[发明专利]河道智能监管系统

权利要求书

1.河道智能监管系统，其特征在于：包括河道监测模块(1)，河道监测模块(1)连接有数据处理模块(2)，数据处理模块(2)连接有实时数据显示模块(3)、区域数据显示模块(4)、报警模块(5)、报表模块(6)、水环境容量计算模块(7)和事故模块(8)。

2.根据权利要求1所述的河道智能监管系统，其特征在于：数据处理模块(2)将河道监测模块(1)监测得到的监测数据分别传递至实时数据显示模块(3)、区域数据显示模块(4)、报警模块(5)、报表模块(6)、水环境容量计算模块(7)和事故模块(8)。

3.根据权利要求1所述的河道智能监管系统，其特征在于：实时数据显示模块(3)显示国控断面、省控断面和交接断面的实时动态、历史数据以及断面信息。

4.根据权利要求1所述的河道智能监管系统，其特征在于：区域数据显示模块(4)显示指定区域内的水质信息。

5.根据权利要求1所述的河道智能监管系统，其特征在于：报警模块(5)根据监测数据对河道水体进行实时监测，当水体超过设定值时发出报警。

6.根据权利要求1所述的河道智能监管系统，其特征在于：报表模块(6)对监测得到的监测数据以表格的形式进行统计，生成的报表。

7.根据权利要求1所述的河道智能监管系统，其特征在于：水环境容量计算模块(7)根据监测数据进行相应计算，得到该区域的水环境容量；

当污染为单点源排放时，水环境容量的具体计算公式为：式中：W：水环境容量，t/a；Q：水文频率下设计流量，m³/s；q：废水流量，m³/s；当q＜＜Q时，q可被忽略；Cs：水质目标浓度，mg/L；Co：来水浓度，取河道背景浓度,mg/L；x：河段长度，m；x为实际计算单元长度的0.4倍；u：设计流速，m/s。

8.根据权利要求1所述的河道智能监管系统，其特征在于：事故模块(8)包括水文水质条件输入单元和污染物浓度变化计算与绘制分析单元和显示单元，所述污染物浓度变化计算与绘制分析单元包括计算与分析部分以及曲线绘制部分；事故模块(8)利用污染物浓度变化计算与绘制分析单元计算分析得出河流发生突发事故时河道内污染物的浓度变化情况。

9.根据权利要求8所述的河道智能监管系统，其特征在于，事故模块的操作过程包括以下步骤：A、先在水文水质条件输入模块中输入或根据监测数据导入所需的水文水质条件数据；

B、计算与分析部分读取水文水质条件数据并进行计算分析，得到随时间变化的污染物浓度数据；

C、曲线绘制部分根据随时间变化的污染物浓度数据绘制出污染物浓度随时间变化曲线并传输至显示单元；

D、显示单元显示出污染物浓度随时间变化曲线数据。

10.根据权利要求9所述的河道智能监管系统，其特征在于，计算与分析部分的具体计算过程为：

第一步、建立二维水质模型的方程组1)：

其中，η为水位，h为水深，Z_b为河底高程，ρ为水的密度，u和v分别为x、y方向上的平均流速、g为重力加速度、n为湖底粗糙度、t表示时间、x表示纵向距离、y为横向距离；

τ_bx、τ_by分别表示底部的摩阻项，具体表达式为：

和

式中的C表示污染物浓度；

F_bx和F_by分别表示科氏力项，具体表达式如下：F_bx＝fv＝2ωsinφ·v，F_by＝-fu＝-2ωsinφ·u(ω＝7.29×10^-5rad/s,φ为纬度值)；

第二步、求解方程式组1)，具体过程为：

建立二维稳态线性对流扩散方程组2)如下：

其中，Ω为平面上的有界区域，边界Γ＝Γ₀∪Γ₁分片光滑且Γ₀与Γ₁互不相交，a(x,y)≥a_0≥0,b(x,y)＝(b₁(x,y),b₂(x,y)),c(x,y),f(x,y)以及β(x,y)均为光滑，σ为大于0的常数；a(x,y)表示渗透率，b(x,y)表示势函数，f(x,y)表示源函数；

将有界区域Ω进行三角形划分，步长h＝1/n，n为大于0的整数，分成n²个没有重叠内部的三角单元，记为e_k(1≤k≤n²)，即并且对节点按照从左到右，从下到上依次作出编号，记为1,2,…,(n+1)²；

在中任意取出一个单元，记为e，设它的顶点为P_i，P_j,P_m，即e＝ΔP_iP_jP_m，其坐标分别为(x_i,y_i),(x_j,y_j),(x_m,yx)，这三点的顺序为逆时针；

取线性插值基函数N_i(x,y),N_j(x,y),N_m(x,y)作为基础函数，函数u(x,y)和v(x,y)在结点P_s(s＝i,j,m)上的值记为u_s和v_s(s＝i,j,m)，于是得到方程组3)，

其中，

将方程组3)的两个式子代入方程组1)中，可以分别得到在单元e上的单元刚度矩阵单元对流项矩阵单元质量矩阵线元刚度矩阵单元荷载向量F^(e)和线元荷载向量F₀^(e)；

将单元刚度矩阵单元对流项矩阵单元质量矩阵线元刚度矩阵单元荷载向量F^(e)和线元荷载向量F₀^(e)进行扩充，扩充为(n+1)²维向量，然后相对应的进行叠加，生成总刚度矩阵K和总荷载向量F；对矩阵K和向量F通过划行划列的方法处理本质边界条件，形成有限元方程组，即可计算出污染物浓度。