[发明专利]一种基于动态水系连通度计算的城市水系水质改善方法

权利要求书

1.一种基于动态水系连通度计算的城市水系水质改善方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：对城市河流网络基本情况进行调查；根据研究区域高程数据以及遥感影像图确定河网水系分布，调研河网水动力条件，调查河流横、纵断面、水闸、泵站位置、河网排污口位置及水量、污染物类型和浓度的污染源情况以及研究区域水质现状；

S2：关键污染因子筛选；利用综合污染指数法对水质现状进行评价；针对水质问题，对监测断面的常规指标进行分析，识别造成水质不达标的关键污染因子；根据排污口位置以及关键污染因子分布，识别污染的主要河段；

S3：构建一维水动力-水质模型；依据城市河流水系河道地形、水动力边界条件，构建研究区域一维水动力模型；模拟计算城市河流水系各河流的流量大小，得到河流流量时空分布情况；根据识别得到的关键污染因子、排污口位置，结合水动力模拟结果，构建水质模型，识别污染的主要河段；通过长时间序列的实测数据对模型进行模拟和验证，对模型进行参数率定；

S4：建立城市河流水系网络结构；依据流量分级方法，以图论理论为基础建立描述河流拓扑结构的邻接矩阵；利用图论理论，将研究区域划分为节点和边链接，通过节点数、链接数、边长度表征各个节点的流出产出，从而进行网络分析，表示整个研究区域的变化，建立不同流量情景下的动态河流网络；

S5：以水质改善为目标提出调控方案；从关键河段水质达标、水盐平衡角度出发，根据研究区域水系连通现状，提出调控方案，改善水系格局与连通性；依据优先原则以及就近原则，通过改变河流水系结构上的连接状况、不同的连接组数、增添廊道、河道清淤，达到净化水质、抑制盐度的目标；通过情景分析法，构造不同连通度的河流水系网络，综合提出面向水质改善的整体调控方案；

S6：评价不同调控方案下水质改善效果；通过水体交换能力的数学表征计算方法，定量分析改变连通度后的河流水系网络对于水质改善能力的变化。

2.根据权利要求1所述的一种基于动态水系连通度计算的城市水系水质改善方法，其特征在于：所述S2中的常规指标包括：TN、TP、溶解氧、盐度、电导率、氨氮、pH、COD和BOD。

3.根据权利要求1所述的一种基于动态水系连通度计算的城市水系水质改善方法，其特征在于：所述S2中采取主成分分析法，包括以下步骤：

1、对数据进行标准化处理；

其中，i＝1，2K，n，n为样本数，j＝1,2,K,p，p为样本中理化指标树木；

2、计算数据的协方差矩阵R；

3、求R的前m个特征值：λ₁≥λ₂≥λ₃≥K≥λ_m，以及对应的特征向μ₁,μ₂,K,μ_m；

4、求m个变量的因子载荷矩阵；

4.根据权利要求1所述的一种基于动态水系连通度计算的城市水系水质改善方法，其特征在于：所述S3中的一维水动力-水质模型原理：水动力模型将水流定义为不可压缩的一维均质流体，采用六点Abbott—Ionescu隐式差分格式，通过追赶法交替求解一维非恒定圣维南方程组，计算得到河道的水位流量、流速这些水力学数据，为污染物的扩散传输模拟提供计算基础，包括连续性方程和动量方程；

连续性方程

动量方程

式中：Q为流量，m³/s；q为侧向入流，m³/s；A为过水面积，m²；h为水位，m；R为水力半径，m；C为谢才系数；α为动量修正系数；

水质模型是基于溶解或悬浮物质的一维质量守恒方程，即对流-扩散方程；该模块要求水动力模块在时间和空间上输出流量和水位、横截面积和水力半径，采用隐式有限差分格式对对流-扩散方程进行数值求解；

式中C为物质浓度，mg/L；D为纵向扩散系数，m²/s；A为横断面面积，m²；K为线性衰减系数，1/d；C2为源/汇浓度，mg/L；q为旁侧入流流量，m³/s。

5.根据权利要求1所述的一种基于动态水系连通度计算的城市水系水质改善方法，其特征在于：所述S4中的图论理论：将河网水系概化为图模型；其中，将水系汇合点、边界条件看作顶点(v1、v2、v3、v4)，河流水流通道看作悬挂边e1、边(e2、e4)或者多重边(e3、e5)，用邻接矩阵表示河网图R＝(rij)mn，rij是顶点vi和vj之间的关系；

水系环度a：

L为连接线数，N为节点个数(N≥3，N为整数)；a指数表示现有节点形成的环路的存在程度，数值在0～1之间变化，0表示水网中无环路，1表示具有最大环度；

节点连接率β：

L为连接线数，N为节点个数，β指数表示河网中每个节点和其他节点连接难易水平；

水文连接度r：

L_max为最大可能廊道连接数，r指数表示河网中廊道间实际连接数与廊道间最大可能连接数之比；数值在0～1之间变化，0表示各节点之间不连接，1表示每个节点都与其他节点相互连接；河网连通度随着r指数的增大而增大。