用于河流污染物泄漏扩散预测的河段离散化处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及河流污染物泄漏扩散预测领域，具体地，涉及一种用于河流污染物泄 漏扩散预测的河段离散化处理方法。
【背景技术】
[0002] 2006年2月，国务院发布《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006~2020 年)》将"公共安全"列为重点领域，明确提出发展危险化学品泄漏应急救援技术和核生化恐 怖源的远程探测技术等。在我国960万平方公里的土地上纵横流淌着近千条大大小小的河 流，这些河流流经的流域地形复杂气候多样，并且其与人民的生产和生活息息相关。因此如 果某一地区水源(尤其是饮用水源）受到严重污染，该地区人民的生命财产安全将受到极大 的威胁。因此，一旦水源受到突发泄漏污染，必须要对污染物在河流中的扩散情况进行快速 预测，以为有关部门制定措施提供科学的数据支持，并有利于赢得宝贵的应急时间。
[0003] 进行河流中的泄漏扩散预测，实质上可以认为是进行河流的水质模拟，通常需要 建立河流的水动力模型和水质模型并进行数值求解。建立水动力学模型并进行数值求解是 为了获得河流的水力学特性，建立水质模型并进行数值求解是为了获得在一定的水力环境 中扩散物质的扩散特性。水动力模型是水质模型的基础和前提，具有非常重要的作用。建 立水动力模型涉及控制方程组化简、方程组的离散和求解、初始条件和边界条件的确定等 一系列问题。
[0004] 此处对建立水动力模型的过程进行简要说明：
[0005] 首先，可将内陆的河网河床(非汛期间）简化为一维非恒定流水体，采用一维非恒 定流基本方程组(即圣维南方程组)来描述其水动力学特性。该一维非恒定流基本方程组由 连续方程和运动方程组成，用于描述水流要素随河流流程坐标和时间的变化关系，适用于 连续和不连续物理量。该方程组的建立基于下列假设：
[0006] (1)流动必须是一维的，用平均流速代替过水断面流速，且过水断面处沿河床横向 水位水平；
[0007] (2)坡面是渐变的，换言之，沿垂线压力呈静水压力分布或垂直加速度为一小量；
[0008] (3)边界摩擦力的作用和紊流的影响可以通过类似于恒定流的阻力定律来体现；
[0009] (4)河床底部的平均坡度很小，即河流底部与水平线的夹角很小。
[0010] 其次，在无旁侧入流的情况下，可建立下列形式的圣维南方程组：
【主权项】
1. 一种用于河流污染物泄漏扩散预测的河段离散化处理方法，该河段离散化处理方法 包括： 步骤S1，确定河流在空间直角坐标系中的绝对流程坐标fjx，y，z)和待预测河段总长 度S ; 步骤S2,确定所述待预测河段的关键横断面及其相对流程坐标，获取所述关键横断面 的水文参数； 步骤S3,对所述待预测河段进行离散化并且确定所述待预测河段中的多个离散点的相 对流程坐标； 步骤S4,根据步骤S2中获取的所述关键横断面的所述水文参数，确定所述多个离散点 中每一个的所述水文参数； 步骤S5,确定所述待预测河段的所有所述离散点在待预测时刻的河流过水断面面积Ai 和水深Zi之间的关系，以用于河流污染物泄漏扩散预测。
2. 据权利要求1所述的河段离散化处理方法，其中确定河流在空间直角坐标系中的绝 对流程坐标fci (X，y, z)包括： 将穿过所述河流的源头和终点的连线作为X轴，并将从所述源头至所述终点的方向作 为X轴的正半轴，以所述河流的源头作为所述空间直角坐标系的XY平面的坐标零点，以所 述河流的最低点作为Z轴坐标零点，根据下式确定所述河流的任意一点的所述空间三维坐 标（X，y, z):
其中，Bdtl和Bmd分别表示该任意一点、所述源头和所述终点的大地纬度；L和Ltl分别 表示该任意一点和所述源头的大地经度；INtl和Nmd分别表示该任意一点、所述源头和所述 终点的绝对大地水准面差距；e和e md分别表示该任意一点和所述终点的地球椭球第一偏 心率；H、Htl和Hmd分别表示该任意一点、所述源头和所述终点的大地高。
3. 根据权利要求1所述的河段离散化处理方法，其中确定所述待预测河段总长度S包 括： 根据下式确定所述河流的所述绝对流程坐标f〇(x，y, z):
其中，人=腿χ{[「(χ -(X〇，y J 所述河流的所述源头的所述空间三维坐标；Λ Χ、Λ y和Λ Z分别为延X、Y和Z轴的采样间 隔； 并且根据下式确定所述待预测河段总长度S : J-l^knk
其中，（xend，yend，zmd)为所述河流的终点的空间三维坐标，（x leak，yleak，zleak)为所述河流 中的污染物泄漏源的所述空间三维坐标，
4. 根据权利要求1所述的河段离散化处理方法，其中所述待预测河段的关键横断面包 括所述待预测河段起点、所述待预测河段终点、河床海拔明显变化处和所述待预测河段走 向明显转折处。
5. 根据权利要求4所述的河段离散化处理方法，其中，根据所述待预测河段中单位 长度AL的河段内的高度落差ΛΗ是否达到高度落差阈值来确定所述河床海拔明显变化 处，和/或根据所述待预测河段中单位长度AL的河段内的河流走向切线角度差△ Θ = Θ^θ 21是否超过切线角度差阈值来确定所述河段走向明显转折处，Θ i为单位长度ΛL 的所述河段的所述起点的切线角度，θ2为单位长度AL的所述河段的所述终点的切线角 度。
6. 根据权利要求1所述的河段离散化处理方法，其中横断面的水文参数包括该横断面 的河流水流量、该横断面的水流平均流速、该横断面的水深、该横断面的水面宽度、该横断 面的河床底部海拔高度、该横断面的过水断面面积和该横断面的水位。
7. 根据权利要求1所述的河段离散化处理方法，其中所述步骤S3包括： 确定所述待预测河段中的离散点总数N，将待预测河段均匀分成N个待预测子河段，取
其中，AS为输入的河段间隔，Vltl为某一时期的待预测河段起点处的水流平均流速， Δ τ为预测时间间隔； 根据下式确定所述多个离散点中每一个离散点的所述相对流程坐标：
8. 根据权利要求1所述的河段离散化处理方法，其中所述步骤S4包括： 根据相邻两个所述关键横断面的所述水文参数，确定位于这两个所述关键横断面间的 每个所述离散点的所述水文参数。
9. 根据权利要求8所述的河段离散化处理方法，其中被确定的所述每个所述离散点的 所述水文参数被表示为：
其中，Qi(l、Vi(l、hi(l、bi(l、Zb itl依次指在某一时期在第i个离散点处的河流水流量、水流 平均流速、河流水深、水面宽度和河床底部海拔高度，标中的i指第i个离散点，Qnum(l、VM(I、 hnum(i、bnum(i、zbnum(l依次指在某一时期在第num个关键横断面处的河流水流量、水流平均流速、 河流水深、水面宽度和河床底部海拔高度， Q(num+1)0、V(num+1)0、h(num+i)〇、b(num+1)〇、zb( num+1)〇 依次指 在某一时期在第num+1个关键横断面处的河流水流量、水流平均流速、河流水深、水面宽度 和河床底部海拔高度，A指第i个离散点的相对流程坐标，F num指第num个关键横断面的相 对流程坐标，Fnum+1指第num+1个关键横断面的相对流程坐标，第i个离散点位于第num个 关键横断面和第num+1个关键横断面之间。
10. 根据权利要求1所述的河段离散化处理方法，其中被确定的所有所述离散点在待 预测时刻的河流过水断面面积Ai和和水深Z i之间的关系被表示为： r
. 1 其中，Qi(l、Vi(l、hi(l、Zbitl和P分别为第i个离散点在某一时期的河流水流量、水流平均 流速、河床底部海拔高度、水深和河水密度。
【专利摘要】本发明公开了一种用于河流污染物泄漏扩散预测的河段离散化处理方法，该方法利用大地坐标系与空间直角坐标系的转化关系，通过离散化待预测河段，以确定河流过水断面面积与水位的关系，从而在未知河流过水断面面积的情况下获得封闭的圣维南方程组。该方法可快速完成河流污染物泄漏扩散预测的前处理工作，使得可在水文资料有限并且较陈旧的情况下准确地实现对河流污染物泄漏扩散的预测。
【IPC分类】G06Q10-04
【公开号】CN104657783
【申请号】CN201410108421
【发明人】黄亦谦
【申请人】北京千安哲信息技术有限公司
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2014年3月21日