一种厂网河一体化供水的水质模拟方法

本发明涉及供水管网水动力水质模拟技术，尤其是一种厂网河一体化供水的水质模拟方法。

背景技术：

1、在水源地水动力水质模拟上，比较经典的软件有hec-ras：由美国陆军工程兵团水文研究中心开发，具备完整的一二维耦合水动力及水环境模拟功能，能够模拟闸、涵洞、桥梁以及泵站等水利构筑物。此外，mike也是广泛应用于河口河流湖泊的水动力、水质、泥沙及生态模拟软件，其中包含了一维、二维及三维的情况。同时还有delft3d：三维水动力－水质模型系统，包含水流、水动力、波浪、泥沙、水质、生态等模块，各模块之间在线动态耦合。wasp6和wasp7：wasp模型由美国环保局开发，是一个综合型水质模拟模型，可模拟河流、水库及湖泊的水质变化。但这些模型方法或多或少存在一些问题，如计算速度较慢和部分程序未开源，不利于二次开发等。

2、在供水管网水质模拟方面，epanet是一款广泛用于模拟供水管网的水力和水质特性的开源软件，一些学者基于epanet用余氯一级衰减动力学模型准确地模拟了实际管网中余氯变化。在供水管网平差计算及多水源供应（河道、水库及水井等）问题中，epanet及epanet-msx也被证明是重要工具。epanet-msx在epanet的基础上增加了多物种水质模拟的功能，能够分析管网内更加复杂的生化反应，如重金属在管网中的氧化及管壁上吸附等过程；余氯衰减模型结合相关优化算法选取二次加氯及加压点的位置等。

3、当前有关取水供水全过程模拟的研究很少，而一体化供水水质预测模型的需求则愈发强烈。

4、需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本技术的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于克服上述背景技术的缺陷，提供一种厂网河一体化供水的水质模拟方法。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种厂网河一体化供水的水质模拟方法，包括以下步骤：

4、s1. 河道水源模拟：结合收集的河道地形数据和河道岸线数据，构建二维河道水动力水质模型，该模型配置边界水动力水质参数，以模拟河道水源的水动力和水质状况；

5、s2. 取水口水质动态分析：通过所述二维河道水动力水质模型，监测并分析取水口处水质参数的时历变化，为水质动态评估提供关键数据；

6、s3. 供水管网水质预测模型构建：构建供水管网水质预测模型，该模型集成多水源输入，并将水质净化厂简化为管道系统上的处理节点，模拟其对水质的处理效果，包括对特定污染物的去除效率；

7、s4. 数据接口开发：通过构建数据接口实现所述二维河道水动力水质模型与所述供水管网水质预测模型之间的数据交换和同步，确保模型间数据的一致性和连续性；

8、s5. 一维管网水动力水质模拟：所述供水管网水质预测模型基于从所述二维河道水动力水质模型获得的数据，进行供水管网的一维水动力水质模拟，其中，将所述二维河道水动力水质模型提供的水质和水动力参数作为边界条件或初始条件输入到所述供水管网水质预测模型中，预测供水管网中的水质变化和水力行为；

9、s6. 一体化模型集成与自动化：将所述河道水动力水质模型和所述供水管网水质预测模型集成为一个完整的厂网河一体化供水的水质数值模型，以自动化整个水质变化模拟流程。

10、在一些可选的实施方式中，步骤s1中，使用openfoam软件构建二维河道水动力水质模型，步骤s2中，通过openfoam的probe函数监测取水口处水质参数的变化，获取水质参数的时序变化数据。

11、在一些可选的实施方式中，步骤s2具体包括：

12、s2.1. 建立河道岸线的几何模型，并导出适用于网格生成软件的格式；

13、s2.2. 根据河道特征，采用网格生成软件绘制适应河道形态的二维网格，并输出适用于计算流体动力学openfoam软件的格式；

14、s2.3. 将导出的网格文件转换为openfoam软件可识别的格式，并存储为案例文件夹中的标准网格文件；

15、s2.4. 对openfoam软件中的网格进行属性设置，对于二维模拟，指定上下边界条件，并设定垂直方向的尺寸；

16、s2.5. 运用openfoam软件内建工具提取网格中心的坐标数据；

17、s2.6. 执行地形数据插值，将地形数据与网格数据结合，采用插值技术获取网格中心的地形深度信息，并导出数据；

18、s2.7. 将插值后的地形数据整合入openfoam软件的模型中，为模拟提供准确的地形条件；

19、s2.8. 定义模型参数：设置openfoam软件的模拟参数，包括时间步长、总模拟时间、物理模型设置、边界条件以及污染物的扩散和衰减特性；

20、s2.9. 在openfoam软件中设定监测点，以追踪记录特定位置的水质参数随时间的变化情况。

21、在一些可选的实施方式中，步骤s3中，使用epanet-msx软件，根据收集的管网拓扑结构、管段特性、节点特性以及边界条件数据，建立供水管网水质预测模型。

22、在一些可选的实施方式中，步骤s3具体包括：

23、s3.1. 搜集供水管网的拓扑结构、管段特性、节点特性及边界条件等数据；

24、s3.2. 创建供水管网中的点对象，如节点、水库、水池等，以及线对象，如管段、阀门、水泵等；

25、s3.3. 为点对象和线对象分别定义属性字段，包括但不限于节点编号、坐标、标高、需水量、水库编号、总水头、水池尺寸、管段规格、阀门类型、水泵性能等；

26、s3.4. 设置模拟的时间步长、总时长等参数，为模拟过程提供时间控制；

27、s3.5. 定义管网的水动力条件，包括压力、流量、水头等，并确保所有节点和管段的水动力状态正确设置；

28、s3.6. 根据模拟需求，添加相应的化学物种，设置它们的化学属性和动力学参数；

29、s3.7. 配置管网的初始状态，包括水质组分的初始浓度、流速等，为模拟计算做好准备；

30、s3.8. 在模型中通过添加source源模块来模拟水厂处理过程。

31、在一些可选的实施方式中，步骤s4中，通过编写python脚本构建数据接口，实现openfoam软件与epanet-msx软件之间的数据交换，将openfoam输出的水质和水动力参数转换为epanet-msx软件所需的输入格式。

32、在一些可选的实施方式中，步骤s4具体包括：

33、s4.1. 确定由openfoam软件的probe功能导出的取水口水质参数时序变化的csv文件的存储路径；

34、s4.2. 开发python函数，从openfoam软件中读取水质参数数据，包括水质浓度数据；

35、s4.3. 将读取的水质浓度数据转换为相对系数，通过将浓度列的每个数值除以列的第一个数值实现标准化；

36、s4.4. 确定epanet-msx软件的输入文件的存储路径；

37、s4.5.使用python代码自动将计算得到的相对系数更新至epanet-msx模型文件中的patterns部分；

38、s4.6. 在epanet-msx模型文件中，用新计算的相对系数替换原有的时间模式，以反映水质参数的时序变化。

39、在一些可选的实施方式中，步骤s6具体包括：

40、s6.1. 创建python脚本，使用python脚本中的subprocess模块，指定openfoam算例的路径及名称，调用openfoam求解器运行模拟；

41、s6.2. 通过python脚本运行python数据传输接口，以使数据在不同软件间同步；

42、s6.3. 通过python脚本调用epanet-msx库，执行供水管网的水质模拟；

43、s6.4. 从epanet-msx的输出文件中解析特定节点管段的水质参数信息；

44、s6.6. 将解析得到的时间数据转换为小时浮点数，以适配绘图需求；

45、s6.7. 定义python中的绘图函数，设置图片格式，准备生成时序曲线图；

46、s6.8. 利用定义的绘图函数，生成特定节点管段的水质参数时序曲线图。

47、一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序由处理器执行时实现所述的厂网河一体化供水的水质模拟方法。

48、一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序由处理器执行时实现所述的厂网河一体化供水的水质模拟方法。

49、本发明具有如下有益效果：

50、本发明的厂网河一体化供水水质模拟方法，通过构建一个水质模拟模型，能够全面评估和预测取水河道、水质净化厂到供水管网整个供水系统的运行状态，对水网建设的互通联供、协同防控及水质安全保障具有显著的重要意义。本发明通过建立二维河道水动力水质模型和一维供水厂网模型，并通过构建数据接口实现所述二维河道水动力水质模型与所述供水管网水质预测模型之间的数据交换和同步，模拟供水厂网内的复杂生化反应，数据交换接口可实现水质净化厂进口边界条件的实时更新，并将水质净化厂简化为管道系统上的处理节点，以真实反映供水管网中的水力及水质变化；将所述河道水动力水质模型和所述供水管网水质预测模型集成为一个完整的厂网河一体化供水的水质数值模型，可通过自动化脚本一键运行和结果曲线的自动绘图，形成了一套易于应用推广的水质模拟方案。本方法不仅具备高可操作性和二次开发潜力，而且可以根据实际需求进行个性化定制，增强了模型的适应性和灵活性。同时，本发明易于实施，可自动生成水质参数时历图，简化了操作流程，提高了实施效率。供水企业和水利部门可以利用本发明建立给水管网信息化管理系统，进行长时间序列的供水水质预测模拟，为管网的日常管理维护、水质强化消毒、节能降耗以及极端灾害下的供水水质稳定性保障措施研究提供科学依据，具有很高的实用价值与广泛的应用前景。

51、优选实施例中，本发明的厂网河一体化供水的水质模拟方法可基于开源计算流体力学软件openfoam及epanet-msx管网多物种反应代码、以及数据交换接口，构建一体化集成的模型，实现取水河道-水质净化厂-供水管网整体评估，可全面评估和预测整个供水系统的运行状态，构建的水质模拟模型具有结构简洁、性能良好、成本低廉等显著优势。

52、本发明实施例中的其他有益效果将在下文中进一步述及。