本发明涉及水质预测领域，特别是涉及一种基于水质模型的水质预测方法及系统。
背景技术：
水质预测包括水质中溶质(污染物)浓度分布的预测。现有的水质预测通常采用一维水质模型或者二维水质模型进行预测，一维水质模型计算速度快，二维水质模型计算精度高，但在复杂的水网交汇和入海口附近，采用一维水质模型或者二维水质模型都不能满足水质的模拟要求。
因此，本发明提供一种一维水质模型和二维水质模型耦合的水质模型，在接近平直的河流河道处采用一维水质模型，在水平尺度较大的河流弯道处、湖泊或入海口附近采用二维水质模型，将两者边界耦合计算，通过耦合后的水质模型对水质中污染物或者溶质的浓度进行预测，有利于提高模型的计算精度和效率，提高水质预测的精度和效率。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种基于水质模型的水质预测方法及系统，以提高水质预测的精度和效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于水质模型的水质预测方法，所述方法包括：
根据格子玻尔兹曼方法对待预测水质区域的河网或河段区域建立一维水质模型；
根据格子玻尔兹曼方法对待预测水质区域中的重点预测区域建立二维水质模型；所述二维水质模型边界处的网格宽度与所述一维水质模型边界处的河道断面宽度相等；
根据溶质粒子的质量和动量守恒，将所述一维水质模型和所述二维水质模型的边界耦合，得到耦合后的水质模型；所述耦合后的水质模型为所述一维水质模型和所述二维水质模型耦合后的模型；
根据所述耦合后的模型对所述待预测水质区域进行预测，获得所述待预测区域的参数预测结果。
可选的，所述根据溶质粒子的质量和动量守恒，将所述一维水质模型和所述二维水质模型的边界耦合，得到耦合后的水质模型，具体包括：
根据所述一维水质模型获得待预测水质区域中下游流向所述一维水质模型方向的粒子分布函数
根据所述二维水质模型获得待预测水质区域中上游流向所述二维水质模型方向的粒子分布函数
根据溶质粒子的质量守恒，获得
根据溶质粒子的动量守恒，获得
根据溶质粒子的质量守恒和动量守恒解得粒子的动量
根据所述粒子的动量获得待预测水质区域中下游流向所述一维水质模型方向的粒子分布函数为：
根据所述粒子的动量获得待预测水质区域中上游流向所述二维水质模型方向的粒子分布函数为：
根据上式将所述一维水质模型和所述二维水质模型的边界耦合，得到耦合后的水质模型。
可选的，所述根据所述一维水质模型获得待预测水质区域中下游流向所述一维水质模型方向的粒子分布函数
根据所述一维水质模型获得：
根据式(1)和式(2)变形获得待预测水质区域中下游流向所述一维水质模型方向的粒子分布函数
可选的，所述根据所述二维水质模型获得待预测水质区域中上游流向所述二维水质模型方向的粒子分布函数
根据所述二维水质模型获得：
其中，u2d(1)表示所述二维水质模型中第一排网格的纵向流速，v2d(1)表示所述二维水质模型中第一排网格的横向流速，v2d(1)≈0；；
根据式(3)、式(4)和式(5)获得待预测水质区域中上游流向所述二维水质模型方向的粒子分布函数
可选的，所述根据所述耦合后的模型对所述待预测水质区域进行预测，获得所述待预测区域的参数预测结果，具体包括：
根据所述耦合后的模型求解对流扩散方程对所述待预测水质区域进行预测，获得所述待预测区域的溶质浓度分布。
一种基于水质模型的水质预测系统，所述系统包括：
一维水质模型构建模块，用于根据格子玻尔兹曼方法对待预测水质区域的河网或河段区域建立一维水质模型；
二维水质模型构建模块，用于根据格子玻尔兹曼方法对待预测水质区域中的重点预测区域建立二维水质模型；所述二维水质模型边界处的网格宽度与所述一维水质模型边界处的河道断面宽度相等；
耦合模块，用于根据溶质粒子的质量和动量守恒，将所述一维水质模型和所述二维水质模型的边界耦合，得到耦合后的水质模型；所述耦合后的水质模型为所述一维水质模型和所述二维水质模型耦合后的模型；
水质预测模块，用于根据所述耦合后的模型对所述待预测水质区域进行预测，获得所述待预测区域的参数预测结果。
可选的，所述耦合模块具体包括：
第一粒子分布函数获取单元，用于根据所述一维水质模型获得待预测水质区域中下游流向所述一维水质模型方向的粒子分布函数
第二粒子分布函数获取单元，用于根据所述二维水质模型获得待预测水质区域中上游流向所述二维水质模型方向的粒子分布函数
粒子质量关系获取单元，用于根据溶质粒子的质量守恒，获得
粒子动量关系获取单元，用于根据溶质粒子的动量守恒，获得
粒子动量求解单元，用于根据溶质粒子的质量和动量守恒解得粒子的动量
第一粒子分布函数确定单元，用于根据所述粒子的动量获得待预测水质区域中下游流向所述一维水质模型方向的粒子分布函数为：
第二粒子分布函数确定单元，用于根据所述粒子的动量获得待预测水质区域中上游流向所述二维水质模型方向的粒子分布函数为：
边界耦合单元，用于根据上式将所述一维水质模型和所述二维水质模型的边界耦合，得到耦合后的水质模型。
可选的，所述第一粒子分布函数获取单元具体包括：
一维水质模型子单元，用于根据所述一维水质模型获得：
可选的，所述第二粒子分布函数获取单元，具体包括：
二维水质模型子单元，用于根据所述二维水质模型获得：
其中，u2d(1)表示所述二维水质模型中第一排网格的纵向流速，v2d(1)表示所述二维水质模型中第一排网格的横向流速，v2d(1)≈0；；
第二变形子单元，用于根据式(3)、式(4)和式(5)获得待预测水质区域中上游流向所述二维水质模型方向的粒子分布函数
可选的，所述水质预测模块根据耦合后的模型求解对流扩散方程对所述待预测水质区域进行预测，获得所述待预测区域的溶质浓度分布。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
对于待预测区域中河网或河段引入断面溶质流量的概念，把水流视为一维流动，建立一维水质模型，发挥一维水质模型快速准确模拟污染物或保守溶质的传输扩散过程的特点；对待预测区域中宽阔水域或重点预测区域，由于其水平空间尺度远大于垂向空间尺度，水质参数的横向变化要远小于水平方向的变化，采用平面二维水质模型来模拟，进而通过根据溶质粒子的质量和动量守恒，从微观粒子分布的角度，将一维水质模型和二维水质模型耦合，实现对整个待预测区域的水质预测过程。相对于单独使用一维水质模型，增加了浓度场的细节精度；与单独使用二维水质模型模拟相比，耦合模拟的计算效率更高，从而实现了对河湖交汇、入海口等水域高效而准确的水质模拟预测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于水质模型的水质预测方法的流程示意图；
图2为本发明基于水质模型的水质预测方法中一维水质模型和二维水质模型耦合的示意图；
图3为本发明基于水质模型的水质预测系统的结构示意图。
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本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明基于水质模型的水质预测方法的流程示意图。如图1所示，所述方法包括：
步骤100：根据格子玻尔兹曼方法对待预测水质区域的河网或河段区域建立一维水质模型。在建立一维水质模型之前，需要分析河湖系统、三角洲等典型研究区的污染物时空分布和传输特点，明确研究区河道、湖泊及三角洲地区的地形地貌、流量、水位、污染物浓度等必要条件，建立污染物降解、扩散、传输等环境资料数据库，为开展一、二维水质耦合模型的建立奠定基础。
运用格子波尔兹曼方法建立一维水质模型，对于待预测区域中的河网或河段引入断面溶质流量的概念，把水流视为一维流动，建立一维水质模型，发挥一维水质模型快速准确模拟污染物或保守溶质的传输扩散过程的特点。
步骤200：根据格子玻尔兹曼方法对待预测水质区域中的重点预测区域建立二维水质模型。对于待预测区域中宽阔水域或重点预测区域，由于其水平空间尺度远大于垂向空间尺度，水质参数的横向变化要远小于水平方向的变化，采用构建二维水质模型来模拟。
从溶质或污染物传输角度出发，采用基于一维和二维对流离散方程的数学模型进行描述。对一维河道或明渠，考虑水流梯度对溶质或污染物的弥散和离散作用，建立基于自适应网格的一维格子波尔兹曼模型；对于宽阔水域，考虑溶质或污染物降解，建立了二维水质耦合的多块格子波尔兹曼模型，以提高模型稳定性和计算精度。
步骤300：根据溶质粒子的质量和动量守恒，将所述一维水质模型和所述二维水质模型的边界耦合，得到耦合后的水质模型。
由于待预测区域内不同区域采用不同的计算方法具有不同的精度，因此需要考虑采用不同耦合方法形成一、二维耦合水质模型覆盖整体计算域。充分考虑一、二维水质模型溶质浓度随区域边界变化而形成动态变化的特点，最终确定了耦合边界位置的基本原则与方法。在处理耦合边界问题时，在耦合模型连接断面处，根据溶质质量相等，通量相同条件，并将这些条件以格子波尔兹曼方法中的粒子平衡分布函数表达，在保证污染物质量和动量守恒的基础上，可以更加方便合理地完成一维、二维模拟区域边界耦合。同时，为保持格子波尔兹曼方法的运行稳定性，在处理边界耦合时要保持网格本地相关性和稳定条件。
一维和二维格子波尔兹曼水质模型都是现有的高效而准确的水质模型，可分别模拟明渠河网和湖库中的溶质传输过程。现有的水质模型耦合利用一维水质模型计算的流速和二维水质模型计算得到的水深，保证了两个维度模型的动态相关，但是使用了零梯度边界条件，不可避免的引入了计算误差。因此，为了避免计算误差，本发明利用格子波尔兹曼的微观粒子的分布特点，从微观粒子分布的角度耦合一、二维格子波尔兹曼模型，可以避免使用零梯度边界，从根本上解决其他传统耦合方法的计算误差问题，而且也更符合格子波尔兹曼计算微观动态分布的特点，保持微观粒子反映宏观变量的介观尺度数值方法的独特属性。格子波尔兹曼数值方法是一种使用微观粒子分布，描述宏观物理量变化的介观尺度数值方法，本发明利用格子波尔兹曼方法特有的粒子分布特性，耦合一、二维水质模型的粒子耦合方法，是一种全新的尝试。
具体一维水质模型和二维水质模型耦合的过程参照图2，图2为本发明基于水质模型的水质预测方法中一维水质模型和二维水质模型耦合的示意图。如图2所示，假设水流从一维水质模型流向二维水质模型区域，且二维水质模型边界处3个网格的宽度与一维水质模型边界处的河道断面宽度相同，则一、二维水质模型边界处的网格由图2可见，左侧的网格为一维水质模型的最后一个网格，而右侧的3个网格为二维水质模型最上游的第一排网格，即第一排网格。s0、s1、s2、s3…表示网格中不同方向的粒子速度矢量。一维水质模型和二维水质模型在耦合边界处，一维水质模型流向二维水质模型方向的粒子分布函数
利用已知方向的微观粒子，确定未知方向的粒子分布，便可实现一维水质模型和二维水质模型的边界耦合。
将溶质粒子在边界处的质量守恒和动量守恒条件，作为一、二维水质模型耦合的连续条件，即
其中m1d(end)表示一维水质模型最后一个网格的单宽溶质质量，
由格子玻尔兹曼一维水质模型可以得到下面的公式
其中s1d表示所述一维水质模型中溶质粒子的粒子速度。
将(3)式进行变换得到
此公式可以用作一维水质模型的出流边界，将(4)代入(2)可以得到
由格子玻尔兹曼二维水质模型可以得到
当水流纵向(上游至下游或下游至上游的流动方向)的流速远远小于横向(与纵向垂直的方向称之为横向)的流速时，即v＜＜u，可以近似得认为v2d(1)≈0(9)
则通过式(7)和(8)变形得到
以上(6)-(8)三个公式，用作二维格子波尔兹曼模型的入流边界条件计算公式。将(9)、(10)代入(6)可以得到
将(5)和(11)代入(1)可以得到
将
将
其中
使用上述的公式，一维水质模型和二维水质模型边界处未知的粒子分布，都根据已知的粒子分布计算补充完整了，并且保证了两个维度的模型在耦合边界处的溶质浓度和通量相等，也就满足了质量和动量守恒定律，实现了一维水质模型和二维水质模型的耦合。
步骤400：根据所述耦合后的模型对所述待预测水质区域进行预测，获得所述待预测区域的参数预测结果。以预测水质中污染物溶质浓度为例，根据耦合后的模型求解对流扩散方程对待预测水质区域进行预测，获得待预测区域的溶质浓度分布，还可以利用耦合后的模型预测水域中有毒物质的其他参数。
图3为本发明基于水质模型的水质预测系统的结构示意图。如图3所示，所述系统包括：
一维水质模型构建模块301，用于根据格子玻尔兹曼方法对待预测水质区域的河网或河段区域建立一维水质模型；
二维水质模型构建模块302，用于根据格子玻尔兹曼方法对待预测水质区域中的重点预测区域建立二维水质模型；所述二维水质模型边界处的网格宽度与所述一维水质模型边界处的河道断面宽度相等；
耦合模块303，用于根据溶质粒子的质量和动量守恒，将所述一维水质模型和所述二维水质模型的边界耦合，得到耦合后的水质模型；所述耦合后的水质模型为所述一维水质模型和所述二维水质模型耦合后的模型；
水质预测模块304，用于根据所述耦合后的模型对所述待预测水质区域进行预测，获得所述待预测区域的参数预测结果。例如，对于水质污染物溶质浓度的预测，所述水质预测模块304根据耦合后的模型求解对流扩散方程对待预测水质区域进行预测，获得待预测区域的溶质浓度分布。
所述耦合模块303具体包括：
第一粒子分布函数获取单元，用于根据所述一维水质模型获得待预测水质区域中下游流向所述一维水质模型方向的粒子分布函数
第二粒子分布函数获取单元，用于根据所述二维水质模型获得待预测水质区域中上游流向所述二维水质模型方向的粒子分布函数
粒子质量关系获取单元，用于根据溶质粒子的质量守恒，获得
粒子动量关系获取单元，用于根据溶质粒子的动量守恒，获得
粒子动量求解单元，用于根据溶质粒子的质量和动量守恒解得粒子的动量
第一粒子分布函数确定单元，用于根据所述粒子的动量获得待预测水质区域中下游流向所述一维水质模型方向的粒子分布函数为：
第二粒子分布函数确定单元，用于根据所述粒子的动量获得待预测水质区域中上游流向所述二维水质模型方向的粒子分布函数为：
边界耦合单元，用于根据上式将所述一维水质模型和所述二维水质模型的边界耦合，得到耦合后的水质模型。
其中，所述第一粒子分布函数获取单元具体包括：
一维水质模型子单元，用于根据所述一维水质模型获得：
第一变形子单元，用于根据式(1)和式(2)变形获得待预测水质区域中下游流向所述一维水质模型方向的粒子分布函数
所述第二粒子分布函数获取单元，具体包括：
二维水质模型子单元，用于根据所述二维水质模型获得：
其中，u2d(1)表示所述二维水质模型中第一排网格的纵向流速，v2d(1)表示所述二维水质模型中第一排网格的横向流速，v2d(1)≈0；；
第二变形子单元，用于根据式(3)、式(4)和式(5)获得待预测水质区域中上游流向所述二维水质模型方向的粒子分布函数
本发明通过确定一维水质模型和二维水质模型未知方向的粒子分布，由已知的微观粒子分布计算得到了，不仅保证了微观粒子在一、二维水质模型间传递的质量守恒，而且保证了物质的动量守恒，准确还原了模型间溶质粒子的交互运动过程，是一种基于微观粒子解的一、二维水质模型的耦合方式。与其他方法不同，粒子耦合法仅仅补充未知的方向的粒子分布，不需要重新计算边界网格所有方向的粒子分布；不需要重叠一段区域，来保证计算准确，也没有引入可能带来计算误差的零梯度边界，同时计算相对独立，两个维度的模型可以单独计算，模型耦合时只有耦合边界的网格参与耦合计算，大大降低了耦合模型的复杂度；而且耦合计算可以在同一个时间步长内完成，有利于模型的再利用和并行计算的实施。粒子法耦合一、二维格子boltzmann水质模型，是一种准确、高效、全新的水质模型耦合方式。其耦合原理也同样可以应用于一、三维水质模型的耦合，或者二、三维水质模型的耦合当中，具有原理的通用性。
粒子法耦合一、二维格子boltzmann水质模型，利用补充的溶质动量守恒原理，在微观层面求解了一、二维水质模型间，污染物或者溶质粒子的耦合传递机理，利用了格子boltzmann方法用微观粒子反映宏观参数变化的介观尺度方法的特点，具有较强的实用性和通用性，为格子boltzmann方法模拟不同维度中的水质传递问题，提供了高效而准确的耦合解决方案，而且其原理同样可以应用于侧向水质耦合模型，具有广阔的应用前景。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。