一种基于稳定流场的流域水质模拟方法
专利汇可以提供一种基于稳定流场的流域水质模拟方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种基于稳定流场的流域 水 质模拟方法，包括：步骤S1：建立基于稳定流场的流域水动 力 模型；步骤S2：流域水质模拟；步骤S1包括依次执行1.1、1.2所列内容；1.1建立栅格模式下的水动力模型；1.2基于稳定流场的前期水情模拟；步骤S2中包括依次执行2.1、2.2所列内容；2.1二维有限差分水质模型的分解；2.2水质模型与水动力模型的耦合。本 发明 所述模拟方法，在实际应用中两个监测断面的模拟 精度 均达到85％以上，其结果可用于实际的河道水质模拟。，下面是一种基于稳定流场的流域水质模拟方法专利的具体信息内容。
1.一种基于稳定流场的流域水质模拟方法，包括：
步骤S1：建立基于稳定流场的流域水动力模型；
步骤S2：流域水质模拟；
其特征在于，步骤S1包括依次执行1.1、1.2所列内容；
1.1建立栅格模式下的水动力模型；
1.2基于稳定流场的前期水情模拟；
步骤S2中包括依次执行2.1、2.2所列内容；
2.1二维有限差分水质模型的分解；
2.2水质模型与水动力模型的耦合。
2.如权利要求1所述的基于稳定流场的流域水质模拟方法，其特征在于：所述1.1包括水量收支统计、平流项模拟、压力项模拟、外力项模拟、时间片上流域径流模拟。
3.如权利要求2所述的基于稳定流场的流域水质模拟方法，其特征在于：水动力模型以纳维-斯托克斯方程(N-S方程)为指导。N-S方程将流体运动分解为平流项、压力项和外力项。
4.如权利要求3所述的基于稳定流场的流域水质模拟方法，其特征在于：在栅格模式下，径流模拟将流域从空间上和时间上均划分为相等的片段；在空间上，按一定分辨率将流域划分为大小相等的矩形网格，采用GIS的栅格数据存储和表示；在时间上，径流汇流过程分解为相等间隔的时间片。在每一个时间片上，流域径流汇流过程分解为栅格单元为基本单位的模拟计算，上一个时间片栅格单元模拟的水深和水速，作为下一个时间片初始水深和水速；通过时间片的迭代，实现流域的水动力模拟。
5.如权利要求4所述的基于稳定流场的流域水质模拟方法，其特征在于：所述时间片是指，流域水质模拟一帧所代表的时间间隔；在一个时间片上，各模拟栅格的水流和污染物仅扩散到8邻域模拟栅格中：
设时间片序号为n，时间片时间序列t表示为式(1)：
t＝{tn n≥1} (1)
相邻时间片时间差Δt为式(2)：
Δt＝tn+1-tn (2)
对于流域任一栅格单元，在模拟时表示为r，其8邻域栅格表示为b。
6.如权利要求5所述的基于稳定流场的流域水质模拟方法，其特征在于：
时间片上的栅格单元径流模拟按如下方式进行：
I水量收支
栅格单元的水流主要来源为上游来水、降水补给；水流支出包括下游泄水、下渗和蒸发；设tn时刻的中心栅格r水深为 时间片上的降水量、下渗量、蒸发量、流入量和流出量分别为 和 依据水量平衡原理，tn+1时刻的中心栅格水深 为式(3)：
在模型中，干流入流点和支流入汇点直接输入流量，因此忽略 项； 依据下迭面性质设定下渗率和蒸发率，与 相乘得到； 和 依据中心栅格和邻域栅格的水流速度矢量计算得到，具体在平流项环节中实现；
II平流项模拟
平流项表示流体本身及属性随速度而迁移。在栅格模式下，采用多流向法模拟平流项。
设邻域栅格b的水流速度矢量为 则流入到中心栅格r的水量比例Sb→r为式(4)：
式中，(Δx、Δy)为邻域栅格坐标相对中心栅格坐标的偏移，单位为像素；vmax表示时间片上允许的最大速度标量；
中心栅格剩余水量比例Sr为式(5)：
依据质量守恒定律，平流计算后中心栅格水深为式(6)：
式中， 表示中心栅格tn和tn+1时刻的水深； 表示邻域栅格tn时刻的水深；
分别表示tn时刻邻域栅格b流入到中心栅格r的水量比例； 表示tn时刻中心栅格剩余水量比例；
依据动量守恒定律，平流计算后中心栅格水速 为式(7)：
式中， 和 分别表示tn时刻中心栅格r和邻域栅格b的水速；
依据式(4)和式(5)，当模拟网格水速大小等于vmax时，时间片上的网格水流全部流出；
为保证模型正常运行，为流域设定固定的vmax，并认为流域任意位置上的水速均小于等于vmax；
在实际模拟时，当水速超过vmax时，将其设置为vmax。因此，vmax决定了水质模拟的时间片间隔，如式(8)：
依据式(8)，每小时需要迭代的时间片数N为式(9)：
III压力项模拟
在水流随速度的迁移过程中，由于水压不同导致水流内部产生压力梯度力。压力梯度力采用8邻域近似计算方法。设中心栅格高程为Hr，邻域栅格高程为Hb，则水体高度差ΔHb为式(10)：
时间片上邻域栅格对中心栅格产生的速度矢量增量ΔV表示为式(11)：
式中，α为与水体密度、重力加速度、摩擦力等相关的正数常量，通过流域实际水文数据进行率定；
IV外力项模拟
设水流摩擦力的上界深度dmax(单位为m)，下界深度为dmin(单位为m)，衰减系数ε近似定义为式(12)：
其中，σ为摩擦比例系数，通过流域实际水文数据进行率定；
V时间片上流域径流模拟
在一个时间片上，流域径流模拟分两步进行，第一步，水量收支与水动力模拟：首先计算各栅格单元的水量收支，然后进行压力项和外力项模拟，计算各栅格单元新的水深和水速；第二步，平流项模拟：以第一步得到的栅格单元新水深和水速为基础，进行水流迁移计算，得到的水深和水速作为下一个时间片的初始水深和水速。
7.如权利要求6所述的基于稳定流场的流域水质模拟方法，其特征在于：所述1.2包括：
首先给出稳定流场的基本假设：即，假定流域存在若干个水源点，其流量恒定；通过径流汇流模型不断迭代，流域出口处的水深和水速最终趋于稳定。此时的流域水流场称为稳定流场。
8.如权利要求7所述的基于稳定流场的流域水质模拟方法，其特征在于：包含I水动力模型完善
A、栅格单元水速增量修正
假定水深大于1m的栅格水流与周围水团混合后水速增量减小，并与水深呈反比关系；
其修正公式为式(13)：
B、邻域栅格单元水流混合模拟
假定每一个时间片上，各栅格单元均与8邻域栅格水流混合，混合过程中遵循动量守恒定律；首先计算中心栅格和8邻域栅格的总动量和总水量，两者相除得到中心栅格水流混合后的水速；
C、水动力模型完善后的径流汇流模拟流程
水动力模型完善后的径流汇流模拟分三步进行，即水量收支与水动力模拟、平流项模拟和水流混合模拟；栅格单元水速增量修正集成到第一个模拟环节中，在水动力模拟完成后，对新的水速按式(13)进行修正；邻域栅格单元水流混合模拟作为一个独立的模拟环节，在平流项模拟完成后进行；
II基于稳定流场的前期水情模拟
设某水源点供水量为ξ(单位为m3/s)，所在位置的栅格单元为r，则栅格r的水量收支由式(3)修改为式(14)：
式中，ξr为时间片上水源点栅格的水量，满足：
显然，对于干流入流点、支流入汇点和排污点，ξr大于等于0；对于取水口，ξr小于等于0；
在稳定流场创建过程中，采用式(16)定量描述稳定流场是否创建完成；
式中，W为流域出口控制点水深，n为当前已模拟的小时数，h为前推小时数，A为累积误差阈值。
9.如权利要求8所述的基于稳定流场的流域水质模拟方法，其特征在于：所述2.1二维有限差分水质模型的分解，包括：
假设存在一个体积微元 这个体积微元沿纵向(x轴)和横向(y轴)存在输入、输出。污染物在水体中传播的二维微分方程如式(17)：
式(17)中， 为微元cell(i，j)的平均污染物浓度； 分别表示为x和y方向的扩散系数，单位为km2/h；ui，j和vi，j表示x和y方向水流速度；ki，j表示污染物降解系数，单位为l/d。
10.如权利要求9所述的基于稳定流场的流域水质模拟方法，其特征在于：所述2.2水质模型与水动力模型的耦合，包括：在栅格模式下，二维有限差分水质模型的体积微元为栅格单元；将该模型按水量收支、平流项模拟和水流混合模拟分步求解，是水质模型和水动力模型耦合的关键：
I水量收支过程中的水质模拟
在水质模拟中，水源点不仅是水流的供给点，也是污染物的供给点。设水源点排污浓度为δ(单位为mg/l)，则水源点排污后，时间片上的输出浓度为式(18)：
式中， 分别表示tn和tn+1时刻中心栅格的污染物浓度； 为tn时刻中心栅格的排污浓度；
在水量收支计算中，同时考虑污染物降解。污染物降解系数以天为单位，需要将其换算到一个时间片上污染物的降解率。设污染物降解系数在流域内为一个常数kd，则在时间片tn上的污染物降解率kn为式(19)：
kn＝1-(1-kd)1/(24×N) (19)
综合式(18)和式(19)，水量收支过程中的污染物输出浓度为式(20)：
II平流项模拟过程中的污染物迁移计算
在平流项中，栅格单元与邻域栅格依据水速发生水量交换。假定在水流迁移中，中心栅格与邻域栅格污染物充分混合，依据质量守恒定律，平流项模拟输出的栅格污染物浓度为式(21)：
式中， 为邻域栅格b在tn时刻的污染物浓度；
III水流混合模拟的污染物扩散模拟
污染物扩散在水流混合环节中进行模拟。式(17)中，中心栅格r向邻域栅格b扩散，导致中心栅格污染物减少；邻域栅格b向中心栅格r扩散，导致中心栅格污染物增加。在模型中，将污染物扩散系数设置为一个常量E，则相邻两栅格单元因扩散导致的污染物实际迁移量与它们的浓度差有关。
将相邻两栅格单元的水均看作为一个立方体水柱，水柱的高度等于水深，并认为污染物扩散发生在两水柱交叠区域(图1)，其水柱高度Wbr为式(22)：
Wbr＝max(min(Hr+Wr，Hb+Wb)-max(Hr，Hb)，0) (22)
为定量描述水流混合模拟导致的污染物浓度变化，将所述常量E换算到时间片上污染物向外扩散的距离en，如式(23)：
综合式(22)和式(23)，中心栅格污染物扩散后浓度为式(24)所列：
一种基于稳定流场的流域水质模拟方法
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