙率为最后通过计算式



计算的第k个断面的糙率，其中θ为专家的置信系数；
(6)水深
以第k个断面为例，在断面附近的河道中心区域、两个岸边分别提取20组河床的海拔高度，记为h0ik、hlik、hrik，i＝1,2,...,20，并由公式



近似计算第k个断面的水深


3.根据权利要求1所述的基于可溶性污染物在水环境中输移扩散模型的评估方法，其特征在于：在步骤S3中，一维河网水动力水质模型的建立：
针对河段部分，基于河流水体在河道流动过程中质量守恒和动量守恒与污染物的质量守恒，分别建立一维圣维南方程组和一维对流扩散方程；针对汊点部分，基于汊点处河流水体的质量守恒和能量守恒及污染物的质量守恒，分别建立水动力模型和水质模型的汊点连接条件；采用Preissmann四点加权隐式差分格式，将连续方程离散化；
一、河网水动力模型
(1)河网水动力控制方程
描述明渠非恒定流的一维圣维南方程组为：






式中，x和t分别为空间和时间坐标，z为水位，Q为过水流量，B为过水宽度，A为过水断面面积，K为流量模数，g为重力加速度，q1为旁侧入流流量；
(2)河网水动力方程离散
利用Preissmann四点加权隐式差分格式，将上述圣维南方程组离散得单一河段的差分方程组：
a1jΔQj+b1jΔzj+c1jΔQj+1+d1jΔzj+1＝e1j(7)
a2jΔQj+b2jΔzj...

【专利技术属性】
技术研发人员：张影，杨晓东，赵秋娜，
申请(专利权)人：燕山大学里仁学院，
类型：发明
国别省市：河北;13