本发明涉及城市水环境预测改善领域，具体为一种用于预测河道水体透明度的原位清水置换方法。
背景技术：
：通过标本兼治的综合措施的推进，城区河道从污染指标上分析水质较好，但最直观的感观指标水体透明度、色度等仍不尽理想，河道水体透明度仍基本维持在30~50cm，透明度达标率在水质提升行动前后均相当低，离水体感观指标的c类（色度不超过25、无明显异嗅、不得含有漂浮的浮膜、油斑和聚集的其他物质、透明度大于50cm）水体标准相差甚远，与百姓的期望值差距还很大，决定在现有水环境保护基础上，通过控源截污、水源治理、活水扩面、清淤贯通、生态净水五大任务，实现城市中心区水体质量全面提升。本发明通过原型观测获取城区清水工程所需基础水质、水动力本底数据；测定相关水质、水动力指标进行水动力和水环境响应机制专题研究，揭示改善河网生态环境关键因子的水动力响应关系；预测清水工程方案水动力与水质改善效果。边际效益：工程或设备在某一规模处每增加一个单位规模(如库容或装机容量)所能增加的效益。水力学包括水静力学和水动力学；水静力学研究液体静止或相对静止状态下的力学规律及其应用，探讨液体内部压强分布，液体对固体接触面的压力，液体对浮体和潜体的浮力及浮体的稳定性，以解决蓄水容器，输水管渠，挡水构筑物，沉浮于水中的构筑物，如水池、水箱、水管、闸门。堤坝、船舶等的静力荷载计算问题；水动力学研究液体运动状态下的力学规律及其应用，主要探讨管流、明渠流、堰流、孔口流、射流多孔介质渗流的流动规律，以及流速、流量、水深、压力、水工建筑物结构的计算，以解决给水排水、道路桥涵、农田排灌、水力发电、防洪除涝、河道整治及港口工程中的水力学问题。技术实现要素：1、本发明要解决的技术问题本发明的目的在于提供一种用于预测河道水体透明度的原位清水置换方法，以解决上述
背景技术：
中提出的问题：城区河道从污染指标上分析水质较好，但最直观的感观指标水体透明度、色度等仍不尽理想，河道水体透明度仍基本维持在30~50cm，透明度达标率在水质提升行动前后均相当低，离水体感观指标的c类（色度不超过25、无明显异嗅、不得含有漂浮的浮膜、油斑和聚集的其他物质、透明度大于50cm）水体标准相差甚远，而且盲目的建设清水工程会造成浪费，增大了财力、物力和人力的投入。2、技术方案为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：一种用于预测河道水体透明度的原位清水置换方法，其步骤为：（1）、进行原位清水置换实验，获取清水置换率c与水体透明度的特征曲线图：①通过资料收集和原型观测，获取所需基础水质和水动力本底数据，选取城市城区中心区主干河道水位断面的特征点n个；②同步对n个特征点利用原位清水置换装置进行原位清水置换试验，设置原水：清水为10:0、9:1、8:2、7:3、6:4、5:5、4:6、3:7、2:8、1:9、0:10的清水置换率；③测量置换后的水体透明度，根据试验结果得到置换率（c=w清/w原）和水体透明度的特征关系曲线；（2）、构建水动力-水质数学模型：①通过资料收集和原型观测，获取所需基础水质和水动力本底数据，使用取水器、塞氏盘、卷尺、ss滤膜、ss悬浮物过滤器、铝锡箔纸、记号笔、水样桶、试验量筒、便携式浊度仪、ph、溶氧仪和adcp测流设备，测量河道水系水位z、河宽b、水质、水力半径r、过水断面积a、流量q和流速u，对城市中心区主干河道进行断面分类；实测断面：根据实测断面数据构建；概化断面：对部分缺失断面数据以及需要加密的河段，依据该河实测的河口宽度、河底宽度、河岸高程、河底高程、边坡比等数据进行概化处理；内插断面：进行断面加密时，根据已有断面进行线性内插；②确定城市中心区水动力-水质数学模型共需创建断面数m个，以及模型共建河道总长度skm，和引入水源的总体积v万m³/d；③确定城市中心区主干河道所需的水工建筑物包括的闸门、泵站和堰等的个数；通过infoworksicm软件编写rtc来对闸门、泵站和堰添加调度规则；④根据相关参考文献中有关人工渠道以及天然河道的经验值赋予观察河道不同的糙率初始值，总体原则为高级别河道糙率小于低级别河道、端面较宽河道小于断面较窄的河道；⑤通过st.vennant方程组以及上述测量数据，构建水动力-水质数学模型；（3）、对水动力-水质数学模型率定①采用原型观测水位、流量数据对模型进行率定；②采用率定后的河道糙率，对原型观测期间清水工程原型观测结果进行反演计算，并对计算结果与原型观测成果进行对比分析；（4）、通过水动力-水质数学模型和清水置换率与透明度关系论证清水工程规模和效果：①通过模拟引入水源的总体积v1万m³/d、v2万m³/d、v3万m³/d、v4万m³/d、v5万m³/d，对城区重点河道进行比较研究，分别比较各引水总体积条件下河段能够达到的河水透明度，以及达到0.8m透明度、1.0m透明度和1.5m透明度所需要的时间；②分类统计城市中心区各河道在引水规模范围内0.8m透明度达标率的差别，进行对比，选择最佳引水总体积，从而确定清水工程规模。优选的，所述的st.vennant方程和边界条件以及初始条件共同组成一维水流运动的定解问题。描述河道水动力过程的一维圣维南方程组由连续方程和动量方程组成：式中：x，t分别为河道纵向坐标及时间；n为糙率系数；q、z分别为断面流量及水位；q为单位河长的旁侧入流量；a为过水断面积；u、r分别为过水断面平均流速及水力半径；为水位相同时的断面沿程变化率；g为重力加速度；bt=b+bw，其中b和bw分别为河宽和附加滩地宽度。优选的，所述的闸站、泵闸、溢流堰的调度分为两类：①原型观测期间的实际调度；②方案设计时的调度。优选的，所述的糙率初选结果为：主干河道选取0.030-0.040。优选的，所述的原位清水置换装置包括第一斜梯，所述第一斜梯的上端连接有工作板，所述工作板远离第一斜梯的一端连接有第二斜梯，且第一斜梯与第二斜梯相对称，所述工作板上设有观察口，所述工作板的下端通过连接杆固定连接有托架机构，所述托架机构包括固定环、伸缩杆和底座，所述固定环的上端与连接杆固定连接，所述固定环和底座之间通过伸缩杆连接，所述伸缩杆上设有锁紧螺钉，所述托架机构内侧设有观测装置，所述观测装置包括上桶、法兰和下桶，所述上桶和下桶通过法兰连接；所述工作板上设有收纳盒，且工作板的上端设有记录板；所述底座的表面设有防滑纹；所述固定环的下端和底座的上端设有相对应的环形槽，所述伸缩杆通过环形槽与固定环和底座滑动连接，所述环形槽的底部设有与伸缩杆相匹配的插槽；所述底座的上端设有放置槽。3、有益的效果与现有技术相比，本发明的有益效果是：先进行原位清水置换实验，获取清水置换率c与水体透明度的特征曲线图，再通过原型观测构建水动力-水质数学模型，接着对水动力-水质数学模型率定进行，最后通过水动力-水质数学模型、清水置换率与透明度关系论证清水工程规模和效果，从而使水体水质上升，水体的透明度达标，合理的建设清水工程也能够节省物力、财力和人力。附图说明图1为本发明的结构示意图；图2为本发明观测装置部分的结构示意图；图3实施例中置换率与水体透明度特征关系曲线；图4实施例中平江河观测断面水位对比图；图5实施例中山塘河观测断面水位对比图；图6实施例中古城片平江河河水透明度；图7实施例中古城片学士河河水透明度。图中标号说明：1、上桶；2、第一斜梯；3、工作板；4、观察口；5、固定环；6、法兰；7、伸缩杆；8、底座；9、下桶；10、连接杆；11、第二斜梯；12、锁紧螺钉。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护的范围。一种用于预测河道水体透明度的原位清水置换方法，步骤为：（1）、进行原位清水置换实验，获取清水置换率c与水体透明度的特征曲线图：①通过资料收集和原型观测，获取所需基础水质和水动力本底数据，选取城市城区中心区主干河道水位断面的特征点n个；②同步对n个特征点利用原位清水置换装置进行原位清水置换试验，设置原水：清水为10:0、9:1、8:2、7:3、6:4、5:5、4:6、3:7、2:8、1:9、0:10的清水置换率；③测量置换后的水体透明度，根据试验结果得到置换率（c=w清/w原）和水体透明度的特征关系曲线；（2）、构建水动力-水质数学模型：①通过资料收集和原型观测，获取所需基础水质和水动力本底数据，使用取水器、塞氏盘、卷尺、ss滤膜、ss悬浮物过滤器、铝锡箔纸、记号笔、水样桶、试验量筒、便携式浊度仪、ph、溶氧仪和adcp测流设备，测量河道水系水位z、河宽b、水质、水力半径r、过水断面积a、流量q和流速u，对城市中心区主干河道进行断面分类；实测断面：根据实测断面数据构建；概化断面：对部分缺失断面数据以及需要加密的河段，依据该河实测的河口宽度、河底宽度、河岸高程、河底高程、边坡比等数据进行概化处理；内插断面：进行断面加密时，根据已有断面进行线性内插；②确定城市中心区水动力-水质数学模型共需创建断面数m个，以及模型共建河道总长度skm，和引入水源的总体积v万m³/d；③确定城市中心区主干河道所需的水工建筑物包括的闸门、泵站和堰等的个数；通过infoworksicm软件编写rtc来对闸门、泵站和堰添加调度规则；④根据相关参考文献中有关人工渠道以及天然河道的经验值赋予观察河道不同的糙率初始值，总体原则为高级别河道糙率小于低级别河道、端面较宽河道小于断面较窄的河道；⑤通过st.vennant方程组以及上述测量数据，构建水动力-水质数学模型；（3）、对水动力-水质数学模型率定①采用原型观测水位、流量数据对模型进行率定；②采用率定后的河道糙率，对原型观测期间清水工程原型观测结果进行反演计算，并对计算结果与原型观测成果进行对比分析；（4）、通过水动力-水质数学模型和清水置换率与透明度关系论证清水工程规模和效果：①通过模拟引入水源的总体积v1万m³/d、v2万m³/d、v3万m³/d、v4万m³/d、v5万m³/d，对城区重点河道进行比较研究，分别比较各引水总体积条件下河段能够达到的河水透明度，以及达到0.8m透明度、1.0m透明度和1.5m透明度所需要的时间；②分类统计城市中心区各河道在引水规模范围内0.8m透明度达标率的差别，进行对比，选择最佳引水总体积，从而确定清水工程规模。进一步，st.vennant方程和边界条件以及初始条件共同组成一维水流运动的定解问题。描述河道水动力过程的一维圣维南方程组由连续方程和动量方程组成：式中：x，t分别为河道纵向坐标及时间；n为糙率系数；q、z分别为断面流量及水位；q为单位河长的旁侧入流量；a为过水断面积；u、r分别为过水断面平均流速及水力半径；为水位相同时的断面沿程变化率；g为重力加速度；bt=b+bw，其中b和bw分别为河宽和附加滩地宽度。进一步，闸站、泵闸、溢流堰的调度分为两类：①原型观测期间的实际调度；②方案设计时的调度。进一步，糙率初选结果为：主干河道选取0.030-0.040。进一步，原位清水置换装置包括第一斜梯2，第一斜梯2的上端连接有工作板3，工作板3远离第一斜梯2的一端连接有第二斜梯11，且第一斜梯2与第二斜梯11相对称，工作板3上设有观察口4，工作板3的下端通过连接杆10固定连接有托架机构，托架机构包括固定环5、伸缩杆7和底座8，固定环5的上端与连接杆10固定连接，固定环5和底座8之间通过伸缩杆7连接，伸缩杆7上设有锁紧螺钉12，托架机构内侧设有观测装置，观测装置包括上桶1、法兰6和下桶9，上桶1和下桶9通过法兰6连接；工作板3上设有收纳盒，且工作板3的上端设有记录板；底座8的表面设有防滑纹；固定环5的下端和底座8的上端设有相对应的环形槽，伸缩杆7通过环形槽与固定环5和底座8滑动连接，环形槽的底部设有与伸缩杆7相匹配的插槽；底座8的上端设有放置槽。具体实施方式：在苏州城市中心区主干河道选取特征点位73个，利用原位清水置换装置进行原位清水置换试验。设置原水：清水为10:0、9:1、8:2、7:3、6:4、5:5、4:6、3:7、2:8、1:9、0:10的清水置换率，测量置换后的水体透明度，根据试验结果得到置换率（c=w清/w原）和水体透明度的特征关系曲线。将清水置换率c作为恒定非衰减污染物考虑，带入苏州大包围模型进行计算，得出关注断面的c值，然后通过置换率与水体透明图特征关系曲线确定每个断面的透明度。本次试验仪器为定制的2m高*0.5m直径的圆桶实验装置，试验过程中清水以自来水代替，透明度估算为2m，原水直接从河中取表中底层水，按比例置换后，测圆桶水体透明度试验所选取的73个点位，得到3曲线图。苏州城市中心区水动力-水质数学模型中断面的创建有如下3种类型：①实测断面：根据实测断面数据构建；②概化断面：对部分缺失断面数据以及需要加密的河段，依据该河实测的河口宽度、河底宽度、河岸高程、河底高程、边坡比等数据进行概化处理；③内插断面：进行断面加密时，根据已有断面进行线性内插，苏州城市中心区水动力-水质数学模型共创建3681个断面，模型共建河道总长度153.6km。模型构建中所需概化的水工建筑物主要包括闸门、泵站和堰等，苏州内共创建闸门84座、泵站54座、活动溢流堰2座。icm软件通过编写rtc（realtimecontrol）来对闸站、泵站以及堰添加调度规则。本项目闸站、泵闸、溢流堰的调度分为两类：①原型观测期间的实际调度；②方案设计时的调度。根据相关参考文献中有关人工渠道以及天然河道的经验值赋予不同的糙率初始值。总体原则为高级别河道糙率小于低级别河道、断面较宽河道小于断面较窄的河道。糙率初选结果为：主要河道（干将河、临顿河、山塘河等）选取0.030-0.040。采用原型观测水位、流量数据对模型进行率定，率定结果如下：主要河道：盘门内城河n为0.0304、干将河n为0.0385、临顿河n为0.0370，其他河道介于0.0240-0.0438。采用率定后的河道糙率，对原型观测期间的苏州清水工程原型观测结果进行反演计算，并对计算结果进行对比。选取重点河道的平江河和山塘河观测断面，将计算结果与原型观测成果进行对比分析，水位对比过程见下图4和图5。数学模型中的河道水位、流量、流速数据计算值与实测值大小和波动趋势都吻合较好，古城片调水期间水位平均误差约1.2cm，山塘片调水期间水位平均误差2.9cm，在精度满足实验的应用需求。模型中设置了五种引水规模进行选择，分别为120万m³/d、140万m³/d、150万m³/d、160万m³/d、180万m³/d。选取苏州城区重点河道平江河和学士河为例进行比较研究，分别比较各引水规模条件下平江河以及学士河段能够达到的河水透明度，以及达到0.8m透明度、1.0m透明度、1.5m透明度所需要的时间，如图6和图7。分别统计苏州城市中心区各河道在120-180万m³/d五种引水规模80cm透明度达标率的差别，120-150万m³/d透明度达标提升明显；1-2天内，150-180万m³/d透明度达标率直线上升，3d以后，150-180万m³/d透明度达标率上升幅度不明显，边际效益下降。因此选择工程规模150万m³/d是合理的。引水规模120万m³/d140万m³/d150万m³/d160万m³/d180万m³/d1d12.522.5303542.52d4052.562.570.5753d7078.582.583.5854d75.581.584.585.5886d82.59092.59597.5表1五种引水规模80cm透明度达标率引水工程工程规模150万m³/d改善效果良好。150万m³/d规模下，引水两天后，山塘河、平江河改善至透明度1.5m；古城片、山塘片大部分改善至透明度1m，其他片区大部分能改善至透明度0.8m。引水稳定后，古城片、山塘片大部分河道透明度1.5m以上，城西、城南北部大部分河道透明度1.0m以上；将原位清水置换实验结合苏州城市中心区水动力-水质数学模型进行水体透明度预测，所构建的水动力-水质模型能更好的符合苏州城市中心区的实际。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。当前第1页12