植被化生态河道污染物横向混合系数计算系统和方法与流程

本发明涉及水力学及河流动力学，更具体的说，特别涉及植被化生态河道污染物横向混合系数计算系统和方法。

背景技术：

1、河流混合是一个极为复杂的过程，对于河流生态环境保护、污染控制与治理以及水资源的科学管理等具有重要意义。横向混合系数(tmc)是描述河流中横向混合程度的一个参数，它表示了河流中不同部分之间物质输移和混合的速率和程度。大多数学者热衷于建立天然河流蜿蜒度与tmc的关系式，然而在天然河流中，植被的存在对tmc也有着不可忽视的作用。

2、在现代化进程中，当污染物进入河流并与水混合时，使水受到污染，由于流速、床层结构、二次流发展、死区等不规则性，河流中污染物的混合过程十分复杂，研究表明，进入河流的污染物会经历垂向混合、横向混合以及纵向混合三个阶段。而目前对于污染物混合输移的研究，主要集中于横向和纵向混合。

3、在横向混合的研究中，学者们通常聚焦于直线河道(azamathulla&ahmad，2012；chau，2000)、天然蜿蜒河道(baek&seo，2013；yotsukura&sayre，1976)中横向混合系数的研究，而对复式河道种的横向混合系数的相对较少。由于天然河流通常表现为具有边滩的复式河道，而植被广泛存在于边滩中，因此复式河道的水流特性及植被的特性均会对横向混合系数产生影响，导致横向混合过程变得更加复杂。比如，植被会降低流速，使植被之间的水流变得相对均匀，而在每株植被周围，产生大量的涡旋与涡街，这改变了污染物的横向混合过程。而对于植被区与非植被区交界处，水流的紊乱加快了横向的物质交换，使得横向混合过程更加复杂。

4、因此，现有技术存在的问题，有待于进一步改进和发展。

技术实现思路

1、(一)发明目的：为解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种植被化生态河道污染物横向混合系数计算系统和方法。

2、(二)技术方案：为了解决上述技术问题，本技术方案提供植被化生态河道污染物横向混合系数计算方法，应用于植被化生态河道污染物横向混合系数计算系统，所述系统包括区域确定单元、实测单元、预测单元、误差单元，具体包括：

3、步骤1.所述区域确定单元将复式河道在横向划分为不同的试验区域，监测测点断面上各监测点污染物浓度，确定不同工况下监测点的实测数据；

4、步骤2.所述实测单元通过二维稳定水质模型基本方程的解确定tmc关系式，基于所述实测数据得到不同所述试验区域的tmc实测值；

5、步骤3.所述预测单元考虑植被特性，引入新的影响因子，分别确定不同的所述试验区域的tmc函数关系式，进行相关性分析并构建不同的所述试验区域的tmc经验公式，计算不同的所述试验区域的tmc预测值；

6、步骤4.所述误差单元通过tmc实测与tmc预测之间的误差，验证所述经验公式的准确度。

7、进一步的，所述复式河道在横向，即沿河宽方向，包括主槽区、边坡区和边滩区；所述试验区域包括两个区域：边坡-主槽区域、边坡-边滩区域

8、所述边坡区在所述主槽区与所述边滩区之间，所述主槽区为平坦无植被区域，与所述边坡区之间形成第一边界；所述边滩区为种植植被且平坦区域，与所述边坡区之间形成第二边界；所述第一边界与所述第二边界形成了所述边坡区，所述边坡区为无植被且具有坡度区域，在靠近所述边滩区的一侧深度逐渐减小。

9、所述测点断面位于水流充分发展区，所述测点断面位置：xb＝min{3.5b,7hv′}，其中，b为水槽宽度，hv′为淹没植被高度。

10、进一步的，所述步骤2包括：

11、步骤201.所述实测单元根据所述实测数据，绘制不同工况下污染物浓度随时间变化的c-t曲线；

12、步骤202.确定含有横向混合系数tmc的二维稳定水质模型基本方程的解的方程式；

13、步骤203.构建一元线性方程，确定tmc关系式，基于所述实测数据，计算各个所述试验区域的tmc实测值。

14、进一步的，所述解的方程式：其中，c′为投放点下游(x,y)点处的示踪剂浓度；q为流量；lq为示踪剂溶液浓度；x,y是空间坐标变量；k1为示踪剂的一级反应速率常数，当示踪剂为惰性时，k1＝0；

15、所述一元线性方程：y＝a0+a1x，

16、所述tmc关系式：

17、进一步的，所述步骤3包括：

18、步骤301.所述预测单元确定边坡-主槽区域的tmc与相关参数的函数关系式；

19、步骤302.引入影响因子特征长度尺度无量纲化植被特性参数，确定边坡-边滩区域的tmc函数关系式；

20、步骤303.对边坡-主槽区域以及边坡-边滩区域的tmc函数关系式，进行因变量与自变量之间的相关性分析，并分别构建边坡-主槽、边坡-边滩的tmc经验公式，进而分别计算边坡-主槽区域、边坡-边滩区域的tmc预测值。

21、进一步的，所述相关参数包括三个方面：流体特性、水力参数、几何特性，所述相关参数与tmc的函数关系式：my＝f1(u,u*,b,h,ρ,μ,s,sn,g)，其中，u为水流流速，u*为剪切流速，b为河道宽度，h为水深，ρ为水流密度，μ为水流运动粘度，s为河床坡度，sn为蜿蜒度，g为重力加速度。

22、进一步的，忽略参数s和雷诺数，边坡-主槽区域的tmc与相关参数的函数关系式：

23、进一步的，所述植被特性参数包括植被高度、植被直径、密度参数，

24、所述特征长度尺度：lc＝(cda)-1，其中，cd是植被拖曳力系数，cd等于1.0，a＝md是植被体积挡水面积；

25、特征长度尺度与植被淹没高度进行无量纲化：hv′/lc；

26、边坡-边滩区域的tmc函数关系式：

27、边坡-主槽区域tmc经验公式为：

28、

29、边坡-边滩区域tmc经验公式为：

30、

31、进一步的，计算tmc实测与tmc预测之间的绝对误差ae，相对误差re，均方根误差rmse；绝对误差ae越小，误差越小，相对误差re越小，准确度越高，均方根误差越小，tmc实测与tmc预测之间拟合程度越高，准确度越高。

32、植被化生态河道污染物横向混合系数计算系统，包括区域确定单元、实测单元、预测单元、误差单元，所述区域确定单元监测测点断面上各监测点污染物浓度，得到各试验区域内不同工况下各监测点的实测数据；所述实测单元通过二维稳定水质模型基本方程的解确定tmc关系式，基于所述实测数据得到不同所述试验区域的tmc实测值；所述预测单元考虑植被特性，引入新的影响因子，分别确定不同的所述试验区域的tmc函数关系式，进行相关性分析并构建不同的所述试验区域的tmc经验公式，得到不同的所述试验区域的tmc预测值；所述误差单元将通过本系统得到的tmc实测值与tmc预测值进行比较，验证tmc经验公式的准确度。

33、(三)有益效果：本发明提供植被化生态河道污染物横向混合系数计算系统和方法，通过直线图解法对tmc实测进行了计算。通过量纲分析，确定影响tmc的参数，并考虑植被特性，引入调整长度尺度并与植被淹没高度进行无量纲化，构建了一个新的tmc影响因子。基于实测数据及量纲分析分别构建了不同试验区域的tmc经验公式，最后通过误差分析验证经验公式的准确度，对于评估污染物的扩散，预测生态系统的响应和稳定性，以及指导相关的环境管理和保护工作有着重要意义。