一种河流衰减型污染物模拟方法
专利汇可以提供一种河流衰减型污染物模拟方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种河流衰减型污染物模拟方法，其基于 水 流运动方程和污染物输运方程，其特征在于：先设置模型相关的计算参数，输入地形资料及本时步的水动 力 和污染物浓度边界条件；根据河网地形资料，给定河道初始水位值；根据初始条件或上一时步的水位流量值，求河道方程系数；根据下游边界条件，算出每个计算断面的水位、流量；根据水流方程计算的结果，进一步计算各断面污染物浓度；时间层向前推进一步，直到模拟完成所有时段。本发明在准确模拟水动力参数前提下，模拟污染物的输移及转化，从而准确刻画污染物浓度沿河流方向的分布及随时间的变化过程，可适用于内陆大型河道衰减型污染物的模拟和预测，特别适用于突发水污染事件的预测预报。，下面是一种河流衰减型污染物模拟方法专利的具体信息内容。
1.一种河流衰减型污染物模拟方法，其基于水流运动方程和污染物输运方程，其特征在于：先设置模型相关的计算参数，输入地形资料及本时步的水动力和污染物浓度边界条件；根据河网地形资料，给定河道初始水位值；根据初始条件或上一时步的水位流量值，求河道方程系数；根据下游边界条件，算出每个计算断面的水位、流量；根据水流方程计算的结果，进一步计算各断面污染物浓度；时间层向前推进一步，直到模拟完成所有时段。
2.如权利要求1所述的河流衰减型污染物模拟方法，其特征在于，所述水流运动方程采用一维非恒定流控制方程组，所述一维非恒定流控制方程组由水流连续性方程和水流动量方程组成；所述污染物输运方程采用一维对流扩散方程；
所述水流连续性方程：
（1）；
所述水流动量方程为：
（2）；
所述一维污染物输运方程为：
（3）；
上述式（1）、（2）、（3）中，为流量(m3/s)；为过水断面面积(m2)；为水位(m)； 为河床平均高程(m)；为单宽旁侧入流（m2/s）；为断面平均水深(m)； 为沿河长方向的空间变量；为时间变量； 为重力加速度(m/s2)； 为动量修正系数； 为谢才系数， ；
为曼宁糙率系数；为水力半径(m)；为衰减型污染物浓度(kg/m3)；为纵向弥散系数（m2/s）；为衰减系数(1/s)；为旁侧入流（或点源的浓度）。
3.如权利要求2所述的河流衰减型污染物模拟方法，其特征在于，所述水流运动方程的离散格式采用Preissmann四点隐式差分格式，函数 及其时间和空间导数的离散公式为：
（4）；
（5）；
（6）；
将式（6）（8）带入上述式（1）（2），并整理，得到水流运动方程的差分表达式：
~ ~
（7）；
（8）；
其中，
， ，
， ，
，
带上标
的是未知量的初始值或者上一时间层的计算值，为河道断面数。
4.如权利要求3所述的河流衰减型污染物模拟方法，其特征在于，所述污染物输运方程采用隐式有限差分格式进行离散，即：
（9）；
对于范围界定的河流而言，所模拟的河流边界处均有水位站或水文站，其实测资料作为河网计算的边界条件，边界条件作为水位过程、流量过程或水位流量关系过程，统一写为：
（10）。
5.如权利要求4所述的河流衰减型污染物模拟方法，其特征在于，所述污染物输运方程的求解方法为由式（9）整理得到水流运动方程离散后的代数方程组：
（13）；
其中，
，
，
，
；
当j=2时，带入上游边界条件 ，则方程改写为：
，
，
当j=3，…，N-1时，
；
当j=N时，用传递边界作为下游的边界条件
，
则第N个方程为
，
，
，
形成了一个由N-1个方程组成的三对角矩阵，所述对角矩阵采用托马斯法求解：
即当j=2时，
，
当j=3，…，N-1时，
，
当j=N时，
，
由上述可知，对于n+1时间层，因为 ， ， ， 已知，可由 , 计算公式自j=1至N顺序计算出 ， ，…， ，再反过来自j=N至1逆序求得 ， ， 。
6.如权利要求5所述的河流衰减型污染物模拟方法，其特征在于，所述污染物输运方程包括以下求解程式：
①上游为水位边界条件有如下追赶方程
，
（11）；
式中
， ，
， ，
其中， ， ， ， ；
②上游为流量边界条件有如下追赶方程
，
（12）；
式（12）中
， ，
， ，
其中， ， ， ， ；
③上游为水流流量关系边界条件的处理
若外河道首断面给的边界条件为水位流量关系 ，将其处理为 ，
然后同流量边界条件一样建立追赶模式；
式中， ， 。
7.如权利要求6所述的河流衰减型污染物模拟方法，其特征在于，具体流程为：
（1）设置模型相关的计算参数即包括曼宁糙率参数、综合衰减系数和纵向弥散系数，输入地形资料和本时步的水动力和污染物浓度边界条件；
（2）根据河网地形资料，给定河道初始水位值，初始流量值设为0；
（3）根据初始条件或上一时步的水位流量值，求河道方程系数 、、、，实现“追赶”过程；
（4）根据下游边界条件，即末断面水位 取值为与之相连的节点水位，并根据（11）或（12）实现“回代”过程，得到每个计算断面的水位、流量；
（5）根据水流方程计算的结果，进一步依据计算程式（13）计算各断面污染物浓度；
（6）时间层向前推进一步，重复步骤（3）（5），直到模拟完成所有时段。
~
一种河流衰减型污染物模拟方法
技术领域
背景技术
发明内容
（1）；
所述水流动量方程为：
（2）；
所述一维污染物输运方程为：
（3）；
上述式（1）、（2）、（3）中，为流量(m3/s)；为过水断面面积(m2)；为水位(m)；为河床平均高程(m)；为单宽旁侧入流（m2/s）；为断面平均水深(m)；为沿河长方向的空间变量；
2
为时间变量；为重力加速度(m/s)；为动量修正系数；为谢才系数， ；为曼宁糙率系数；为水力半径(m)；为衰减型污染物浓度(kg/m3)；为纵向弥散系数（m2/s）；为衰减系数(1/s)； 为旁侧入流（或点源的浓度）。
（5）；
（6）；
将式（6）（8）带入上述式（1）（2），并整理，得到水流运动方程的差分表达式：
~ ~
（7）；
（8）；
其中，
， ，
， ，
，
带上标
的是未知量的初始值或者上一时间层的计算值，为河道断面数。
对于范围界定的河流而言，所模拟的河流边界处均有水位站或水文站，其实测资料作为河网计算的边界条件，边界条件作为水位过程、流量过程或水位流量关系过程，统一写为：
（10）。
其中，
，
，
，
；
当j=2时，带入上游边界条件 ，则方程改写为：
，
，
当j=3，…，N-1时，
；
当j=N时，用传递边界作为下游的边界条件
，
则第N个方程为
，
，
，
形成了一个由N-1个方程组成的三对角矩阵，所述对角矩阵采用托马斯法求解：
即当j=2时，
，
当j=3，…，N-1时，
，
当j=N时，
，
由上述可知，对于n+1时间层，因为 ， ， ， 已知，可由 , 计算公式自j=1至N顺序计算出 ， ，…， ，再反过来自j=N至1逆序求得 ， ， 。
，
（11）；
式中
， ，
， ，
其中， ， ， ， ；
②上游为流量边界条件有如下追赶方程
，
（12）；
式（12）中
， ，
， ，
其中， ， ， ， ；
③上游为水流流量关系边界条件的处理
若外河道首断面给的边界条件为水位流量关系 ，将其处理为
，然后同流量边界条件一样建立追赶模式；
式中， ， 。
（2）根据河网地形资料，给定河道初始水位值，初始流量值设为0；
（3）根据初始条件或上一时步的水位流量值，求河道方程系数 、、、，实现“追赶”过程；
（4）根据下游边界条件，即末断面水位 取值为与之相连的节点水位，并根据（11）或（12）实现“回代”过程，得到每个计算断面的水位、流量；
（5）根据水流方程计算的结果，进一步依据计算程式（13）计算各断面污染物浓度；
（6）时间层向前推进一步，重复步骤（3）（5），直到模拟完成所有时段。
~
图3为本发明河流衰减型污染物模拟方法的流程图。
具体实施方式
（1）；
上述水流动量方程：
（2）；
上述一维污染物输运方程：
（3）；
上述各式中，为流量(m3/s)；为过水断面面积(m2)；为水位(m)；为河床平均高程(m)；为单宽旁侧入流（m2/s）；为断面平均水深(m)；为沿河长方向的空间变量；为时间变量；为重力加速度(m/s2)；为动量修正系数；为谢才系数， ；为曼宁糙率系数；为水力半径(m)；为衰减型污染物浓度(kg/m3)；为纵向弥散系数（m2/s）；为衰减系数(1/s)； 为旁侧入流（或点源的浓度）。
（5）；
（6）；
将式（6）（8）带入式（1）（2），并整理，得到水流运动方程的差分表达式：
~ ~
（7）；
（8）；
其中，
， ，
， ，
，
带上标
的是未知量的初始值或者上一时间层的计算值。对计算河道的每个微段均可以写出上述差分方程，因此被称为“微段方程”，共可写出 个方程，为河道断面数。由于每个断面上有水位和流量两个未知数，因此变量总数为 ，结合两个边界条件，方程组是闭合的。
（10）；
由于水文站的测量数据不同，可建立如下三种“追赶法”求解程式：
①上游为水位边界条件有如下追赶方程：
，
（11）；
式中
， ，
， ，
其中， ， ， ， 。
（12）；
式中
， ，
， ，
其中， ， ， ， 。
，然后同流量边界条件一样建立追赶模式；
式中， ， 。
（13）；
其中，
，
，
，
；
当j=2时，带入上游边界条件 ，则方程改写为：
，
，
当j=3，…，N-1时，
；
当j=N时，用传递边界作为下游的边界条件
，
则第N个方程为
，
，
，
形成一个由N-1个方程组成的三对角矩阵，该对角矩阵可采用托马斯法（追赶法）求解：
当j=2时，
当j=3，…，N-1时，
当j=N时，
上述得知，对于n+1时间层，因为 ， ， ， 已知，可由 , 计算公式自j=1至N顺序计算出 ， ，…， ，再反过来自j=N至1逆序求得 ， ， 。隐式差分格式理论上是无条件稳定的。
（2）根据河网地形资料，给定河道初始水位值，初始流量值设为0；
（3）根据初始条件或上一时步的水位流量值，求河道方程系数 、、、，实现“追赶”过程；
（4）根据下游边界条件，即末断面水位 取值为与之相连的节点水位，并根据（11）或（12）实现“回代”过程，即可得到每个计算断面的水位、流量；
（5）根据水流方程计算的结果，进一步依据计算程式（13）计算各断面污染物浓度；
（6）时间层向前推进一步，重复步骤（3）（5），直到模拟完成所有时段。
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