数字孪生丹江口水质模型关键技术与应用

数字孪生技术作为近年来的创新技术,通过构建精确的虚拟模型实现了对实际物理世界的高度映射,为解决传统水质安全管理中的难题提供了全新的视角和方法。水质模型是实现数字孪生湖库水质安全精准映射和虚实互动的核心。围绕南水北调中线工程的水源地——丹江口水库的水质安全管理需求,针对传统模型存在的模拟失真、误差累积、计算速度慢及无法满足突发污染事件实际决策要求等各种技术难题,提出了一种新型三维水动力水质模型,并利用实地流场观测和水质监测数据进行了模型校验。结果表明:该模型主要改进了组合σ/z网格、总磷本构方程、突发污染投药处置模拟、OpenMP并行计算、水动力预计算和双时间步长模式、污染团扩散轨迹示踪等关键技术,显著提升了模型的计算效率和模拟精度;通过在2023年汉江秋汛期间对丹江口水库水质安全管理的实际应用,证明了该模型能有效支持水质安全“四预”功能(预报、预警、预演、预案),模拟结果为汉江秋汛防御及汛后蓄水水质安全保障提供了重要技术支撑。

基于改进麻雀搜索算法的水质模型多参数反演

水质模型参数取值对模型的模拟精度影响很大,为提高BOD-DO水质模型参数反演精度,首先在DobbinsCamp BOD-DO水质模型的基础上,以BOD和DO浓度计算值与实测值之差的加权平方和最小为目标函数,构建了Dobbins-Camp BOD-DO水质多参数反演模型;然后针对麻雀搜索算法(Sparrow Search Algorithm,SSA)求解精度低、稳定性不足和易陷入局部最优等问题,引入Sine混沌映射和对立学习、转移概率以及差分变异3个策略,分别从提高初始种群多样性、扩大搜索空间以及增强种群跳出局部最优的能力三方面对SSA算法进行改进,提出了一种多策略改进的麻雀搜索算法(Multi-strategy Improved Sparrow Search Algorithm,MISSA),并将其应用于Dobbins-Camp BOD-DO水质多参数反演模型的求解;最后通过数值实验将得到的反演结果与SSA算法、模拟退火算法、粒子群算法、遗传算法四种优化算法进行对比,并探讨了参数初值选取和观测噪声水平对反演结果的影响。结果表明:MISSA算法的计算性能明显优于对照组中的4种算法,且能显著降低初值选取对BOD-DO水质模型参数反演结果的影响,当观测数据的噪声水平不超过5%时,MISSA算法可有效提高反演结果的稳定性。该结果验证了MISSA算法在反演Dobbins-Camp BOD-DO水质模型参数的有效性,为水质模型参数求解提供有益参考。

深圳市典型小区供水水力水质模型建设与应用

文章选择深圳市两个经过优质饮用水改造和远传水表安装的典型居民小区,通过小区供水管网与爬墙立管的拓扑绘制、用户水表挂接、用水量分配和用水模式设置、监测和校核数据设置、二供水泵曲线提取、边界条件设置等关键问题研究,建立起楼宇水力和水质模型。经过多点、连续和多时段实测数据的比对校核,使模型达到较好的精度。在此基础上,开展小区用户风险模拟、快速风险评估、二供运行优化等应用。该研究为探索小区模型的建设和应用提供了基础,初步形成小区水力、水质特征研究和评估的理论与方法。

基于水动力水质模型的浅水型湖泊水环境治理目标可达性评估

当前湖泊水环境治理仍然面临着湖泊水质的实际改善效果与工程方案预期不相符的难题,特别是城市浅水型湖泊,其受外源污染、底泥释放、降雨冲击等因素,对治理成效扰动响应更为剧烈,因此,进行多因素成效评估对城市浅水型湖泊水环境治理尤为重要。采用InfoWorks ICM模型,以武汉市墨水湖为例,搭建浅水型湖泊水质水动力模型,依据气象水文、城市开发建设、湖泊污染情况等现状数据,基于模型计算原理,研究COD、NH_(3)-N、TP等污染物的变化趋势,定量分析不同工况情景下湖泊水质的可达性,评估规划拟建工程的实施效果,可为同类湖泊水环境治理工程方案优化提供参考。

基于水文-水动力-水质模型的区域水环境治理改善措施评估——以南方某市区域流域为例

为进一步优化城市水环境治理方案,利用模型模拟的方法研究评估分析区域黑臭水体整治策略与实施方案的效果。基于研究区域内监测与河网等基础数据,采用水文、水动力及水质模型模拟区域内的水文过程、水力调度及污染物迁移转化等过程,研究不同环境整治方案的水质改善评估方法与技术。结果表明,采用控源截污方案对污染削减有更显著的效果,在进一步结合水闸调度、内外江泵站活水等工程措施,整体水环境质量能达到预期的控制目标。通过水力水质模型模拟分析,掌握不同工程方案下研究区域的水质改善效果,可为工程治理提供定量的评价数据和科学依据。

基于MMIKE21多模块耦合下水质模型研究——以雁栖湖为例

应用 MIKE 21 模型耦合水动力模块、对流扩散模块及ECOlab 水生态模块通过点面源概化、内源概化、截流控污、活水补给、内源清淤、生态修复等整治工程措施概化,并结合水利设施、排水设施、水环境整治设施等边界条件,建立研究区域的降雨-径流-水质模型。在雁栖湖水环境工程相关水体污染特点基础上,解决以下问题:(1)率定适应工程条件下的影响水动力结果的糙率和影响污染物浓度分布的扩散系数和降解系数等参数;(2)得到工程前后COD、NH3-N、TP等浓度的可视化变化分布。为点源截污工程及面源控制工程提供了有力的技术理论基础和技术保障,并为同流域工程提供实例借鉴。

基于海河流域某河道综合水质模型的河道多源污染负荷研究

以山东滨州徒骇河为研究对象,对多源污染负荷进行计算分析,同时应用QUAL2K水质模型,获得污染组分在流域中迁移运动结果。研究显示,河段Ⅰ的总磷污染贡献率为:工业污染数值范围在0.03%~1.10%;畜禽养殖污染取值在1.61%~21.2%;农业种植污染在9.1%~83.7%,表明该模型在污染贡献率分析上具有良好效果。

基于遗传算法的水质模型参数估计研究

氯是用于维持配水管网水质最常见的消毒剂,但其浓度受到严格的限制,其浓度应足以去除配水管网中的病原微生物,且不因浓度过高而产生过量的消毒副产物。实时水质模型对保持配水管网中余氯浓度处于最佳值具有重要作用,其准确性依赖于模型基于现场实测余氯数据的定期校准与验证。该研究应用遗传算法自动搜索氯衰减系数的最佳值,探究了管道分组对模型校准的影响,同时通过测试遗传算法处理数据不确定性的能力验证了其鲁棒性。

基于修正河流水质模型的河道氨氮浓度动态监测

近代以来,伴随着工业革命的浪潮,城市建设、工业发展、农业发展被持续推动,污染物的排放量与日俱增,不仅加剧了水资源的污染,也给人类健康和生态环境平衡带来了严重危害。因此,文章依据某市某河段的水文数据,针对各种污染源,构建了完全混合模型、零维水质模型以及一维水质模型精准模拟河道氨氮浓度的动态变化过程,进而对河流污染物运动基本方程和弥散方程进行推导,迭代求解河道氨氮浓度。文章旨在为探究水环境规划治理措施提供有效的理论依据据。

基于水动力水质模型的金川河流域水质长效达标分析

为解决金川河流域水质全年不能稳定达标的现状,在对金川河流域污染特征分析的基础上,考虑流域污水处理厂处理能力、补水能力、截污能力提升,拟定了3种长效达标方案,对各方案水质提升效果进行预测分析。结果表明:现状污染源条件下,在流域污水处理厂提质增效10%,以及在此基础上增加50%流域补水量两种方案中,虽氨氮浓度峰值有所下降但浓度仍高于Ⅴ类水标准;在以南方污水处理厂考核目标进水浓度方案中,流域入河污染负荷总量降低约44.4%左右,河网氨氮浓度则明显降低,其中下游考核断面宝塔桥断面氨氮浓度降至1.85 mg/L,其水质全过程基本能够满足水质长效达标的效果。计算结果可为金川河流域水污染治理与防控提供有效的科学依据。

基于水动力–水质模型的玄武湖水治理研究

随着现代化进程的不断加快和经济的快速发展,许多环境问题越来越突出,人们日常生活、生产及生态用水需求愈来愈大,中国水资源人均可支配量少且分布不均。人工湖在城市建设和在社会发展进程中有发挥着十分重要的作用,但因其自我修复的能力太差又缺乏科学有效的管理和保护,导致许多人工湖的污染严重、水质差,这对人们的生活质量和可持续发展产生了严重影响。本文依托玄武湖水利风景区2021年度生态补偿项目及南京市玄武湖北湖东部疏浚及生态修复工程项目,以玄武湖为研究对象,对玄武湖的工程概况并通过选择pH值、溶解氧指数(DO)、生化需氧量指数(COD)、氨氮(NH3-N)、总磷指数(TP)和高猛酸盐指数等6个常见水质指标对其进行检测仿真研究,然后建立了玄武湖的二维水动力和水质模型,对玄武湖及相似湖泊的水管理与管理具有良好的参考价值,对水生态文明城市建设具有参考价值。

太子河流域水质模型的构建及应用研究

太子河流域是辽宁省工农业生产较为发达的区域,随着经济的快速发展,流域也面临着水污染等问题,水资源保护需求显得尤为迫切。基于MIKE 11水质模型的对流扩散模块,以周边区域水质站监测数据为基础,并结合污染负荷估算、水质边界条件设立等,构建了太子河流域内辽阳至小姐庙段的水质模型。通过对模型进行率定与验证,模拟了3项主要污染指标随时间的变化过程,验证了模型的可行性,并对后续研究的开展提出建议。研究成果可为区域污染物迁移规律研究、水资源保护与水生态修复等研究的开展提供参考。

基于水平衡模型和水质模型的尾矿库防渗方案量化评估

本文构建了某尾矿库水平衡模型和水质模型,定量分析了尾矿库渗水对下游地表水质的影响,为该尾矿库是否需要构建防渗设施以及采取何种防渗方案提供依据。首先对尾矿坝的二维渗流场进行分析,计算得到的渗流量作为水平衡和水质模型的输入参数。再建立尾矿库的水平衡模型和水质模型,模拟尾矿库在无防渗设施和有防渗设施不同工况下尾矿库渗水、库内盈余水和下游河水的水质情况。水质预测结果分析表明,尾矿库渗漏会显著影响下游河水水质,建议对该尾矿库采取全库水平防渗方案,具体包括尾矿坝上游坝坡铺设HDPE土工膜,库内基底及边坡铺设1 m厚防渗黏土层,且防渗黏土层渗透系数要求达到10-5~10-6 cm/s,尾矿库干滩长度要求大于200 m,精选尾矿和粗选尾矿分开排放,其中精选尾矿采用水下排放方式,并保持浸没。

混凝沉淀出水水质模型的建立与仿真

借助MATLAB中Simulink工具箱建立混凝沉淀出水水质仿真预测模型,通过采集A水厂不同时间段的原始测量数据,验证模型准确度,并通过模型模拟,进行参数分析,以优化供水厂的水处理效率。

非机理性水质模型研究综述

水对社会和经济的发展都起着不可估计的作用。保护和改善水环境问题已成为当前世界关注的一个焦点。虽然机理性水质模型能较精确地描述水污染过程中的物理、化学、生物化学的内在规律和相互联系,但是需要大量的模型参数和环境参数,而得到这些参数需要大量物力、财力,从而制约了这些模型在水环境中的应用。随着现代随机数学和统计学的发展,非机理性水质模型得到了广泛的应用;非机理性水质模型虽然是一种黑箱式方法,但因其针对某一特定的物质系统,通过数学统计或其他数学方法建立模型,模拟预测也得到了较好的效果。它们为水环境的综合整治和科学管理提供科学依据。最后综观水质模型的研究历史和应用前景,系统分析了水质模型的发展趋势。

水质模型研究进展及发展趋势

概述了水质模拟的目的及应用方面。阐述了机理性水质模型的5种模型体系,以及非机理性水质模型的6种模型。从5个方面系统分析了水质模型在未来的主要发展趋势。

水动力-水质模型在水库污染防治中的应用研究

水库的水质及污染情况关乎当地生态环境的发展。为了分析流水作用下水库的污染情况及污染物扩散规律,以白鸽陂水库为研究对象,基于MIKE21建立该水库的水动力-水质模型,对该水库的污染物分布规律进行分析。结果表明,采用水动力-水质模型对水库的坝前水位进行计算的准确性较高,采用该模型可准确反映水库的水体流场变化规律。当BOD浓度下降至1.0mg/L时,3个坐标的时间-BOD浓度曲线均存在微弱的上升趋势。这是由于洪水开始前期,水库的水流速度较快,水流紊乱,形成水流漩涡,导致污染物难以扩散,其污染物浓度微弱上升;随着时间的增大,BOD浓度逐渐减小,其曲线变化趋势逐渐趋于平缓,此时水库的污染物完全扩散。不同污染物的扩散趋势具有一定的差异性,而且测点位置也会影响各污染物浓度,表明不同测点位置的污染物扩散程度不同。

国际水协会河流水质模型1号(RWQM1)述评

剖析河流水质模型1号(RWQM1)的建模背景、设计思路、基本框架与建模方法,认为RWQM1从技术层面和建模方法上对当前水质模型进行了重大调整,提供了全新的水质模型框架,作为未来水质建模的科学标准,RWQM1的标准化设计思路包括:1较全面地划分水质组分,统一水质组分的表述方式;2基于严格的化学计量方程实现对水质转化过程及其动力学的数学描述,确保反应物、产物的物质守恒;3将各种水质过程通过化学计量矩阵的形式实现模型的结构化表达。结构化的思路使得RWQM1水质模型具有灵活、适用性广等特点,但过于复杂的状态变量、缺乏强大的软件平台等问题,在一定程度上限制了RWQM1水质模型的推广。

河流水质模型参数的优化估算探讨

采用最速下降法和复合形法对河流动态水质模型的参数进行了优化估算，并从计算方法的适用范围、计算机编程的复杂程度、整体工作量的大小、计算结果的代表性和合理性等方面对这两种方法进行了比较分析。

WASP6水质模型应用于汉江襄樊段水质模拟研究

WASP6是美国国家环保局开发的最新的Windows版水质模拟软件。应用WASP6对汉江襄樊段现状水质进行了模拟研究,研究的水质指标包括:BOD5、NH3-N、DO,并用2001年实测值对水质模型模拟结果进行校验。研究结果表明:BOD5、NH3-N、DO模拟的平均相对误差分别为10.7%、11.0%和5.6%。WASP6应用于汉江的水质模拟能够取得较满意的结果。