用于河流污染物泄漏擴(kuò)散預(yù)測的河段離散化處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及河流污染物泄漏擴(kuò)散預(yù)測領(lǐng)域，具體地，涉及一種用于河流污染物泄 漏擴(kuò)散預(yù)測的河段離散化處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 2006年2月，國務(wù)院發(fā)布《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006~2020 年)》將"公共安全"列為重點(diǎn)領(lǐng)域，明確提出發(fā)展危險(xiǎn)化學(xué)品泄漏應(yīng)急救援技術(shù)和核生化恐 怖源的遠(yuǎn)程探測技術(shù)等。在我國960萬平方公里的土地上縱橫流淌著近千條大大小小的河 流，這些河流流經(jīng)的流域地形復(fù)雜氣候多樣，并且其與人民的生產(chǎn)和生活息息相關(guān)。因此如 果某一地區(qū)水源(尤其是飲用水源）受到嚴(yán)重污染，該地區(qū)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全將受到極大 的威脅。因此，一旦水源受到突發(fā)泄漏污染，必須要對污染物在河流中的擴(kuò)散情況進(jìn)行快速 預(yù)測，以為有關(guān)部門制定措施提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支持，并有利于贏得寶貴的應(yīng)急時(shí)間。
[0003] 進(jìn)行河流中的泄漏擴(kuò)散預(yù)測，實(shí)質(zhì)上可以認(rèn)為是進(jìn)行河流的水質(zhì)模擬，通常需要 建立河流的水動力模型和水質(zhì)模型并進(jìn)行數(shù)值求解。建立水動力學(xué)模型并進(jìn)行數(shù)值求解是 為了獲得河流的水力學(xué)特性，建立水質(zhì)模型并進(jìn)行數(shù)值求解是為了獲得在一定的水力環(huán)境 中擴(kuò)散物質(zhì)的擴(kuò)散特性。水動力模型是水質(zhì)模型的基礎(chǔ)和前提，具有非常重要的作用。建 立水動力模型涉及控制方程組化簡、方程組的離散和求解、初始條件和邊界條件的確定等 一系列問題。
[0004] 此處對建立水動力模型的過程進(jìn)行簡要說明：
[0005] 首先，可將內(nèi)陸的河網(wǎng)河床(非汛期間）簡化為一維非恒定流水體，采用一維非恒 定流基本方程組(即圣維南方程組)來描述其水動力學(xué)特性。該一維非恒定流基本方程組由 連續(xù)方程和運(yùn)動方程組成，用于描述水流要素隨河流流程坐標(biāo)和時(shí)間的變化關(guān)系，適用于 連續(xù)和不連續(xù)物理量。該方程組的建立基于下列假設(shè)：
[0006] (1)流動必須是一維的，用平均流速代替過水?dāng)嗝媪魉伲疫^水?dāng)嗝嫣幯睾哟矙M向 水位水平；
[0007] (2)坡面是漸變的，換言之，沿垂線壓力呈靜水壓力分布或垂直加速度為一小量；
[0008] (3)邊界摩擦力的作用和紊流的影響可以通過類似于恒定流的阻力定律來體現(xiàn)；
[0009] (4)河床底部的平均坡度很小，即河流底部與水平線的夾角很小。
[0010] 其次，在無旁側(cè)入流的情況下，可建立下列形式的圣維南方程組：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于河流污染物泄漏擴(kuò)散預(yù)測的河段離散化處理方法，該河段離散化處理方法 包括： 步驟S1，確定河流在空間直角坐標(biāo)系中的絕對流程坐標(biāo)fjx，y，z)和待預(yù)測河段總長 度S ; 步驟S2,確定所述待預(yù)測河段的關(guān)鍵橫斷面及其相對流程坐標(biāo)，獲取所述關(guān)鍵橫斷面 的水文參數(shù)； 步驟S3,對所述待預(yù)測河段進(jìn)行離散化并且確定所述待預(yù)測河段中的多個(gè)離散點(diǎn)的相 對流程坐標(biāo)； 步驟S4,根據(jù)步驟S2中獲取的所述關(guān)鍵橫斷面的所述水文參數(shù)，確定所述多個(gè)離散點(diǎn) 中每一個(gè)的所述水文參數(shù)； 步驟S5,確定所述待預(yù)測河段的所有所述離散點(diǎn)在待預(yù)測時(shí)刻的河流過水?dāng)嗝婷娣eAi 和水深Zi之間的關(guān)系，以用于河流污染物泄漏擴(kuò)散預(yù)測。
2. 據(jù)權(quán)利要求1所述的河段離散化處理方法，其中確定河流在空間直角坐標(biāo)系中的絕 對流程坐標(biāo)fci (X，y, z)包括： 將穿過所述河流的源頭和終點(diǎn)的連線作為X軸，并將從所述源頭至所述終點(diǎn)的方向作 為X軸的正半軸，以所述河流的源頭作為所述空間直角坐標(biāo)系的XY平面的坐標(biāo)零點(diǎn)，以所 述河流的最低點(diǎn)作為Z軸坐標(biāo)零點(diǎn)，根據(jù)下式確定所述河流的任意一點(diǎn)的所述空間三維坐 標(biāo)（X，y, z):
其中，Bdtl和Bmd分別表示該任意一點(diǎn)、所述源頭和所述終點(diǎn)的大地緯度；L和Ltl分別 表示該任意一點(diǎn)和所述源頭的大地經(jīng)度；INtl和Nmd分別表示該任意一點(diǎn)、所述源頭和所述 終點(diǎn)的絕對大地水準(zhǔn)面差距；e和e md分別表示該任意一點(diǎn)和所述終點(diǎn)的地球橢球第一偏 心率；H、Htl和Hmd分別表示該任意一點(diǎn)、所述源頭和所述終點(diǎn)的大地高。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的河段離散化處理方法，其中確定所述待預(yù)測河段總長度S包 括： 根據(jù)下式確定所述河流的所述絕對流程坐標(biāo)f〇(x，y, z):
其中，人=腿χ{[「(χ -(X〇，y J 所述河流的所述源頭的所述空間三維坐標(biāo)；Λ Χ、Λ y和Λ Z分別為延X、Y和Z軸的采樣間 隔； 并且根據(jù)下式確定所述待預(yù)測河段總長度S : J-l^knk
其中，（xend，yend，zmd)為所述河流的終點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)，（x leak，yleak，zleak)為所述河流 中的污染物泄漏源的所述空間三維坐標(biāo)，
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的河段離散化處理方法，其中所述待預(yù)測河段的關(guān)鍵橫斷面包 括所述待預(yù)測河段起點(diǎn)、所述待預(yù)測河段終點(diǎn)、河床海拔明顯變化處和所述待預(yù)測河段走 向明顯轉(zhuǎn)折處。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的河段離散化處理方法，其中，根據(jù)所述待預(yù)測河段中單位 長度AL的河段內(nèi)的高度落差ΛΗ是否達(dá)到高度落差閾值來確定所述河床海拔明顯變化 處，和/或根據(jù)所述待預(yù)測河段中單位長度AL的河段內(nèi)的河流走向切線角度差△ Θ = Θ^θ 21是否超過切線角度差閾值來確定所述河段走向明顯轉(zhuǎn)折處，Θ i為單位長度ΛL 的所述河段的所述起點(diǎn)的切線角度，θ2為單位長度AL的所述河段的所述終點(diǎn)的切線角 度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的河段離散化處理方法，其中橫斷面的水文參數(shù)包括該橫斷面 的河流水流量、該橫斷面的水流平均流速、該橫斷面的水深、該橫斷面的水面寬度、該橫斷 面的河床底部海拔高度、該橫斷面的過水?dāng)嗝婷娣e和該橫斷面的水位。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的河段離散化處理方法，其中所述步驟S3包括： 確定所述待預(yù)測河段中的離散點(diǎn)總數(shù)N，將待預(yù)測河段均勻分成N個(gè)待預(yù)測子河段，取
其中，AS為輸入的河段間隔，Vltl為某一時(shí)期的待預(yù)測河段起點(diǎn)處的水流平均流速， Δ τ為預(yù)測時(shí)間間隔； 根據(jù)下式確定所述多個(gè)離散點(diǎn)中每一個(gè)離散點(diǎn)的所述相對流程坐標(biāo)：
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的河段離散化處理方法，其中所述步驟S4包括： 根據(jù)相鄰兩個(gè)所述關(guān)鍵橫斷面的所述水文參數(shù)，確定位于這兩個(gè)所述關(guān)鍵橫斷面間的 每個(gè)所述離散點(diǎn)的所述水文參數(shù)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的河段離散化處理方法，其中被確定的所述每個(gè)所述離散點(diǎn)的 所述水文參數(shù)被表示為：
其中，Qi(l、Vi(l、hi(l、bi(l、Zb itl依次指在某一時(shí)期在第i個(gè)離散點(diǎn)處的河流水流量、水流 平均流速、河流水深、水面寬度和河床底部海拔高度，標(biāo)中的i指第i個(gè)離散點(diǎn)，Qnum(l、VM(I、 hnum(i、bnum(i、zbnum(l依次指在某一時(shí)期在第num個(gè)關(guān)鍵橫斷面處的河流水流量、水流平均流速、 河流水深、水面寬度和河床底部海拔高度， Q(num+1)0、V(num+1)0、h(num+i)〇、b(num+1)〇、zb( num+1)〇 依次指 在某一時(shí)期在第num+1個(gè)關(guān)鍵橫斷面處的河流水流量、水流平均流速、河流水深、水面寬度 和河床底部海拔高度，A指第i個(gè)離散點(diǎn)的相對流程坐標(biāo)，F(xiàn) num指第num個(gè)關(guān)鍵橫斷面的相 對流程坐標(biāo)，F(xiàn)num+1指第num+1個(gè)關(guān)鍵橫斷面的相對流程坐標(biāo)，第i個(gè)離散點(diǎn)位于第num個(gè) 關(guān)鍵橫斷面和第num+1個(gè)關(guān)鍵橫斷面之間。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的河段離散化處理方法，其中被確定的所有所述離散點(diǎn)在待 預(yù)測時(shí)刻的河流過水?dāng)嗝婷娣eAi和和水深Z i之間的關(guān)系被表示為： r
. 1 其中，Qi(l、Vi(l、hi(l、Zbitl和P分別為第i個(gè)離散點(diǎn)在某一時(shí)期的河流水流量、水流平均 流速、河床底部海拔高度、水深和河水密度。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于河流污染物泄漏擴(kuò)散預(yù)測的河段離散化處理方法，該方法利用大地坐標(biāo)系與空間直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化關(guān)系，通過離散化待預(yù)測河段，以確定河流過水?dāng)嗝婷娣e與水位的關(guān)系，從而在未知河流過水?dāng)嗝婷娣e的情況下獲得封閉的圣維南方程組。該方法可快速完成河流污染物泄漏擴(kuò)散預(yù)測的前處理工作，使得可在水文資料有限并且較陳舊的情況下準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對河流污染物泄漏擴(kuò)散的預(yù)測。
【IPC分類】G06Q10-04
【公開號】CN104657783
【申請?zhí)枴緾N201410108421
【發(fā)明人】黃亦謙
【申請人】北京千安哲信息技術(shù)有限公司
【公開日】2015年5月27日
【申請日】2014年3月21日