本申請涉及河流環(huán)境監(jiān)測預(yù)報技術(shù)領(lǐng)域，特別地，涉及一種模擬水污染事故污染帶時空分布的方法和裝置。

背景技術(shù)：

近年來我國重大水污染事故頻繁發(fā)生，對生態(tài)環(huán)境、人民健康及社會安全造成嚴重影響。例如，發(fā)生在2005年11月份的松花江水污染事故和12月份的廣東北江鎘污染事故都是重大水污染事故的典型案例。在水污染事故的應(yīng)急過程中，迫切需要掌握的是污染帶的時空分布及污染物的濃度，從而可快速、有效地制訂應(yīng)急響應(yīng)方案。為滿足水污染事故快速處置要求，結(jié)合事故現(xiàn)場的實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用水質(zhì)數(shù)學(xué)模型(簡稱“水質(zhì)模型”)對污染團到達各重要斷面的時間、影響范圍等做出及時準確的預(yù)測，模擬各種應(yīng)急策略和方案的效果，為事故的應(yīng)急決策提供定量參考的依據(jù)，是提升環(huán)境事故應(yīng)急能力的重要途徑。

但是，現(xiàn)有水質(zhì)模型系統(tǒng)的缺點是：模型的調(diào)控功能較弱，難以通過對各種參數(shù)的調(diào)整，為水污染事故的預(yù)測和應(yīng)急措施方案的優(yōu)選提供量化參考的依據(jù)；模型參數(shù)眾多，參數(shù)率定所需要的數(shù)據(jù)量大，難以解決水污染事故現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)缺乏導(dǎo)致的模型參數(shù)率定難的問題；模型操作復(fù)雜，使用者需要耗費一定的時間了解模型，不能在事故發(fā)生后通過簡單操作，迅速獲得滿足一定精度要求的數(shù)值解。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本申請?zhí)峁┮环N模擬水污染事故污染帶時空分布的方法和裝置，用于解決現(xiàn)有水質(zhì)模型系統(tǒng)參數(shù)眾多、需要采集的數(shù)據(jù)量大、操作復(fù)雜，無法對水污染事故污染帶的時空分布及時準確地進行預(yù)測。

本申請公開的一種模擬水污染事故污染帶時空分布的方法，執(zhí)行所述方法的系統(tǒng)設(shè)置有一維水動力模型的圖形建模接口，所述方法包括：通過所述圖形建模接口接收用戶輸入的狀態(tài)變量和輔助變量；建立所述狀態(tài)變量與輔助變量的關(guān)聯(lián)關(guān)系，形成一維水動力模型；以已獲取的輔助變量參數(shù)值和其他輔助變 量在可信度范圍內(nèi)的估計參數(shù)值為輸入?yún)?shù)，利用所述一維水動力模型計算各狀態(tài)變量在各斷面對應(yīng)時間的值；根據(jù)各狀態(tài)變量在各斷面對應(yīng)時間的值生成水污染事故污染帶到達各斷面的模擬時間。

本申請公開的一種模擬水污染事故污染帶時空分布的裝置，包括：圖形建模接口，用于接收建立一維水動力模型所需的狀態(tài)變量和輔助變量；模型創(chuàng)建模塊，用于建立所述狀態(tài)變量與輔助變量的關(guān)聯(lián)關(guān)系，形成一維水動力模型；運算執(zhí)行模塊，用于以已獲取的輔助變量參數(shù)值和其他輔助變量在可信度范圍內(nèi)的估計參數(shù)值為輸入?yún)?shù)，利用所述一維水動力模型計算各狀態(tài)變量在各斷面對應(yīng)時間的值；結(jié)果生成模塊，用于根據(jù)各狀態(tài)變量在各斷面對應(yīng)時間的值生成水污染事故污染帶到達各斷面的模擬時間。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請具有以下優(yōu)點：本申請優(yōu)選實施例中建立一維水動力模型具有參數(shù)不敏感性，在狀態(tài)變量的影響因子(即輔助變量)數(shù)據(jù)不足時，只要參數(shù)估計值能夠在可信度范圍內(nèi)，仍然可以顯現(xiàn)出相同的系統(tǒng)趨勢、行為模式和波動周期，能夠較好地適合水污染事故的突發(fā)性造成的難以獲得實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的情況，能夠有效解決現(xiàn)有技術(shù)無法對水污染事故污染帶的時空分布及時準確地進行預(yù)測的問題。

附圖說明

附圖僅用于示出優(yōu)選實施方式的目的，而并不認為是對本申請的限制。而且在整個附圖中，用相同的參考符號表示相同的部件。在附圖中：

圖1為本申請實施例一種模擬水污染事故污染帶時空分布的方法流程；

圖2為圖1所示的實施例中采用的系統(tǒng)動力學(xué)水動力模型的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為河流實際斷面與模擬斷面對照圖；

圖4為河床坡度示意圖；

圖5為本申請實施例一種模擬水污染事故污染帶時空分布的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為使本申請的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本申請作進一步詳細的說明。

在本申請的描述中，需要理解的是，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特征?！岸鄠€”的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。術(shù)語“包括”、“包含”及類似術(shù)語應(yīng)該被理解為是開放性的術(shù)語，即“包括/包含但不限于”。術(shù)語“基于”是“至少部分地基于”。術(shù)語“一實施例”表示“至少一個實施例”；術(shù)語“另一實施例”表示“至少一個另外的實施例”。其他術(shù)語的相關(guān)定義將在下文描述中給出。

參照圖1，示出了本申請實施例一種模擬水污染事故污染帶時空分布的方法流程，為方便用戶的建模操作，執(zhí)行所述方法的系統(tǒng)設(shè)置有一維水動力模型的圖形建模接口，通過該圖形建模接口，用戶可以以拖拉方式添加狀態(tài)變量和輔助變量的圖標，并建立變量間的連接關(guān)系。所述方法包括：

步驟S101：通過所述圖形建模接口接收用戶輸入的狀態(tài)變量和輔助變量。

步驟S102：建立所述狀態(tài)變量與輔助變量的關(guān)聯(lián)關(guān)系，形成一維水動力模型。

步驟S103：以已獲取的輔助變量參數(shù)值和其他輔助變量在可信度范圍內(nèi)的估計參數(shù)值為輸入?yún)?shù)，利用所述一維水動力模型計算各狀態(tài)變量在各斷面對應(yīng)時間的值。

步驟S104：根據(jù)各狀態(tài)變量在各斷面對應(yīng)時間的值生成水污染事故污染帶到達各斷面的模擬時間。

在另一實施例中，當(dāng)用戶選擇的狀態(tài)變量為河水深度H和河流流量Q(其相應(yīng)的初始值分別為水污染事故發(fā)生地所在斷面的水深和流量)，輔助變量分別為單位支流流入量q_in、單位支流流出量q_out、河面寬度B_w、流速的不均勻系數(shù)β、河流截面積A、重力加速度g、河床坡度S_x、河床高度B_h、河床摩擦阻力S_f、斷面的平均流速彌散系數(shù)E_x、水力半徑R、曼寧粗糙度系數(shù)n和支流流速在河流方向的平均分流速時，狀態(tài)變量H、Q及輔助變量之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系可以采用如下公式建立：

上述公式中，x表示斷面與水污染事故發(fā)生地的距離，Δx表示相鄰斷面的間隔距離，t表示從水污染事故發(fā)生后的時間長度；輔助變量之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系的建立過程具體包括：

一般來說，河流的長度L遠大于河寬Bw(即Bw<<L)。例如，松花江從哈爾濱市到樺川段約500km長(L)，而河流寬度不超過1km(B_w)，最窄處(依蘭達連河段)只有405m，大部分在600～900m。另外，中國的河流多為淺水型河流，水深一般在2～3m，水深H遠小于河寬B_w(即H<<B_w)，所以河流的斷面可以假定為矩形(如圖3所示)，河流斷面的截面積A可以表示成河水深度H與河面寬度B_w乘積的形式，即：

A＝H·B_w

河床的坡度角一般很小，如圖4所示，以河床為x軸，指向河水流動的方

向，y軸為河流的寬度方向，z軸在河床的垂直方向，屬于水深方向。河底

的坡度角α＝1，sinα≌tgα＝S_x，故河床坡度S_x可以表示成如下形式：

河流斷面的水流速度因湍流作用而不均勻分布，可采用彌散系數(shù)E_x校正

因湍流造成水流速度的不均勻性。本申請采用菲希爾提出的對不規(guī)則的天然河流的近似估算公式：

式中，u*表示摩擦阻流速(單位m/s)，

在具體實施時，重力加速度g取值可以為9.8m/s²，彌散系數(shù)E_x取值可以為：0≤E_x≤100km²/d(即平方千米/天)。

斷面上各點的流速u是不同的，流速的不均勻系數(shù)β可以反映流速u在斷 面上的不均勻程度，具體可以采用如下公式計算：

式中ρ表示水的密度，具體實施時可以取值ρ_水＝1000kg/m³。

在非恒定流的情況下，水流承受的阻力與恒定流情況差別不大，而在恒定流情況下，摩擦阻力S_f與由河床坡度引發(fā)河水推動力f是平衡的。本申請優(yōu)選采用下述曼寧公式計算摩擦阻力S_f：

式中，

斷面平均速度

曼寧系數(shù)n越大，表示河床摩擦力越大，相對流速值則會相應(yīng)減小。曼寧系數(shù)n的值一般由實驗數(shù)據(jù)測得，使用時可查表選用。

水力半徑R為斷面面積A(A＝H.B_w)除以濕邊周長(2H+2B_w)，即：

上述過程建立的一維水動力模型的形式如圖2所示。在圖2所示的模型中，設(shè)置有兩個支流匯入和兩個支流流出，如果支流數(shù)量增加，可以方便地在模型中進行擴展。其中：

insite1、insite2分別代表兩個匯入支流的位置，q_in1和q_in2代表兩個支流匯入的單位流量(水庫放水會造成某時段流量的增加)；q_in1＝Q_in1/B_w；q_in2＝Q_in2/B_w。

outsite1、outsite2分別代表主河段流出的兩個支流的位置，q_out1和q_out2代表兩個支流流出的單位流量；q_out1＝Q_out1/B_w；q_out2＝Q_out2/B_w。

在進一步的優(yōu)選實施例中，水污染事故污染帶到達各斷面的模擬時間具體采用如下公式計算：

t_(x+Δx)＝t_x+Δx/ū_x

其中，當(dāng)x＝0時，t_x＝0。

在另一進一步的優(yōu)選實施例中，上述一維水動力模型還可以包括狀態(tài)變量的速率控制參數(shù)，其中：

上述公式中，hr表示狀態(tài)變量H的速率控制參數(shù)，slope表示狀態(tài)變量Q的第一速率控制參數(shù)，qr表示狀態(tài)變量Q的第二速率控制參數(shù)。

對于前述的各方法實施例，為了描述簡單，故將其都表述為一系列的動作組合，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該知悉，本申請并不受所描述的動作順序的限制，因為根據(jù)本申請，某些步驟可以采用其他順序或同時執(zhí)行；其次，本領(lǐng)域技術(shù)人員也應(yīng)該知悉，上述方法實施例均屬于優(yōu)選實施例，所涉及的動作和模塊并不一定是本申請所必須的。

參照圖5，示出了本申請實施例一種模擬水污染事故污染帶時空分布的裝置結(jié)構(gòu)示意圖，所述裝置包括：

圖形建模接口51，用于接收建立一維水動力模型所需的狀態(tài)變量和輔助變量。

模型創(chuàng)建模塊52，用于建立所述狀態(tài)變量與輔助變量的關(guān)聯(lián)關(guān)系，形成一維水動力模型。

當(dāng)用戶輸入的狀態(tài)變量為河水深度H和河流流量Q，輔助變量為單位支流流入量q_in、單位支流流出量q_out、河面寬度B_w、流速的不均勻系數(shù)β、河流截面積A、重力加速度g、河床坡度S_x、河床高度B_h、河床摩擦阻力S_f、斷面的平均流速ū、彌散系數(shù)E_x、水力半徑R、曼寧粗糙度系數(shù)n和支流流速在河流方向的平均分流速v_x時，模型創(chuàng)建模塊52可以采用如下公式建立狀態(tài)變量H、Q及輔助變量之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系：

其中，x表示斷面與水污染事故發(fā)生地的距離，Δx表示相鄰斷面的間隔距離，t表示時間；輔助變量之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系為：

該彌散系數(shù)E_x的取值范圍可以設(shè)置為0～100平方千米/天。

其中ρ表示水的密度，u表示斷面上的點流速。

運算執(zhí)行模塊53，用于以已獲取的輔助變量參數(shù)值和其他輔助變量在可信度范圍內(nèi)的估計參數(shù)值為輸入?yún)?shù)，利用所述一維水動力模型計算各狀態(tài)變量在各斷面對應(yīng)時間的值。

結(jié)果生成模塊54，用于根據(jù)各狀態(tài)變量在各斷面對應(yīng)時間的值生成水污染事故污染帶到達各斷面的模擬時間。

具體實施時，結(jié)果生成模塊54可以具體采用如下公式計算水污染事故污染帶到達各斷面的模擬時間：

t_(x+Δx)＝t_x+Δx/ū_x，其中，當(dāng)x＝0時，t_x＝0。

在另一實施例中，上述一維水動力模型還可以包括狀態(tài)變量的速率控制參數(shù)，其中：

上述公式中，hr表示狀態(tài)變量H的速率控制參數(shù)，slope表示狀態(tài)變量Q的第一速率控制參數(shù)，qr表示狀態(tài)變量Q的第二速率控制參數(shù)。

需要說明的是，上述裝置實施例屬于優(yōu)選實施例，所涉及的單元和模塊并不一定是本申請所必須的。

本說明書中的各個實施例均采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可。對于本申請的裝置實施例而言，由于其與方法實施例基本相似，所以描述的比較簡單，相關(guān)之處參見方法實施例部分的說明即可。

以上對本申請所提供的一種模擬水污染事故污染帶時空分布的方法和裝置，進行了詳細介紹，本文中應(yīng)用了具體個例對本申請的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本申請的方法及其核心思想；同時，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本申請的思想，在具體實施方式及應(yīng)用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本申請的限制。