一种基于动态水系连通度计算的城市水系水质改善方法技术

本发明专利技术公开了一种基于动态水系连通度计算的城市水系水质改善方法，属于水质改善领域，首先在于通过建立一维水动力‑水质模型，模拟水位、流量以及污染物质分布，根据水动力模拟结果，构建动态的河流网络，计算水系连通度，结合水系连通度评价指标以及污染物分布，按照水质要求制定水系调控方案；该方法和目前多数利用水系连通方法改善河网水系的连通性的方法相比，充分考虑了河网水系结构的时空特征，以及污染物质的分布状况，具有结合现实、易于操作、有实际应用价值的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于动态水系连通度计算的城市水系水质改善方法
本专利技术涉及水质改善领域，尤其涉及一种基于动态水系连通度计算的城市水系水质改善方法。
技术介绍
城市河网水系作为我国经济发展的重要支柱，也是水资源供需矛盾最为突出的区域。由于城市河流特殊的地理位置，容易被人类过度利用。随着城市的迅速发展，人口急剧扩张，导致城市河流水系的水环境恶化，严重影响到了城市河流自然和社会功能的发挥。城市水系河流网络水动力条件差、水质污染严重，容易造成水体发臭、水生态破坏。城市河道呈现出横断面单一、河道数量减少、城市河网水系结构主干化的趋势，水系连通性越来越弱。城市水生态建设、水环境改善、水安全保障对河湖水系的连通性提出了极大的需求。通过改变水系连通度来改善水质的关键问题为水系连通度的计算，目前针对河流水系连通度的计算方法将河网水系定义为静态的、一成不变的水系网络。此方法并不能动态展示连通性变化，在空间尺度上的河流分级以及连通性比较也不明显。《基于水流阻力与图论的河网连通性评价》(徐光来，2012)中通过加入水流阻力倒数来改进图论方法，运用水流阻力表表征水量交换。其中水流阻力倒数由河道断面和水深推导得出，没有模型模拟，因此不够准确。《基于改进图论和水文模拟的河网水系连通度计算方法》(高玉琴，2017)这篇专利中通过构造连通因子ωij将图论邻接矩阵与河网各节点处出现的流量极大值相耦合，生成改进邻接矩阵，运用HEC-HMS水文模型计算降雨、蒸发等水文过程对水量的影响，考虑了河流通道的承载能力。但是由于模型计算仅在静态的河网结构的节点位置加入最大流量特征，仍然无法动态展示河流水系连通度的时空变化。对于实际河网来说，河道“连而不通”情况普遍存在，进而引发了大量水体黑臭等水质问题，为了改善河道连通度，引入动态的河流水系连通度计算是很有必要的。目前通过水系连通方法进行水质改善主要有建设水动力控导工程，在现有工程体系下，充分利用活水水源，使城市河涌内的水体与外江水体充分交换，增加城市河涌与外江水体的连通性，从而改善水质。水动力控导工程利用潮汐作用进行水体交换可能会因为潮汐的顶托作用，导致污染物在河道内长期往复，滞留时间长，无法迁移和降解。以及《基于生态恢复目标的平原区城市河网水循环调控方法》(胡勇，2019)通过调控城市河网水系现有的闸、坝、泵等工程系统，优化现有工程体系调度。明确补水水源类型，包括城镇污水厂尾水、雨水调蓄池出水、外调水；按照现有水系连通情况，确定活水口门位置及补水量分配。而调控现有的工程体系的方法需要较好的工程条件。以上两种方法均无法展现出污染物质在河网水系中的时空分布特征，对工程条件要求过高，无法准确体现出变化的河网水系结构。
技术实现思路
本专利技术为解决上述问题，而提出的一种基于动态水系连通度计算的城市水系水质改善方法。为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：一种基于动态水系连通度计算的城市水系水质改善方法，包括如下步骤：S1：对城市河流网络基本情况进行调查；根据研究区域高程数据以及遥感影像图确定河网水系分布，调研河网水动力条件，调查河流横、纵断面、水闸、泵站位置、河网排污口位置及水量、污染物类型和浓度等污染源情况以及研究区域水质现状；S2：关键污染因子筛选；利用综合污染指数法对水质现状进行评价；针对水质问题，对监测断面的常规指标进行分析，识别造成水质不达标的关键污染因子；根据排污口位置以及关键污染因子分布，识别污染的主要河段；S3：构建一维水动力-水质模型；依据城市河流水系河道地形、水动力边界条件，构建研究区域一维水动力模型；模拟计算城市河流水系各河流的流量大小，得到河流流量时空分布情况；根据识别得到的关键污染因子、排污口位置，结合水动力模拟结果，构建水质模型，识别污染的主要河段；通过长时间序列的实测数据对模型进行模拟和验证，对模型进行参数率定；S4：建立城市河流水系网络结构；依据流量分级方法，以图论理论为基础建立描述河流拓扑结构的邻接矩阵；利用图论理论，将研究区域划分为节点和边链接，通过节点数、链接数、边长度表征各个节点的流出产出，从而进行网络分析，表示整个研究区域的变化，建立不同流量情景下的动态河流网络；S5：以水质改善为目标提出调控方案；从关键河段水质达标、水盐平衡角度出发，根据研究区域水系连通现状，提出调控方案，改善水系格局与连通性；依据优先原则以及就近原则，通过改变河流水系结构上的连接状况、不同的连接组数、增添廊道、河道清淤等，达到净化水质、抑制盐度的目标；通过情景分析法，构造不同连通度的河流水系网络，综合提出面向水质改善的整体调控方案；S6：评价不同调控方案下水质改善效果；通过水体交换能力的数学表征计算方法，定量分析改变连通度后的河流水系网络对于水质改善能力的变化。优选地，所述S2中的常规指标包括：TN、TP、溶解氧、盐度、电导率、氨氮、pH、COD和BOD。优选地，所述S2中采取主成分分析法，包括以下步骤：1、对数据进行标准化处理；其中，i＝1，2K，n，n为样本数，j＝1,2,K,p，p为样本中理化指标树木；2、计算数据的协方差矩阵R；3、求R的前m个特征值：λ1≥λ2≥λ3≥K≥λm，以及对应的特征向μ1,μ2,K,μm；4、求m个变量的因子载荷矩阵；优选地，所述S3中的一维水动力-水质模型原理：水动力模型将水流定义为不可压缩的一维均质流体，采用六点Abbott—Ionescu隐式差分格式，通过追赶法交替求解一维非恒定圣维南(Saint—Venant)方程组，计算得到河道的水位流量、流速等水力学数据，为污染物的扩散传输模拟提供计算基础，包括连续性方程和动量方程。连续性方程动量方程式中：Q为流量，m3/s；q为侧向入流，m3/s；A为过水面积，m2；h为水位，m；R为水力半径，m；C为谢才系数；α为动量修正系数。水质模型是基于溶解或悬浮物质的一维质量守恒方程，即对流-扩散方程。该模块要求水动力模块在时间和空间上输出流量和水位、横截面积和水力半径，采用隐式有限差分格式对对流-扩散方程进行数值求解。式中C为物质浓度，mg/L；D为纵向扩散系数，m2/s；A为横断面面积，m2；K为线性衰减系数，1/d；C2为源/汇浓度，mg/L；q为旁侧入流流量，m3/s。优选地，所述S4中的图论理论：将河网水系概化为图模型；其中，将水系汇合点、边界条件看作顶点(v1、v2、v3、v4)，河流水流通道看作悬挂边e1、边(e2、e4)或者多重边(e3、e5)，用邻接矩阵表示河网图R＝(rij)mn，rij是顶点vi和vj之间的关系；水系环度a：L为连接线数，N为节点个数(N≥3，N为整数)；a指数表示现有节点形成的环路的存在程度，数值在0～1之间变化，0表示水网中无环路，1表示具有最大环度；节点连接率β：L为连接线数，N为节点个数，β指数表示河网中每个节点和其他节点连接难易水平；<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于动态水系连通度计算的城市水系水质改善方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1：对城市河流网络基本情况进行调查；根据研究区域高程数据以及遥感影像图确定河网水系分布，调研河网水动力条件，调查河流横、纵断面、水闸、泵站位置、河网排污口位置及水量、污染物类型和浓度等污染源情况以及研究区域水质现状；/nS2：关键污染因子筛选；利用综合污染指数法对水质现状进行评价；针对水质问题，对监测断面的常规指标进行分析，识别造成水质不达标的关键污染因子；根据排污口位置以及关键污染因子分布，识别污染的主要河段；/nS3：构建一维水动力-水质模型；依据城市河流水系河道地形、水动力边界条件，构建研究区域一维水动力模型；模拟计算城市河流水系各河流的流量大小，得到河流流量时空分布情况；根据识别得到的关键污染因子、排污口位置，结合水动力模拟结果，构建水质模型，识别污染的主要河段；通过长时间序列的实测数据对模型进行模拟和验证，对模型进行参数率定；/nS4：建立城市河流水系网络结构；依据流量分级方法，以图论理论为基础建立描述河流拓扑结构的邻接矩阵；利用图论理论，将研究区域划分为节点和边链接，通过节点数、链接数、边长度表征各个节点的流出产出，从而进行网络分析，表示整个研究区域的变化，建立不同流量情景下的动态河流网络；/nS5：以水质改善为目标提出调控方案；从关键河段水质达标、水盐平衡角度出发，根据研究区域水系连通现状，提出调控方案，改善水系格局与连通性；依据优先原则以及就近原则，通过改变河流水系结构上的连接状况、不同的连接组数、增添廊道、河道清淤等，达到净化水质、抑制盐度的目标；通过情景分析法，构造不同连通度的河流水系网络，综合提出面向水质改善的整体调控方案；/nS6：评价不同调控方案下水质改善效果；通过水体交换能力的数学表征计算方法，定量分析改变连通度后的河流水系网络对于水质改善能力的变化。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于动态水系连通度计算的城市水系水质改善方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：对城市河流网络基本情况进行调查；根据研究区域高程数据以及遥感影像图确定河网水系分布，调研河网水动力条件，调查河流横、纵断面、水闸、泵站位置、河网排污口位置及水量、污染物类型和浓度等污染源情况以及研究区域水质现状；
S2：关键污染因子筛选；利用综合污染指数法对水质现状进行评价；针对水质问题，对监测断面的常规指标进行分析，识别造成水质不达标的关键污染因子；根据排污口位置以及关键污染因子分布，识别污染的主要河段；
S3：构建一维水动力-水质模型；依据城市河流水系河道地形、水动力边界条件，构建研究区域一维水动力模型；模拟计算城市河流水系各河流的流量大小，得到河流流量时空分布情况；根据识别得到的关键污染因子、排污口位置，结合水动力模拟结果，构建水质模型，识别污染的主要河段；通过长时间序列的实测数据对模型进行模拟和验证，对模型进行参数率定；
S4：建立城市河流水系网络结构；依据流量分级方法，以图论理论为基础建立描述河流拓扑结构的邻接矩阵；利用图论理论，将研究区域划分为节点和边链接，通过节点数、链接数、边长度表征各个节点的流出产出，从而进行网络分析，表示整个研究区域的变化，建立不同流量情景下的动态河流网络；
S5：以水质改善为目标提出调控方案；从关键河段水质达标、水盐平衡角度出发，根据研究区域水系连通现状，提出调控方案，改善水系格局与连通性；依据优先原则以及就近原则，通过改变河流水系结构上的连接状况、不同的连接组数、增添廊道、河道清淤等，达到净化水质、抑制盐度的目标；通过情景分析法，构造不同连通度的河流水系网络，综合提出面向水质改善的整体调控方案；
S6：评价不同调控方案下水质改善效果；通过水体交换能力的数学表征计算方法，定量分析改变连通度后的河流水系网络对于水质改善能力的变化。


2.根据权利要求1所述的一种基于动态水系连通度计算的城市水系水质改善方法，其特征在于：所述S2中的常规指标包括：TN、TP、溶解氧、盐度、电导率、氨氮、pH、COD和BOD。


3.根据权利要求1所述的一种基于动态水系连通度计算的城市水系水质改善方法，其特征在于：所述S2中采取主成分分析法，包括以下步骤：
1、对数据进行标准化处理；



其中，i＝1，2K，n，n为样本数，j＝1,2,K,p，p为样本中理化指标树木；
2、计算数据的协方差矩阵R...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨盈，艾丽莎，徐志豪，
申请(专利权)人：东莞理工学院，
类型：发明
国别省市：广东;44