基于长膜泥沙的水体元素迁移扩散的分析方法技术

本发明专利技术提供了一种基于长膜泥沙的水体元素迁移扩散的分析方法，其包括提供长膜泥沙饱和吸附量计算项数和计算系数以及长膜泥沙生物膜的生长时间，计算长膜泥沙的饱和吸附量；利用水体元素浓度、扩散系数、水力要素以及所述长膜泥沙的饱和吸附量计算水体元素的迁移扩散规律。基于该方法所建立的水沙水质模型系统，涵盖了水位流量预报、河道演进、长膜泥沙吸附水体元素及其迁移扩散等模拟功能，具有功能齐全，方便实用的特点。

【技术实现步骤摘要】
基于长膜泥沙的水体元素迁移扩散的分析方法
本专利技术涉及水利工程
，具体涉及一种基于长膜泥沙的水体元素迁移扩散的分析方法。
技术介绍
悬浮泥沙是水沙环境系统中元素迁移扩散的主要载体，了解粘性泥沙的吸附特性对掌握水体元素形态及其迁移和转化规律具有重要意义。目前常用的计算含沙水流水质情况的水力学工具尚不足以描述泥沙吸附动力学。然而水体中细颗粒泥沙和水体元素的界面效应非常强烈，并且由于细颗粒泥沙在移动泥沙中占有较大的比重，它对水体元素的迁移扩散有着重要的影响，甚至起着决定性的作用。因此应更加重视水沙环境模型的研究。但也存在一个难点：水沙环境系统中元素的迁移扩散包括物理、化学和生物过程，但是大多数基于水动力学模型的水质模拟方法在数学公式中只考虑了化学和物理过程的影响，很少对生物过程的影响进行量化。并且由于缺乏对泥沙与水体元素相互作用机理的深入研究，这些模型的参数主要是通过经验方法来确定。此外，吸附平衡关系常常被用来简化模型，即假设水体元素在泥沙上的吸附是瞬时的，这与实际情况不符。由于生物和环境因素(如微生物和生物膜)在水相和泥沙颗粒相的分布随着时间和空间而变化，水体元素的释放速率也会随着时间和空间的变化而变化。综上，为了更好的开展水体元素的迁移扩散和挟沙水流水质数学模型的研究，十分有必要提高生物过程影响下泥沙对水体元素的吸附解吸和扩散输移的模拟精度。受表面生物膜的影响，长有生物膜的粘性泥沙具有不同于纯矿物泥沙颗粒的吸附行为。虽然已有许多吸附动力学方程用于泥沙输移研究，但是对于长膜泥沙吸附特性的定量化研究却十分有限。然而，长膜泥沙的吸附动力学方程对于结合新的环境问题来模拟泥沙运动力学和环境水力学是非常重要的，需要用表达式来定量描述长膜泥沙的吸附特性，以更准确地描述其吸附行为。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种基于长膜泥沙的水体元素迁移扩散的分析方法，其可以用表达式来定量描述长膜泥沙的吸附特性，能够更准确地描述其吸附行为。本专利技术的第一方面提供了一种基于长膜泥沙的水体元素迁移扩散的分析方法，其包括：步骤D：提供长膜泥沙饱和吸附量计算项数和计算系数以及长膜泥沙生物膜的生长时间，计算长膜泥沙的饱和吸附量；步骤E：利用水体元素浓度、扩散系数、水力要素以及步骤D所得的所述长膜泥沙的饱和吸附量计算水体元素的迁移扩散规律。根据本专利技术的一些实施方式，所述长膜泥沙饱和吸附量计算项数和计算系数、水体元素浓度以及扩散系数由具体的水体环境给定。根据本专利技术的一些实施方式，所述水力要素通过提供的初始河道断面资料、上游边界条件、下游边界条件及河道糙率计算得到。根据本专利技术的一些实施方式，所述水体元素选自水体中的非金属元素和金属离子中的一种或几种。根据本专利技术的一些实施方式，所述水体元素选自磷元素、氮元素、硫元素、铜离子、锌离子和铅离子中的一种或几种。根据本专利技术的一些实施方式，所述扩散系数包括纵向弥散系数、吸附和解吸速率系数。根据本专利技术的一些实施方式，所述水力要素包括断面平均水流流速。根据本专利技术的一些实施方式，所述长膜泥沙的饱和吸附量Sm采用式(8)进行计算：式(8)中，tB为生物膜的生长时间；n为项数，k0、ki、kj皆为无量纲计算系数，均由具体水体环境给定。根据本专利技术的一些实施方式，将所述式(8)代入式(7)计算得到长膜泥沙对水体元素的吸附速率：式(7)中，N为单位质量长膜泥沙对元素的吸附量，t为时间，k1和k2分别是吸附和解吸速率系数，C为水体元素浓度，Sm为长膜泥沙的饱和吸附量。根据本专利技术的一些实施方式，将所述式(7)计算的结果代入式(6)计算得到水体元素的迁移扩散规律：式(6)中，C为水体元素浓度，t为时间，u为断面平均水流流速，x为断面间河段长度，A为过水断面面积，Dx是纵向弥散系数，S为悬移质断面平均含沙量，N为单位质量泥沙对元素的吸附量。根据本专利技术的一些实施方式，所述水体元素为磷元素时，所述长膜泥沙的饱和吸附量Sm采用式(13)进行计算：式(13)中，tB为生物膜的生长时间。在第二方面，本专利技术提供了一种基于长膜泥沙的水沙动力学模拟方法，其包括如下步骤A、步骤B和步骤C以及根据第一方面所述的分析方法中的步骤D和步骤E：步骤A：提供初始河道断面资料、上游边界条件、下游边界条件及河道糙率，计算出断面的水力要素，进而得到整个河道的水力要素分布；步骤B：利用步骤A所得的水力要素计算出水体紊动剪切速率，根据步骤B所得的所述水体紊动剪切速率和测定的水质参数计算出悬移长膜泥沙生物絮凝体的特征数据；步骤C：利用上游来沙过程、所述步骤A所得的水力要素、所述步骤B所得的悬移长膜泥沙生物絮凝体的特征数据计算出相应断面长膜泥沙的冲刷淤积及运动输移，进而得到冲淤之后的河道断面情况。根据本专利技术的一些实施方式，在相应的时间节点上，重复步骤A-步骤E直到完成整个时段的计算，模拟河道水沙水质输移的全过程，给出河道水体元素的浓度分布和迁移扩散规律。在本专利技术中，所述河道冲淤的全过程包括河道的河床高程、河道的断面形状、河道断面的平均挟沙量、河道断面的平均含沙量以及泥沙的起动沉降等。在一些优选的实施方式中，所述河道冲淤全过程包括河道的河床高程和河道的断面形状。根据本专利技术的一些实施方式，所述水力要素包括流量、流速、水位和水深。根据本专利技术的一些实施方式，所述水质参数包括水体营养浓度、生物膜最大指定生长速率、营养物质的半饱和浓度、悬移长膜泥沙生物絮凝体携带生物膜的能力系数、生物絮凝计算系数和破坏计算系数。根据本专利技术的一些实施方式，所述悬移长膜泥沙生物絮凝体分为悬移泥沙和悬移生物膜两部分，并引入分形维数理论。根据本专利技术的一些实施方式，所述悬移长膜泥沙生物絮凝体的特征数据包括悬移长膜泥沙生物絮凝体的粒径、密度、组成和结构中的至少一种。在一个具体实施方式中，根据方程求出所述悬移长膜泥沙生物絮凝体的粒径L，其中，V为所述悬移长膜泥沙生物絮凝体的总体积，d为所述悬移长膜泥沙生物絮凝体的分形维数，LP为所述悬移长膜泥沙生物絮凝体中的所述悬移泥沙的泥沙颗粒的粒径，是所述悬移长膜泥沙生物絮凝体中的所述悬移泥沙的泥沙颗粒的体积；以及任选地，ρf＝ζρB+(1-ζ)ρS，其中，ρf为悬移长膜泥沙生物絮凝体的密度，ρB为所述悬移长膜泥沙生物絮凝体中的所述悬移生物膜的密度，ρS为所述悬移长膜泥沙生物絮凝体中的所述悬移泥沙的密度。在一个具体实施方式中，根据方程V＝VS+VB＝(1-ζ)V+ζV或求出所述悬移长膜泥沙生物絮凝体的总体积V；其中，VS为所述悬移长膜泥沙生物絮凝体中的所述悬移泥沙的总体积，VB为所述悬移长膜泥沙生物絮凝体中的所述悬移生物膜的总体积，ζ表示所述悬移长膜泥沙生物絮凝体中的所述悬移生物膜的体积含量，且ζ＝VB/V，(1-ζ)表示所述悬移长膜泥沙生物絮凝体中的所述悬移泥沙的体积含量，t为时间。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于长膜泥沙的水体元素迁移扩散的分析方法，其包括：/n步骤D：提供长膜泥沙饱和吸附量计算项数和计算系数以及长膜泥沙生物膜的生长时间，计算长膜泥沙的饱和吸附量；/n步骤E：利用水体元素浓度、扩散系数、水力要素以及步骤D所得的所述长膜泥沙的饱和吸附量计算水体元素的迁移扩散规律。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于长膜泥沙的水体元素迁移扩散的分析方法，其包括：
步骤D：提供长膜泥沙饱和吸附量计算项数和计算系数以及长膜泥沙生物膜的生长时间，计算长膜泥沙的饱和吸附量；
步骤E：利用水体元素浓度、扩散系数、水力要素以及步骤D所得的所述长膜泥沙的饱和吸附量计算水体元素的迁移扩散规律。


2.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，所述长膜泥沙饱和吸附量计算项数和计算系数、水体元素浓度以及扩散系数由具体的水体环境给定；所述水力要素通过提供的初始河道断面资料、上游边界条件、下游边界条件及河道糙率计算得到。


3.根据权利要求1或2所述的分析方法，其特征在于，所述水体元素选自水体中的非金属元素和金属离子中的一种或几种；优选选自磷元素、氮元素、硫元素、铜离子、锌离子和铅离子中的一种或几种；
和/或所述扩散系数包括纵向弥散系数、吸附和解吸速率系数，
和/或所述水力要素包括断面平均水流流速。


4.根据权利要求1-3中任一项所述的分析方法，其特征在于，所述长膜泥沙的饱和吸附量Sm采用式(8)进行计算：



式(8)中，tB为生物膜的生长时间；n为项数，k0、ki、kj皆为无量纲计算系数，均由具体水体环境给定。


5.根据权利要求4所述的分析方法，其特征在于，将所述式(8)代入式(7)计算得到长膜泥沙对水体元素的吸附速率：



式(7)中，N为单位质量长膜泥沙对元素的吸附量，t为时间，k1和k2分别是吸附和解吸速率系数，C为水体元素浓度，Sm为长膜泥沙的饱和吸附量。


6.根据权利要求5所述的分析方法，其特征在于，将所述式(7)计算的结果代入式(6)计算得到水体元素的迁移扩散规律：



式(6)中，C为水体元素浓度，t为时间，u为断面平均水流流速，x为断面间河段长度，A为过水断面面积，Dx是纵向弥散系数，S为悬移质断面平均含沙量，N为单位质量泥...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵慧明，张岳峰，汤立群，王崇浩，郭传胜，刘大滨，刘冰，张立红，冯浩川，王玉海，王小红，高晓薇，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11