基于三维藻类生态模型的自控水源分层取水方法及系统
专利汇可以提供基于三维藻类生态模型的自控水源分层取水方法及系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种基于三维藻类生态模型的自控 水 源分层取水方法及系统，该方法包括：(1)通过 数据采集 系统采集水源 水体 中取水口 位置 的水质、水文和气象数据；(2)由模拟预报系统对获得的所述水质、水文和气象数据进行处理，通过流域水文模型模拟计算进入水体的降雨径流污染负荷，通过水质生态模型模拟预测水源水体中藻类分布情况，得取水口位置藻类垂向分布数据；(3)由自动控制系统对所述取水口位置藻类垂向分布数据进行分析，确定取水口位置的藻类浓度最低水层；并控制取水装置在该藻类浓度最低水层取水。本方法能够科学地保障在取水口范围内取水藻类浓度最低，有效避免因藻类暴发生长问题威胁到水厂生产乃至用户健康，对城市安全供水具有重要意义。，下面是基于三维藻类生态模型的自控水源分层取水方法及系统专利的具体信息内容。
1.一种基于三维藻类生态模型的自控水源分层取水方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1).通过数据采集系统采集水源水体中取水口位置的水质、水文和气象数据；
(2).由模拟预报系统对步骤(1)获得的所述水质、水文和气象数据进行处理，采用流域水文模型模拟计算入库径流量及降雨径流进入水库产生的污染负荷，进而通过水质生态模型模拟预测水源水体中藻类分布情况，得到的取水口位置藻类垂向分布数据；
(3).由自动控制系统对步骤(2)所述的取水口位置藻类垂向分布数据进行分析，确定取水口位置的藻类浓度最低水层；并控制分层取水装置在该取水口位置的藻类浓度最低水层取水。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述流域水文模型为SWAT（Soil and Water Assessment Tool）、新安江模型、HEC-HMS（The Hydrologic Engineering Center's Hydrologic Modeling System）、SCS(Soil Conservation Service)或HSPF(Hydrological Simulation Program-Fortran)；所述水质生态模型为 EFDC(Environmental Fluid Dynamic Code)、Delft 3D、WASP(The Water quality Analysis Simulation Program)、HEM(Hydrodynamic Eutrophication Model) 或 MIKE。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述模拟预报系统选择SWAT流域水文模型，所述入库径流量为地表径流量、土壤最终含水量和地下径流量之和；
通过SCS（Soil Conservation Service）径流曲线法算式1-1计算所述地表径流量；
1-1
式1-1中：Q为地表径流量，mm；P为降雨量，mm；Ia为径流产生前的流域初损；S为土壤最大可能入渗量，mm；
通过降雨径流算式1-2计算所述土壤最终含水量，
1-2
式1-1中：SWt为土壤最终含水量，mm；SW0为土壤前期含水量，mm；t为时间步长，d；Rday为第i天降雨量，mm；Qsurf为第 i天的地表径流，mm；Ea为第 i天的蒸发量，mm；Wseep为第 i天存在于土壤剖面底层的渗透量和测流量，mm；Qgw为第 i天地下水出流量，mm；
通过地下径流量算式1-3计算所述地下径流量，
1-3
式1-3中： 为地下径流量，mm； 为计算前一天的地下径流量，mm；
为时间步长，d； 为第i天蓄水层的补给流量，mm； 为基流的退水系数；
通过以下方式模拟所述污染负荷，其中,自由水部分的硝态氮浓度以式1-4-1计算，
1-4-1
式1-4-1中， 为自由水部分的硝态氮浓度,kg/mm； 为土壤中硝态
2
氮的量,kg/hm； 为土壤中自由水的量,mm； 为孔隙度； 为土壤饱和含水
量；
有机氮随土壤流失的输移量以式1-4-2计算，
1-4-2
2
式1-4-2中， 为有机氮随土壤流失的输移量，kg/hm； 为有机氮在表
2
层土壤中的浓度，kg/t； 为土壤流失量，t； 为水文相应单元的面积，hm； 为氮富集系数，氮富集系数是随土壤流失的有机氮浓度和土壤表层有机氮浓度的比值；
地表径流输移的溶解态磷以式1-4-3计算，
1-4-3
2
式1-4-3中， 为地表径流输移的溶解态磷，kg/hm； 为土壤中溶
2 3
解态磷，kg/hm； 为土壤溶质密度，mg/m； 为表层土壤深度，mm； 为土壤磷分配系数，表层土壤中溶解态磷的浓度和地表径流中溶解态磷浓度的比值；
有机磷和矿物质磷随土壤流失输移量以式1-4-4计算，
1-4-4
2
式1-4-4中， 为有机磷和矿物质磷随土壤流失输移量，kg/hm； 为有机磷在
2
表层土壤中的浓度，kg/t； 为土壤流失量，t； 为水文相应单元的面积，hm； 为磷富集系数；
所述水质生态模型采用EFDC水质生态模型。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述EFDC水质生态模型包括以下部分：
动量方程2-1
状态方程2-2
连续方程2-3
温盐方程2-4
水质因子输运方程2-5
式中，z* 表示垂向的物理坐标，-h和 分别是底面和自由水面的垂向坐标，H=h+ 是总水深，u和 v分别是曲线正交坐标系中 x和 y方向的速度分量，w为垂向速度分量，mx和my是度量张量的对角元素的平方根，m= mxmy是雅克比行列式，p是大气压， 是水的密度，水的参照密度，g为重力加速度，浮力 b定义为相对于参考密度归一化偏移量，T和 S分别是温度和盐度；动量方程2-1中的f是柯氏力参数，Av是垂向紊动或涡旋粘度，Qu和Qv 是动量源汇项；在温盐方程2-4中，QS和 QT 分别为盐度和温度的源汇项，Ab是垂向紊动扩散系数；
在水质因子输运方程2-5中，c为水质因子浓度，Kv和 KH分别为垂向和水平的紊动扩散系数（当c表示悬浮物质的浓度时，wsc为沉降速度），Qc为源汇项；采用Mellor-Yamada2.5阶湍流封闭模式，与紊动动能输运方程相耦合，提供垂向混合系数。
5.如权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，步骤(1)获得的所述水质、水文和气象数据通过通讯网络传输至所述模拟预报系统。
6.如权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述取水口位置藻类垂向分布数据包括蓝藻叶绿素、绿藻叶绿素及硅藻叶绿素的垂向分布数据。
7.基于三维藻类生态模型的自控水源分层取水系统，其特征在于包括：
数据采集系统（1），用于采集水源水体中取水口位置的水质、水文和气象数据；
数据传输系统（2），用于传输数据采集系统获得的所述水质、水文和气象数据；
模拟预报系统（3），用于接收、处理数据传输系统（2）传输的所述水质、水文和气象数据，通过流域水文模型（31）模拟计算入库径流量和降雨径流产生的污染负荷，通过水质生态模型（32）模拟预测水源水体中藻类分布情况，得到的取水口位置藻类垂向分布数据；
自动控制系统（4），用于分析处理所述的取水口位置藻类垂向分布数据，确定取水口位置的藻类浓度最低水层；及，
分层取水装置（5），用于接收自动控制系统的控制指令，打开配置于所述取水口位置的藻类浓度最低水层的自动闸门，取水。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于：所述数据采集系统（1）包含：常规监测数据录入系统（11），用于将各有关部门的常规监测数据的录入；实时在线监测系统（12）由在线监测探头、在线采样装置及在线自动分析仪组成。
9.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述数据传输系统（2）包含通讯设备（22）和终端服务器（23），通讯设备（22）通过通讯网络与终端服务器（23）连接。
10.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述分层取水装置（5）包含多个自动闸门，分别配置于水源水体中取水口位置的藻类垂向分布层。
基于三维藻类生态模型的自控水源分层取水方法及系统
技术领域
背景技术
Ⅳ类水库66座，占9.9%；Ⅴ类水库25座，占3.7%；劣Ⅴ类水库33座，占5.0%。对646座水库的营养状态进行评价，中营养状态的水库有375座，轻度富营养状态的水库有214座，中度富营养水库55座，重度富营养水库2座。由此可见，我国饮用水源污染形势严峻。
发明内容
(2).由模拟预报系统对步骤(1)获得的所述水质、水文和气象数据进行处理，采用流域水文模型模拟计算入库径流量和降雨径流进入水库产生的污染负荷，采用水质生态模型模拟预测水源水体中藻类分布情况，得到的取水口位置藻类垂向分布数据；
(3).由自动控制系统对步骤(2)所述的取水口位置藻类垂向分布数据进行分析，确定取水口位置的藻类浓度最低水层；并控制分层取水装置在该藻类浓度最低水层取水。
图3为本发明方法的流程图；
图4表示流域模型子流域划分；
图5表示水质生态模型网格划分，a）西丽水库，b）铁岗水库，c）石岩水库；
图6为水库水位计算值与实测值对比图，a）西丽水库,b）铁岗水库,c）石岩水库；
图7为西丽水库取水口位置表层藻类计算结果与实测值对比图；
图8为铁岗水库取水口位置表层藻类计算结果与实测值对比图；
图9为石岩水库取水口位置表层藻类计算结果与实测值对比图。
具体实施方式
2，用于传输数据采集系统获得的所述水质、水文和气象数据；模拟预报系统3，用于接收、处理数据传输系统2传输的所述水质、水文和气象数据，通过流域水文模型31模拟计算入库径流量和降雨径流进入水库产生的污染负荷，通过水质生态模型32模拟预测水源水体中藻类分布情况，得到的取水口位置藻类垂向分布数据；自动控制系统4，用于分析处理所述的取水口位置藻类垂向分布数据，确定取水口位置的藻类浓度最低水层；以及，分层取水装置5，用于接收自动控制系统的控制指令，打开位于所述取水口位置的藻类浓度最低水层的自动闸门，取水。
1-1
式1-1中：Q为地表径流量，mm；P为降雨量，mm；Ia为径流产生前的流域初损；S为土壤最大可能入渗量，mm。
式1-2中：SWt为土壤最终含水量，mm；SW0为土壤前期含水量，mm；t为时间步长，d；Rday为第i天降雨量，mm；Qsurf为第 i天的地表径流，mm；Ea为第 i天的蒸发量，mm；Wseep为第 i天存在于土壤剖面底层的渗透量和测流量，mm；Qgw为第 i天地下水出流量，mm。
式1-3中： 为地下径流量，mm； 为计算前一天的地下径流量，mm；
为时间步长，d； 为第i天蓄水层的补给流量，mm； 为基流的退水系数。
式1-4-1中， 为自由水部分的硝态氮浓度，kg/mm； 为土壤中硝态
2
氮的量，kg/hm； 为土壤中自由水的量，mm； 为孔隙度； 为土壤饱和含水
量；
有机氮随土壤流失的输移量以式1-4-2计算，
1-4-2
2
式1-4-2中， 为有机氮随土壤流失的输移量，kg/hm； 为有机氮在表
2
层土壤中的浓度，kg/t； 为土壤流失量，t； 为水文相应单元的面积，hm； 为氮富集系数，氮富集系数是随土壤流失的有机氮浓度和土壤表层有机氮浓度的比值；
地表径流输移的溶解态磷以式1-4-3计算，
1-4-3
2
式1-4-3中， 为地表径流输移的溶解态磷，kg/hm； 为土壤中溶
2 3
解态磷，kg/hm； 为土壤溶质密度，mg/m； 为表层土壤深度，mm； 为土壤磷分配系数，表层土壤中溶解态磷的浓度和地表径流中溶解态磷浓度的比值；
有机磷和矿物质磷随土壤流失输移量以式1-4-4计算，
1-4-4
2
式1-4-4中， 为有机磷和矿物质磷随土壤流失输移量，kg/hm； 为有机磷在
2
表层土壤中的浓度，kg/t； 为土壤流失量，t； 为水文相应单元的面积，hm； 为磷富集系数。
状态方程2-2
连续方程2-3
温盐方程2-4
水质因子输运方程2-5
式中，z* 表示垂向的物理坐标，-h和 分别是底面和自由水面的垂向坐标，H=h+ 是总水深，u和 v分别是曲线正交坐标系中 x和 y方向的速度分量，w为垂向速度分量，mx和my是度量张量的对角元素的平方根，m= mxmy是雅克比行列式，p是大气压， 是水的密度，水的参照密度，g为重力加速度，浮力 b定义为相对于参考密度归一化偏移量，T和 S分别是温度和盐度；动量方程2-1中的f是柯氏力参数，Av是垂向紊动或涡旋粘度，Qu和Qv 是动量源汇项；在温盐方程2-4中，QS和 QT 分别为盐度和温度的源汇项，Ab是垂向紊动扩散系数；
在水质因子输运方程2-5中，c为水质因子浓度，Kv和 KH分别为垂向和水平的紊动扩散系数（当c表示悬浮物质的浓度时，wsc为沉降速度），Qc为源汇项；采用Mellor-Yamada2.5阶湍流封闭模式，与紊动动能输运方程相耦合，提供垂向混合系数。
2014年上半年的数据对模型进行验证，具体验证指标包括水库若干关键点位的水位以及表层、中层、底层的水质参数；其中水质参数主要包括温度，pH，营养盐，有机物，及蓝藻、绿藻、硅藻的叶绿素浓度。以其中取水口位置为例，其水位验证结果如图6所示，以其中取水口位置表层叶绿素浓度为例，其验证结果如图7-图9所示。图6为水库水位计算值与实测值对比图，a）西丽水库，b）铁岗水库，c）石岩水库。图7为西丽水库取水口位置表层藻类计算结果与实测值对比图，其中，上图为蓝藻叶绿素计算值与实测值的对比图，中图为绿藻叶绿素计算值与实测值的对比图，下图为硅藻叶绿素计算值与实测值的对比图。图8为铁岗水库取水口位置表层藻类计算结果与实测值对比图；图9为石岩水库取水口位置表层藻类计算结果与实测值对比图。
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