專利名稱：一種水環(huán)境實時調控與數(shù)字化管理方法
技術領域：
本發(fā)明屬于水環(huán)境實時模擬與管理技術領域，特別涉及一種水環(huán)境實時調控與數(shù) 字化管理方法。具體說是對水環(huán)境中污染物的模擬、遷移轉換、水環(huán)境承載能力計算與負荷 動態(tài)調控的水環(huán)境數(shù)字化管理的技術體系和方法。
背景技術：
社會經(jīng)濟的迅猛發(fā)展和資源環(huán)境壓力的急劇增加，使得水環(huán)境安全受到嚴重威脅 和破壞，導致人類生存所依賴的自然生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞，威脅人與自然的和諧可持續(xù)發(fā)展。 在水環(huán)境治理方面，雖然國家和地方政府投入了極大的人力、物力和財力，但迄今為止我國 流域水環(huán)境并未得到明顯改善，部分水體甚至有進一步惡化的趨勢，對人民生活與社會經(jīng) 濟帶來了嚴重的威脅與損害。因此，加強水環(huán)境科學管理，提出科學合理的調控方法和管理 措施，對水環(huán)境變化過程進行監(jiān)測、模擬、控制與治理，具有非常重要的意義。在水環(huán)境治理方面，當前我國多采用粗放式治理和粗放式管理模式，主要體現(xiàn)在 水環(huán)境信息監(jiān)測網(wǎng)絡不完備、水環(huán)境模擬缺乏科學定量方法、調控的動態(tài)性不足等，水環(huán)境 管理所依據(jù)的數(shù)據(jù)時空尺度大、過程粗糙。雖然一些流域建設了污染源和環(huán)境質量在線監(jiān) 控系統(tǒng)，但過分簡化的模擬功能，無法滿足水環(huán)境管理與污染負荷控制的需要。使得在水 環(huán)境管理中大量存在監(jiān)測信息與污染物遷移運動、污染負荷控制等科學計算環(huán)節(jié)的脫節(jié)現(xiàn) 象，嚴重妨礙了水環(huán)境定量細致管理技術的發(fā)展。在水環(huán)境演變模擬方面，由于對流域尺度的水環(huán)境承載力和環(huán)境容量研究不足， 目前我國實行的仍然是區(qū)域目標總量控制，總量指標并未落實到具體的河流，也沒有分配 到具體的污染源。此外，我國絕大多數(shù)環(huán)境容量計算參數(shù)尤其是物理和生化反應系數(shù)基本 上都采用文獻報道的經(jīng)驗值，缺乏對個性研究區(qū)域物質在水陸介質中遷移轉化過程定量化 的研究。同時對水質模型的效果驗證及系統(tǒng)集成重視不足，急需建立數(shù)據(jù)獲取、科學模擬、 結果顯示一體化的水環(huán)境數(shù)字化管理系統(tǒng)，為實施總量控制提供技術支持?？傊?，在水環(huán)境的實時調度和數(shù)字化管理方面，簡單化、粗放式的管理模式已不能 滿足水環(huán)境治理的需要，在水環(huán)境治理中凸顯出以下問題(1)污染負荷削減目標的制訂 缺乏科學測算以及與當?shù)厣鐣?jīng)濟的結合；(2)治理方案的設計缺乏流域協(xié)同性和精確數(shù) 據(jù)支持；(3)水環(huán)境容量計算缺乏不確定性分析及容量動態(tài)分配；(4)治理后的水體缺乏可 以持續(xù)更新的數(shù)字化管理系統(tǒng)。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對當前水環(huán)境管理中模擬過分簡化、過程粗糙的問題，提出 一種水環(huán)境實時調控與數(shù)字化管理方法，首先通過建立水環(huán)境模型，識別具體的污染區(qū)域 和污染來源，對這些具體區(qū)域的點源和非點源污染物濃度和排放總量提出控制措施，從而 引導整個流域執(zhí)行最好的管理計劃，結合信息化手段，建立水環(huán)境實時調控與數(shù)字化管理 系統(tǒng)，其特征在于，包括以下步驟
(1)數(shù)據(jù)獲取，建立監(jiān)測數(shù)據(jù)庫a.數(shù)據(jù)獲取以GPS/RS監(jiān)測數(shù)據(jù)、特殊補充觀測數(shù)據(jù)、事故應急監(jiān)測數(shù)據(jù)及外部 交換數(shù)據(jù)的方式獲??；b.將上述方式獲取的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡傳輸至監(jiān)控服務器，按數(shù)據(jù)類型分別 建立基礎數(shù)據(jù)庫、專業(yè)數(shù)據(jù)庫和水質標準庫；并通過數(shù)據(jù)庫存取中間件提供模型參數(shù)，存儲 和展示數(shù)據(jù)結果，支撐數(shù)據(jù)共享；其中專業(yè)數(shù)據(jù)庫和水質標準庫存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)、模擬結果、 水質標準等數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)存儲結構必須符合國家和地方行業(yè)相關標準的要求，基礎數(shù)據(jù)庫 為流域水環(huán)境基本數(shù)據(jù)和用以管理流域的基礎數(shù)據(jù)；(2)建立水環(huán)境實時定量化模擬模型a.建立流域入河污染負荷模型，根據(jù)步驟(1)監(jiān)測的包括水文信息和污染物的流 域水環(huán)境基本數(shù)據(jù)，建立分布式流域水文模型，根據(jù)不同地形、不同土壤類型、不同土地利 用類型、降雨強度和降雨歷時與目標污染物入河通量之間的關系，建立合理概化模型，以分 析徑流中目標污染物產生與匯集過程；b.目標污染物遷移轉化關鍵參數(shù)率定，根據(jù)(2)a分析徑流中目標污染物產生與 匯集過程結果，采用原位實驗和室內模擬方法，掌握目標污染物在徑流和受納水體中的形 態(tài)，確定目標污染物不同形態(tài)在水體中遷移轉換過程參數(shù)和降解系數(shù)，以及這些系數(shù)受水 環(huán)境的PH值和水溫條件的影響；c.建立河流水環(huán)境模型，建立準確的水動力模型，為水環(huán)境數(shù)學模型提供細致的 水動力條件，建立研究區(qū)域水環(huán)境模型，根據(jù)步驟(2)b中率定的污染物遷移轉化參數(shù)對模 型進行率定優(yōu)化，將步驟(2) a建立的流域入河污染負荷模型與河流水環(huán)境模型耦合，以日 均降雨量和各入流參照斷面的流量及污染物濃度為輸入條件，模擬各控制斷面水質的動態(tài) 變化，為水質控制提供實時信息；(3)水環(huán)境承載能力計算與負荷動態(tài)調控應用步驟(2)建立的流域分布式水文模型和入河負荷模型，計算各河段設計流量 下對目標污染物的水環(huán)境承載能力以及逐日水文條件下的承載能力。根據(jù)水環(huán)境功能區(qū) 劃，確定控制斷面及其水環(huán)境目標；計算各河段的負荷削減量并進行分配，分析模型的不確 定性和安全區(qū)間，采用模糊數(shù)學和貝葉斯轉換方法對入河負荷模型和水環(huán)境模型及其用于 參數(shù)率定的實測數(shù)據(jù)、邊界條件和模型輸入條件的不確定性進行量化分析，獲得日最大負 荷量安全區(qū)間；根據(jù)有償使用和特殊產業(yè)優(yōu)先的原則對各河段的日最大負荷量或者負荷削減量 進行分配；(4)建立水環(huán)境實時調控系統(tǒng)建立步驟(1)建立的水環(huán)境數(shù)據(jù)庫與步驟(2)建立的流域分布式水文模型和入 河負荷模型之間的無縫鏈接，根據(jù)流域監(jiān)測網(wǎng)絡持續(xù)提供的大量新數(shù)據(jù)，采用卡爾曼濾波、 集合卡爾曼濾波等數(shù)據(jù)同化方法建立模型參數(shù)動態(tài)更新模塊，建立水環(huán)境實時調控系統(tǒng)； 該系統(tǒng)向各模型傳遞模型需要的運行參數(shù)和條件，接收儲存各模型運算的結果以便后期調 用，實現(xiàn)模型和數(shù)據(jù)的有機耦合；通過基于虛擬現(xiàn)實技術的數(shù)據(jù)可視化平臺顯示流域水環(huán) 境的實時動態(tài)變化過程，實現(xiàn)污染物負荷的動態(tài)分配與情景模擬顯示，逼真再現(xiàn)各種預案 模擬。
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所述對各河段的日最大負荷量或者負荷削減量進行分配包括①負荷分配原則調查各河段主要點源目標污染物排放的負荷現(xiàn)狀，計算相應的負荷比例；按照主 要點源單位負荷的經(jīng)濟效益，制定基于利益相關者的水環(huán)境容量有償使用與分配方法；②負荷動態(tài)分配依據(jù)現(xiàn)有的負荷比例和污染削減計劃，參考區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展和產業(yè)調整規(guī)劃， 遵照有毒有害和病原性物質優(yōu)先削減的原則，動態(tài)分配日最大負荷量；采用河流水環(huán)境模 型，通過情景模擬，反復調整和優(yōu)化負荷分配。本發(fā)明的有益效果是構建了流域水環(huán)境質量的協(xié)同調控模式，集成在線監(jiān)測網(wǎng)絡 和流域數(shù)字化技術，基于模擬水質指標的調控模型，提出了水環(huán)境實時調控與數(shù)字化管理 的技術體系和方法，可以為流域“控源減排”、水環(huán)境綜合治理與定量化管理提供系統(tǒng)性技 術支持，應用前景廣闊。


圖1為水環(huán)境實時調控與數(shù)字化管理方法流程示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明針對當前水環(huán)境管理中模擬過分簡化、過程粗糙的問題，提出一種水環(huán)境 實時調控與數(shù)字化管理方法，首先通過建立水環(huán)境模型，識別具體的污染區(qū)域和污染來源， 對這些具體區(qū)域的點源和非點源污染物濃度和排放總量提出控制措施，從而引導整個流域 執(zhí)行最好的管理計劃，結合信息化手段，建立水環(huán)境實時調控與數(shù)字化管理系統(tǒng)，下面結合 附圖1，以北運河流域水環(huán)境實時調控與數(shù)字化管理為例，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。具體步驟如下(1)建立北運河流域環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡和水環(huán)境數(shù)據(jù)庫，對流域污染物信息進行實時 監(jiān)測；監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)共享。(2)根據(jù)監(jiān)測的水文信息和污染物數(shù)據(jù)，建立北運河水系地表水與地下水耦合的 流域分布式水文模型，研究暴雨徑流、城市排污及河湖退水的負荷通量，開發(fā)北運河水系入 河污染負荷模型；分析徑流中目標污染物產生與匯集過程。(3)通過原位實驗和室內模擬，掌握目標污染物在徑流和受納水體中的形態(tài)，確定 N和重金屬等污染物不同形態(tài)在水體中遷移轉換過程參數(shù)和COD的降解系數(shù)，以及這些系 數(shù)受水環(huán)境條件(PH，水溫)的影響。(4)分析北運河水系特征，開發(fā)河流非穩(wěn)態(tài)水動力學模型和水環(huán)境模型，根據(jù)步驟 (3)實測數(shù)據(jù)率定模型的參數(shù)，并完成與步驟(2)入河污染負荷模型的耦合。(5)根據(jù)各河段水環(huán)境功能目標，研究確定水系關鍵削減斷面和控制斷面；開發(fā) 河段水環(huán)境承載能力計算模型以及嵌入社會經(jīng)濟要素的負荷動態(tài)調控模型，建立不確定性 區(qū)間的定量分析和處理方法。(6)運用現(xiàn)代信息技術和數(shù)字化技術，開發(fā)監(jiān)測網(wǎng)絡一數(shù)據(jù)庫一水環(huán)境模型的無 縫鏈接，建立北運河水環(huán)境與污染負荷調控系統(tǒng)，實現(xiàn)河流水質的實時調控、個案情景的模 擬演算、決策過程的直觀仿真、治理方案的預演優(yōu)化。水環(huán)境實時調控與數(shù)字化管理體系如圖1所示。
權利要求
一種水環(huán)境實時調控與數(shù)字化管理方法，首先通過建立水環(huán)境模型，識別具體的污染區(qū)域和污染來源，對這些具體區(qū)域的點源和非點源污染物濃度和排放總量提出控制措施，從而引導整個流域執(zhí)行最好的管理計劃，結合信息化手段，建立水環(huán)境實時調控與數(shù)字化管理系統(tǒng)，其特征在于，包括以下步驟(1)數(shù)據(jù)獲取，建立監(jiān)測數(shù)據(jù)庫a.數(shù)據(jù)獲取以GPS/RS監(jiān)測數(shù)據(jù)、特殊補充觀測數(shù)據(jù)、事故應急監(jiān)測數(shù)據(jù)及外部交換數(shù)據(jù)的方式獲??；b.將上述方式獲取的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡傳輸至監(jiān)控服務器，按數(shù)據(jù)類型分別建立基礎數(shù)據(jù)庫、專業(yè)數(shù)據(jù)庫和水質標準庫；并通過數(shù)據(jù)庫存取中間件提供模型參數(shù)，存儲和展示數(shù)據(jù)結果，支撐數(shù)據(jù)共享；其中專業(yè)數(shù)據(jù)庫和水質標準庫存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)、模擬結果、水質標準等數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)存儲結構必須符合國家和地方行業(yè)相關標準的要求，基礎數(shù)據(jù)庫為流域水環(huán)境基本數(shù)據(jù)和用以管理流域的基礎數(shù)據(jù)；(2)建立水環(huán)境實時定量化模擬模型a.建立流域入河污染負荷模型，根據(jù)步驟(1)監(jiān)測的包括水文信息和污染物的流域水環(huán)境基本數(shù)據(jù)，建立分布式流域水文模型，根據(jù)不同地形、不同土壤類型、不同土地利用類型、降雨強度和降雨歷時與目標污染物入河通量之間的關系，建立合理概化模型，以分析徑流中目標污染物產生與匯集過程；b.目標污染物遷移轉化關鍵參數(shù)率定，根據(jù)(2)a分析徑流中目標污染物產生與匯集過程結果，采用原位實驗和室內模擬方法，掌握目標污染物在徑流和受納水體中的形態(tài)，確定目標污染物不同形態(tài)在水體中遷移轉換過程參數(shù)和降解系數(shù)，以及這些系數(shù)受水環(huán)境的pH值和水溫條件的影響；c.建立河流水環(huán)境模型，建立準確的水動力模型，為水環(huán)境數(shù)學模型提供細致的水動力條件，建立研究區(qū)域水環(huán)境模型，根據(jù)步驟(2)b中率定的污染物遷移轉化參數(shù)對模型進行率定優(yōu)化，將步驟(2)a建立的流域入河污染負荷模型與河流水環(huán)境模型耦合，以日均降雨量和各入流參照斷面的流量及污染物濃度為輸入條件，模擬各控制斷面水質的動態(tài)變化，為水質控制提供實時信息；(3)水環(huán)境承載能力計算與負荷動態(tài)調控應用步驟(2)建立的流域分布式水文模型和入河負荷模型，計算各河段設計流量下對目標污染物的水環(huán)境承載能力以及逐日水文條件下的承載能力。根據(jù)水環(huán)境功能區(qū)劃，確定控制斷面及其水環(huán)境目標；計算各河段的負荷削減量并進行分配，分析模型的不確定性和安全區(qū)間，采用模糊數(shù)學和貝葉斯轉換方法對入河負荷模型和水環(huán)境模型及其用于參數(shù)率定的實測數(shù)據(jù)、邊界條件和模型輸入條件的不確定性進行量化分析，獲得日最大負荷量安全區(qū)間；根據(jù)有償使用和特殊產業(yè)優(yōu)先的原則對各河段的日最大負荷量或者負荷削減量進行分配；(4)建立水環(huán)境實時調控系統(tǒng)建立步驟(1)建立的水環(huán)境數(shù)據(jù)庫與步驟(2)建立的流域分布式水文模型和入河負荷模型之間的無縫鏈接，根據(jù)流域監(jiān)測網(wǎng)絡持續(xù)提供的大量新數(shù)據(jù)，采用卡爾曼濾波、集合卡爾曼濾波等數(shù)據(jù)同化方法建立模型參數(shù)動態(tài)更新模塊，建立水環(huán)境實時調控系統(tǒng)；該系統(tǒng)向各模型傳遞模型需要的運行參數(shù)和條件，接收儲存各模型運算的結果以便后期調用，實現(xiàn)模型和數(shù)據(jù)的有機耦合；通過基于虛擬現(xiàn)實技術的數(shù)據(jù)可視化平臺顯示流域水環(huán)境的實時動態(tài)變化過程，實現(xiàn)污染物負荷的動態(tài)分配與情景模擬顯示，逼真再現(xiàn)各種預案模擬。
2.根據(jù)權利要求1所述一種水環(huán)境實時調控與數(shù)字化管理方法，其特征在于，所述對 各河段的日最大負荷量或者負荷削減量進行分配包括①負荷分配原則調查各河段主要點源目標污染物排放的負荷現(xiàn)狀，計算相應的負荷比例；按照主要點 源單位負荷的經(jīng)濟效益，制定基于利益相關者的水環(huán)境容量有償使用與分配方法；②負荷動態(tài)分配依據(jù)現(xiàn)有的負荷比例和污染削減計劃，參考區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展和產業(yè)調整規(guī)劃，遵照 有毒有害和病原性物質優(yōu)先削減的原則，動態(tài)分配日最大負荷量；采用河流水環(huán)境模型，通 過情景模擬，反復調整和優(yōu)化負荷分配。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于水環(huán)境實時模擬與管理技術領域的一種水環(huán)境實時調控與數(shù)字化管理方法。該方法首先獲取數(shù)據(jù)，建立監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，通過建立水環(huán)境模型，識別具體的污染區(qū)域和污染來源，對這些具體區(qū)域的點源和非點源污染物濃度和排放總量提出控制措施，從而引導整個流域執(zhí)行最好的管理計劃，結合信息化手段，建立水環(huán)境實時調控與數(shù)字化管理系統(tǒng)，實現(xiàn)河流水質的實時調控，可以為流域“控源減排”、水環(huán)境綜合治理與定量化管理提供系統(tǒng)性技術支持，應用前景廣闊。
文檔編號G06Q50/00GK101976380SQ201010282029
公開日2011年2月16日 申請日期2010年9月14日 優(yōu)先權日2010年9月14日
發(fā)明者樂世華, 周鵬程, 張尚弘 申請人:華北電力大學