用于水华防控的河道内生态环境需水量分析方法技术

本发明专利技术涉及用于水华防控的河道内生态环境需水量分析方法，包含步骤：设置采集点，获取水下地形数据、水文数据、水利工程数据、水质数据和水生态数据；构建河道水动力模型；构建水生态数值模型；计算采集点处水文边界条件；率定和验证河道水动力模型、水生态数值模型；将河道水动力模型的计算结果与水生态数值模型耦合，计算得到用于水华防控的河道内生态环境需水量。本发明专利技术利用水体自净能力，运用水力学法调水引流，通过外部工程的合理调度，防控水华的爆发，大幅减少了工作量和造价，易于实现；根据实时采集的数据动态调配水流量，大幅降低了实现周期，及时性高；有利于实现区域环境自治以及水资源的统一配置。

【技术实现步骤摘要】
用于水华防控的河道内生态环境需水量分析方法
本专利技术涉及水生态
，具体地涉及用于水华防控的河道内生态环境需水量分析方法。
技术介绍
随着流域内人口的增加，工农业生产的迅速发展，城镇大量工业废水、生活污水排放入湖，导致湖水的营养盐和有机质增加，湖泊富营养化进程加快，水资源的日益短缺，生态环境用水需求越来越受到相关专家学者的高度重视。近年来河道水质治理力度逐步加大，我国水体污染得到部分改善，但是蓝藻水华并没有得到有效控制，甚至出现部分时段较大面积水华事件，水华蓝藻总量显著增高，河道水华的治理仍然需要更多的关注与投入。目前国内外针对河道水华防控研究大多集中在评价方面，且已有的研究方向主要集中在环境事故的风险评估和应急处理等方面。关于水华的治理工作，多数是从管理制度角度入手，控制污水的排入，提升污水的处理效率，做好河道的生态修复，加强监控能力，把握水华变化。河道水华防控方法的现有技术主要方法有4大类：控制营养盐、直接去除藻类、生物调控和生态修复工程；此外也有少量建立一体化的流域污染源排放、水质自动监测和水华卫星遥感解译联合监测、预警、管理和决策平台。现有技术的的缺陷在于：(1)工作量大，造价高，不易实现；(2)实现周期过长，不能及时解决问题。
技术实现思路
本专利技术针对上述问题，提供用于水华防控的河道内生态环境需水量分析方法，其目的在于依靠河流自身能力，通过合理的调度，即可防控水华。为解决上述问题，本专利技术提供的技术方案为：一种用于水华防控的河道内生态环境需水量分析方法，包含以下步骤：S100.在河道内设置采集点，获取所述采集点处的水下地形数据、水文数据、水利工程数据、水质数据和水生态数据；S200.根据所述水下地形数据、所述水文数据和所述水利工程数据构建河道水动力模型；S300.根据所述水质数据和所述水生态数据构建水生态数值模型；所述水生态数值模型是针对藻类的动态模型，按下式表达：其中：Bx为藻类的藻类生物量；t是时间；Px是藻类的生产率；BMx是是藻类的基础代谢率；PRx是藻类的捕食率；WSx是藻类群的正沉降速度；WBx是藻类群的外部负荷；V是细胞体积；x为藻类的种类，x∈{蓝藻,硅藻,绿藻,大型藻类}；Z为沉降深度；所述水生态数值模型中的源汇项是：繁殖、基础代谢、捕食、沉降和外部负载；S400.计算所述采集点处的水文边界条件；S500.对所述河道水动力模型进行率定和验证；对所述水生态数值模型进行率定和验证；S600.将所述河道水动力模型的计算结果与所述水生态数值模型耦合，计算得到用于水华防控的河道内生态环境需水量。优选地，所述河道水动力模型包含基于正交曲线坐标系的连续性方程；所述连续性方程按下式表达：其中：ζ为参考平面以上的水位，是向量，其方向垂直于所述参考平面；所述参考平面表达为z＝0；d为所述参考平面以下的水深；ξ、η为正交曲线坐标系；u为沿正交曲线坐标系ξ轴方向的水平流速；v为沿正交曲线坐标系η轴方向的水平流速；Gξξ为水平直角坐标系和正交曲线坐标系ξ轴方向之间的转换系数；Gηη为水平直角坐标系和正交曲线坐标系η轴方向之间的转换系数；Q为单位面积上由于降水、蒸发、排水和引水因素引起的水量变化。优选地，所述Q按下式表达：其中：H为总水深；qin为单位体积上局部流入的水量；qout为单位体积上局部流出的水量；P为降水量；E为蒸发量；dσ为单位体积上局部流入水量和流出水量之差的微元长度。优选地，所述河道水动力模型包含基于正交曲线坐标系的动量方程；所述动量方程按下式表达：其中：u为ξ方向上的水平流速；v为η方向上的水平流速；ω为σ方向上的水平流速；f为柯氏力系数；ρ0为水体密度；Pξ为ξ方向上的静水压力梯度；Pη为η方向上的静水压力梯度；Fξ为ξ方向上的紊动动量通量；Fη为η方向上的紊动动量通量；Mξ为ξ方向上的源汇动量通量；Mη分别为η方向上的源汇动量通量；vV为紊动粘性系数。优选地，当所述采集点为无资料的测站，且上游或下游有水文控制站时，所述采集点处的水文边界条件按下式表达：其中：Qsj为上游或下游有水文控制站时所述采集点的流量；Qcz为参证采集点的流量；Asj为所述采集点的集雨面积；Acz为所述参证采集点的集雨面积；所述参证采集点为在所述采集点的上游或下游的水文控制站处设置的采集点。优选地，当所述采集点为无资料的测站，且上游和下游均有水文控制站时，所述采集点处的水文边界条件按下式表达：其中：Qp为上游和下游均有水文控制站时所述采集点的流量；为上游水文控制站的设计流量；为下游水文控制站的设计流量；A上为上游水文控制站的集雨面积；A下为下游水文控制站的集雨面积；A为断面面积。优选地，所述用于水华防控的河道内生态环境需水量采用断面通量法计算，按下式表达：其中：Qc为断面流量，当Qc满足上式时，即为所述用于水华防控的河道内生态环境需水量；C0为藻类密度；PMd为净生长率；WSd为死亡率；C1为藻类流入时的密度；C2为藻类流出时的密度；K为时段转换系数。优选地，所述时段转换系数按下式表达：其中：W为某一时间段内在水华发生断面流入、流出的通量；n为估算时段样品数；Cxi为藻类流入流出的密度。本专利技术与现有技术对比，具有以下优点：(1)由于本专利技术是利用水体的自净能力，运用水力学法调水引流，通过外部工程的合理调度，防控水华的爆发，从而大幅减少了工作量和造价，且易于实现；(2)由于本专利技术是根据实时采集的数据动态调配水流量，从而大幅降低了实现周期，及时性高。(3)由于本专利技术是基于河道分段管理实现，从而有利于实现区域环境自治以及水资源的统一配置。附图说明图1为本专利技术的具体实施例的流程示意图；图2a为本专利技术的具体实施例的对河道水动力模型黄家港断面的率定效果示意图；图2b为本专利技术的具体实施例的对河道水动力模型襄阳断面的率定效果示意图；图2c为本专利技术的具体实施例的对河道水动力模型皇庄断面的率定效果示意图；图2d为本专利技术的具体实施例的对河道水动力模型沙洋断面的率定效果示意图；图3a为本专利技术的具体实施例的对河道水动力模型黄家港断面的验证效果示意图；图3b为本专利技术的具体实施例的对河道水动力模型襄阳断面的验证效果示意图；图3c为本专利技术的具体实施例的对河道水动力模型皇庄断面的验证效果示意图；图3d为本专利技术的具体实施例的对河道水动力模型沙洋断面的验证效果示意图；图4为本专利技术的具体实施例的水生态数值模型的入流边界条件示意图。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐明本专利技术，应理解这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围，在阅读了本专利技术之后，本领域技术人员对本专利技术的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于水华防控的河道内生态环境需水量分析方法，其特征在于：包含以下步骤：/nS100.在河道内设置采集点，获取所述采集点处的水下地形数据、水文数据、水利工程数据、水质数据和水生态数据；/nS200.根据所述水下地形数据、所述水文数据和所述水利工程数据构建河道水动力模型；/nS300.根据所述水质数据和所述水生态数据构建水生态数值模型；/n所述水生态数值模型是针对藻类的动态模型，按下式表达：/n

【技术特征摘要】
1.一种用于水华防控的河道内生态环境需水量分析方法，其特征在于：包含以下步骤：
S100.在河道内设置采集点，获取所述采集点处的水下地形数据、水文数据、水利工程数据、水质数据和水生态数据；
S200.根据所述水下地形数据、所述水文数据和所述水利工程数据构建河道水动力模型；
S300.根据所述水质数据和所述水生态数据构建水生态数值模型；
所述水生态数值模型是针对藻类的动态模型，按下式表达：



其中：Bx为藻类的藻类生物量；t是时间；Px是藻类的生产率；BMx是是藻类的基础代谢率；PRx是藻类的捕食率；WSx是藻类群的正沉降速度；WBx是藻类群的外部负荷；V是细胞体积；x为藻类的种类，x∈{蓝藻,硅藻,绿藻,大型藻类}；Z为沉降深度；
所述水生态数值模型中的源汇项是：繁殖、基础代谢、捕食、沉降和外部负载；
S400.计算所述采集点处的水文边界条件；
S500.对所述河道水动力模型进行率定和验证；对所述水生态数值模型进行率定和验证；
S600.将所述河道水动力模型的计算结果与所述水生态数值模型耦合，计算得到用于水华防控的河道内生态环境需水量。


2.根据权利要求1所述的用于水华防控的河道内生态环境需水量分析方法，其特征在于：所述河道水动力模型包含基于正交曲线坐标系的连续性方程；所述连续性方程按下式表达：



其中：ζ为参考平面以上的水位，是向量，其方向垂直于所述参考平面；所述参考平面表达为z＝0；d为所述参考平面以下的水深；ξ、η为正交曲线坐标系；u为沿正交曲线坐标系ξ轴方向的水平流速；v为沿正交曲线坐标系η轴方向的水平流速；Gξξ为水平直角坐标系和正交曲线坐标系ξ轴方向之间的转换系数；Gηη为水平直角坐标系和正交曲线坐标系η轴方向之间的转换系数；Q为单位面积上由于降水、蒸发、排水和引水因素引起的水量变化。


3.根据权利要求2所述的用于水华防控的河道内生态环境需水量分析方法，其特征在于：所述Q按下式表达：



其中：H为总水深；qin为单位体积上局部流入的水量；qout为单位体积上局部流出的水量；P为降水量；E为蒸发量；dσ为单位体积上局部流入水量和流出水量之差的微元长度。


4.根据权利要求3所述的用于...

【专利技术属性】
技术研发人员：李瑞清，邹朝望，黎育红，孙媛媛，
申请(专利权)人：湖北省水利水电规划勘测设计院，
类型：发明
国别省市：湖北;42