基于Delft3D模型的计算机程序化计算水环境容量的方法与流程

本发明涉及污染减排与污染物排放总量控制等环境管理领域，具体涉及一种基于delft3d模型的计算机程序化计算水环境容量的方法。

背景技术：

环境容量是环境科学的基本理论问题之一，是环境管理的重要实际应用问题之一水环境容量是环境容量的重要组成部分，是容量总量技术体系的核心内容之一。随着中国水环境管理体系从浓度控制、目标总量控制向容量总量控制的转变，实现流域水质目标管理与水功能区限制纳污红线管理，水环境容量理论及计算方法研究的重要性更加凸显。中国最初的水环境容量计算方法之一是从定义出发而直接建立其计算公式的，可以称这种计算方法为公式法；随着研究的深入，又结合了水环境数学模型公式，即基于水环境容量定义及水环境数学模型，推导一定条件下的水环境容量计算公式，基于水动力模型和水质模型计算水环境容量计算公式中所需各项参数，进而代入公式计算水环境容量。由于所推导的水环境容量计算公式也被称为水环境容量模型(周密等最早使用了“水环境容量数学模型”、“水环境容量模型”的概念)，故公式法又名水环境容量模型法。

水环境容量的计算模型(计算公式)很多，但其基本形式均为:水环境容量＝稀释容量+自净容量+迁移容量。随着研究的逐步深入，水环境容量计算公式逐步完善，且根据不同的污染物、不同的水体而建立不同的计算公式。公式法可以认为是各类方法中最基本的方法，其他各类方法的计算也以水环境容量计算公式为基础，由于不同工况下公式概化方法存在差别，正如所示，公式法有不同的表达方式，这也会使得水环境容量的计算结果有所不同；特别是早期阶段，由于水环境容量定义本身即差别较大，则计算结果必然存在差别，故早期阶段只能对水环境容量进行粗略估算，同时时间和空间精度差，经验依赖性较大。

近年来随着数值模型和计算机技术的发展，水动力场、水质场的模拟和预测模型有了很大的进步，以delft3d模型为例，输入特殊点(上游、下游、支流等)的数据(流量、水位、水质等)，模型可以通过这些离散的数据对整个水体的水动力场和水质场进行模拟，时间分辨率可以精确到秒，空间分辨率可以精确到1m，

然后通过编制计算机程序实现自动化计算，最终实现任意水体任意时间的水环境容量计算，因此，本发明提供一种基于delft3d模型的计算机程序化计算水环境容量的方法。

技术实现要素：

针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明提供一种基于delft3d模型的计算机程序化计算水环境容量的方法。有效的解决了早期阶段只能对水环境容量进行粗略估算，同时时间和空间精度差，经验依赖性较大的问题。

基于delft3d模型的计算机程序化计算水环境容量的方法，其特征在于，计算步骤如下：

步骤一、选取某河道为研究范围，以该河道x的环境容量计算为例，该河道目标端面功能水质为f类水质，计算该断面满足f类水质标准的时候，该河道的x水环境容量；

步骤二、根据模型的研究范围，对该河道进行正交曲线网格的绘制，得到一个含有网格数为a的网格，该河道的平均水深设置为n；

步骤三、设置模型边界条件包括上游来流边界条件、沿途支流边界条件；

步骤四、在该河道研究范围的上游额外设置一个释放点，释放点的流量、排放浓度分别设置为m、l，采用delft3d模型系统通过输入上游来流边界条件、沿途支流边界条件以及释放点x的流量m和排放浓度l，输出得到目标考核断面x的浓度，将释放点流量m确定，不断调整排放浓度l数值，使得在目标断面处的x浓度刚好到达f类标准值；

步骤六、模型计算完毕后，从模型中提取相关数据进行x的水环境容量的计算，公式如下：

通过计算公式：

公式中abs是一个绝对值的符号，表示对后面的计算值取绝对值；假设设置了n+1个数据，时间分别记为：t0,t1…tn、单位：min，对应的流量分别为：q0,q1…qn、单位：m³/s，对应的浓度分别为：c0,c1…cn、单位：kg/m³；

其中，第一个数据为模型开始时间的数据，第n个数据为模型结束时间的数据。计算出来的值除以模拟时间天数除以1000，得到单位为t/d的x环境容量。

优选的，所述步骤三中所设置的边界条件为污染物x的流量以及污染物x浓度的监测值。

优选的，所述步骤六中从模型中提取的相关数据是指在：t0,t1…tn、单位：min，每个时间段内污染物x的流量和浓度。

(1)由于delft3d模型可利用特定的离散的水文水质数据，经计算输出时间精确到秒，空间精确到米的水动力场和水质场，通过编制计算机程序实现自动化计算，最终可实现任意水体任意时间段的水环境容量计算；

(2)本发明可以快速准确的计算所关注水体的水环境容量，为水体周边污染排放和水环境相关政策的制定提供科学依据。

附图说明

图1为该河道模型网格示意图；

图2为该河道地形示意图；

图3为模型建模流程图；

图4为该模型边界分布图；

图5为下游目标监测点与该模型位置关系示意图。

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图1至图5对实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的结构内容，均是以说明书附图为参考。

下面将参照附图描述本发明的各示例性的实施例。

实施例1，基于delft3d模型的计算机程序化计算水环境容量的方法，其特征在于，计算步骤如下：

步骤一、选取某河道为研究范围，以该河道氨氮的环境容量计算为例，假设该河道目标端面功能水质为v类水质，计算该断面满足v类水质标准的时候，该河道的氨氮水环境容量，所述的v类水质为《地表水环境质量标准》gb3838-2002中的标准，《地表水环境质量标准》gb3838-2002中地表水质分类为i类，ii类，iii类，iv类，v类；

步骤二、根据模型的研究范围，对该河道进行正交曲线网格的绘制，得到一个含有网格数为5971的网格，该河道的平均水深设置为1米；

步骤三、设置模型边界条件包括上游来流边界条件、沿途支流边界条件，该边界条件为不同上游来流以及沿途支流中水流条件和水质条件的监测值；

步骤四、在该河道研究范围的上游额外设置一个释放点，释放点的流量、排放浓度分别设置为m、l，采用delft3d模型系统通过输入上游来流边界条件、沿途支流边界条件以及释放点氨氮的流量m和排放浓度l，输出得到目标考核断面氨氮的浓度，将释放点流量m确定为5m³/s，不断调整排放浓度l数值，使得在目标断面处的氨氮浓度刚好到达v类标准值；

步骤五、模型计算完毕后，从模型中提取相关数据进行氨氮的水环境容量的计算，通过计算公式：

公式中abs是一个绝对值的符号，表示对后面的计算值取绝对值，氨氮的流量和浓度的乘积加和就是该河段氨氮的环境容量；

假设设置了n+1个数据，时间分别记为：t0,t1…tn、单位：min，对应的流量分别为：q0,q1…qn、单位：m³/s，对应的浓度分别为：c0,c1…cn、单位：kg/m³；

其中，第一个数据为模型开始时间的数据，第n个数据为模型结束时间的数据。计算出来的值除以模拟时间天数除以1000，得到单位为t/d的氨氮环境容量；

步骤五中从模型中提取的相关数据是指在：t0,t1…tn、单位：min，每个时间段内污染物氨氮的流量和浓度，然后通过公式计算将t0,t1…tn、单位：min，所有时间段内的氨氮环境容量进行加和得出目标断面满足v类水质标准的时候，该河段氨氮的水环境容量。

s＝(2×0.002+6×0.3×0.0015+5×0.0017)×1440×60/1000＝1.3

公式中2×0.002为步骤三中上游来流流量与水质的乘积；6×0.3×0.0015为六个沿途支流流量与水质的乘积；5×0.0017为释放点的流量和当目标断面氨氮浓度值到达v类标准时该释放点氨氮的排放浓度的乘积。

由于delft3d模型可利用特定的离散的水文水质数据，经计算输出时间精确到秒，空间精确到米的水动力场和水质场，通过编制计算机程序实现自动化计算，最终可实现任意水体任意时间段的水环境容量计算。本发明可以快速准确的计算所关注水体的水环境容量，为水体周边污染排放和水环境相关政策的制定提供科学依据。

以上所述的实施例并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域所述技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应纳入本发明的权利要求书确定的保护范围内。