专利名称：水质信息计算装置及方法
技术领域：
本发明涉及水质分析技术领域，特别地，涉及一种水质信息计算装置及方法。
背景技术：
近年来我国重大水污染事故频繁发生，对生态环境、人民健康及社会安全造成严重影响。例如，发生在2005年11月份的松花江水污染事故和12月份的广东北江镉污染都是重大水污染事故的典型案例。在水污染事故的应急过程中，迫切需要掌握污染带的时空分布及污染物的浓度，从而快速、有效地制订应急响应的策略方案。为满足水污染事故快速处置的要求，结合事故现场的实际监测数据，利用水质数学模型(简称“水质模型”)对污染团到达各重要断面的时间、浓度、影响范围等做出及时准确的预测，模拟各种应急策略和方案的效果，为事故的应急决策提供定量参考的依据，是提升环境事故应急能力的重要途径。美国环境保护局提出的水质模型系统，Water Quality Analysis SimulationProgram (WASP),是为分析池塘、湖泊、水库、河流、河口和沿海水域的一系列水质问题而设计的动态的多箱式模型，研究的问题包括生化需氧量(BOD)、溶解氧(DO)动力学、营养物/富营养化、有毒化学成分运移等，在国外被广泛地用于预测水质对自然和人为污染的反应。WASP包括两个独立的计算程序=DYNHYD和WASP，它们可以联合运行，也可以独立运行。DYNHYD是水动力学程序，用来模拟水的动力学过程；WASP是水质程序，它模拟水中各种污染物的运动与相互作用，包括EUTRO和TOXI是两个子模型，它们可以装入水质程序中运行。其中TOXI模拟有毒物质的污染，包括有机污染物、重金属和底泥；EUTR0用来分析传统的污染，包括溶解氧、生化需氧量、氮和磷等营养素。WASP提供了一个很灵活的模拟系统，在其基本程序中反映了对流、弥散、点杂质负荷与扩散杂质负荷以及边界的交换等随时间变化的过程，包括了溶解氧、富营养化、有毒物和有机化合物等四个动力学平衡计算过程。经简化WASP模型可用下式表示
权利要求
1.一种水质信息计算装置，用于水污染事故中模拟计算污染物的浓度，其特征在于，包括信息输入模块，用于输入上游河流断面反映污染物浓度的信息；计算模块，用于根据所述信息输入模块的输入信息，采用二维水质模拟系统动力学模型计算下游河流断面污染水质的污染物浓度；显示模块，用于显示所述信息输入模块输入的信息及所述计算模块输出的计算结果。
2.根据权利要求I所述的水质信息计算装置，其特征在于，所述信息输入模块输入的信息包括初始断面的污染物浓度值、河流断面的纵向流速、河流断面的纵向弥散系数、河流断面的横向弥散系数、河流断面污染物的衰减速率系数、河流模拟纵向空间步长、横向空间步长。
3.根据权利要求I所述的水质信息计算装置，其特征在于，所述计算模块采用的二维水质模拟系统动力学模型具体为dC r d2C r d2C dC . —=Ex ~r + Ev —-u-~- kC dt dxdy dx其中，C代表河流断面的污染物浓度，Ex代表河流断面的纵向弥散系数，Ey代表河流断面的横向弥散系数，Ux代表河流断面的纵向流速，k代表河流断面污染物的衰减速率系数。
4.根据权利要求I所述的水质信息计算装置，其特征在于，所述计算模块具体包括 流入速率计算单元，用于根据所述信息输入模块输入的相关信息，计算河流断面经对流和弥散后的污染物浓度流入速率；所述相关信息包括初始断面的污染物浓度值、河流断面的纵向流速、河流断面的纵向弥散系数、河流断面的横向弥散系数、河流模拟纵向空间步长、河流模拟横向空间步长；流出速率计算单元，用于根据所述信息输入模块输入的相关信息，计算河流断面经过对流、弥散和衰减后的污染物浓度流出速率；所述相关信息包括初始断面的污染物浓度值、河流断面的纵向流速、河流断面的纵向弥散系数、河流断面的横向弥散系数、河流断面污染物浓度的衰减速率系数、河流模拟纵向空间步长、河流模拟横向空间步长；浓度计算单元，用于根据所述流入速率计算单元获得的污染物浓度流入速率和所述流出速率计算单元获得的污染物浓度流出速率计算某一时刻某河流断面污染物的浓度值。
5.根据权利要求4所述的水质信息计算装置，其特征在于，所述计算模块还包括距离计算单元，用于根据所述信息输入模块输入的河流断面的纵向流速，计算污染物在模拟时间内流过的距离。
6.根据权利要求5所述的水质信息计算装置，其特征在于，所述显示模块还用于以表函数或图形方式呈现河流断面的纵向流速、河流断面的纵向弥散系数、河流断面的横向弥散系数、河流断面污染物浓度的衰减速率系数与污染物在模拟时间内流过的距离之间的关系O
7.根据权利要求2所述的水质信息计算装置，其特征在于，所述河流模拟纵向空间步长Δχ、横向空间步长Ay满足以下条件U At < 1 At iΔχ u Ax2 2 Ex Ay2 2Ey其中，u代表河流断面的纵向平均流速，Ex代表河流断面的纵向弥散系数，Ey代表河流断面的横向弥散系数。
8. 一种水质信息计算方法，利用权利要求I至7任一所述的水质信息计算装置模拟计算水质污染物浓度，其特征在于，包括信息输入模块接收包括初始断面的污染物浓度值、河流断面的纵向流速、河流断面的纵向弥散系数、河流断面的横向弥散系数、河流断面的污染物浓度衰减速率系数、河流模拟纵向空间步长、河流模拟横向空间步长信息；计算模块根据上述信息，采用二维水质模拟系统动力学模型计算下游河流断面污染水质的污染物浓度。
全文摘要
本发明提供了一种水质信息计算装置及方法，用于水污染事故中模拟计算污染物的浓度。其中，水质信息计算装置包括信息输入模块，用于输入上游河流断面反映污染物浓度的信息；计算模块，用于根据所述信息输入模块的输入信息，采用二维水质模拟系统动力学模型计算下游河流断面污染水质的污染物浓度；显示模块，用于显示信息输入模块输入的信息及计算模块输出的计算结果。本发明提供的水质信息计算装置将系统动力学应用于水污染事故水质变化的动态模拟研究，建立了二维水质模拟系统动力学模型，对污染物在河流中通过对流、弥散以及由化学反应和生物吸收引起的衰减等物理、化学和生物过程导致的浓度变化进行动态仿真模拟，对下游断面污染物的浓度进行预测。
文档编号G06F19/00GK102609603SQ20111002356
公开日2012年7月25日 申请日期2011年1月21日 优先权日2011年1月21日
发明者张波 申请人:张波