一种复杂河流交汇水质水量调控系统及方法与流程

本发明涉及环保和水体修复，具体为一种复杂河流交汇水质水量调控系统及方法。

背景技术：

1、近年来，工业化和城市化的快速发展，给河道交汇处水环境监控断面水质和水量达标优化调节情况带来了新的压力，业内迫切需要一种科学、有效、准确的措施动态调节河道交汇处监控断面河道水质和水位稳定达标。

2、现有技术中，申请号为cn201110151375.4的中国专利提供一种串联式河道水质改善和水资源调蓄方法，具体过程包括：建立水量调蓄系统，该系统包括在河道中构建的橡胶坝或浆砌低坝以及在河道两侧构建的库塘，在建造橡胶坝的河道的外侧开挖库塘，在库塘外围建立水质保障系统；在河道内建立串联的人工湿地；在河道两侧建立水质改善系统；建立在线监测和自动控制系统，该方法采用综合治理的技术手段，在河道内构建了串联水质净化系统，但未对河道水质进行实时监测，不能对不达标水质采取实时、准确、有效的处理措施。

3、申请号为cn202411752485.x的中国专利申请一种智能交互河道治理咨询管理系统及方法，方法包括：在河道预设监测点布设多层次水质监测探头阵列，通过多层次水质监测探头阵列对河道水质进行基于自适应采样频率方法的动态监测，得到多层次水质原始数据，其中多层次水质原始数据包括表层探头数据、中层探头数据以及底层探头数据；对表层探头数据进行气液界面扰动分析，得到气液影响数据；对中层探头数据进行水体混合度分析，得到垂直混合数据；对底层探头数据进行沉积物再悬浮分析，获得底泥释放强度数据。本发明通过布设多层次水质监测探头阵列，结合自适应采样频率技术，能够精准捕捉河道水质的垂直分布与动态变化，提升监测时效性和精确度，但该方法并未涉及对水质不达标的处理措施。

4、申请号为cn202411537285.2的中国专利一种入海河流的水污染防控系统及其方法，通过多源数据采集，以河流-河口-海湾为连续体调查对象，实现对其状况的全面精准溯源整治，通过遥感卫星、无人机、测绘等采集手段对河流-河口-海湾进行全面的数据采集，构建河流-河口-海湾水文三维模型，为后续分析奠定基础；通过对河流-河口-海湾水文、水质等的持续追踪和检测，结合河流-河口-海湾水文三维模型，构建针对污染场景的溯源模型，实现对污染源的精准溯源，为针对性治理提供依据；在溯源模型的基础上结合防治模式、流量-流速变化曲线进行防治设计，得到河流-河口-海湾系统治理模型，有效保护入海河流生态，为决策提供支持，但该方法并未涉及对水质污染源的处理措施。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种复杂河流交汇水质水量调控系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种复杂河流交汇水质水量调控系统，包括主河道、闸门控制系统、监测系统、支流净化系统、判断系统；

4、所述主河道包括主河道本体；

5、所述闸门控制系统包括多个支流河道闸门，多个支流河道闸门接收判断系统下发指令完成全开、部分开启、关闭动作；

6、所述监测系统包括多组水质监测装置、水量监测装置、液位计，监测系统将采集的水质、水量、液位实时数据传输至判断系统；

7、所述支流净化系统包括多个支流河道以及湿地支流净化系统，湿地支流净化系统具备出水回流净化通路；

8、所述判断系统通信连接监测系统与闸门控制系统，用于接收监测数据，执行污染物浓度演算、水环境容量、闸控断面设计过水流量计算，按照预设工况输出闸门控制指令。

9、优选地，多个所述支流河道闸门分别为第一闸门、第二闸门、第三闸门、第四闸门、第五闸门、第六闸门，第一闸门设置在第二支流河道进水前端，第二闸门设置在第三支流河道进水前端，第三闸门、第四闸门、第五闸门、第六闸门均设置在湿地支流净化系统出水后端。

10、优选地，多组所述水质监测装置分别为第一水质监测装置、第二水质监测装置、第三水质监测装置，第一水质监测装置、第一水量监测装置、第一液位计布设于第二支流河道进水前端；

11、多组所述水量监测装置分别为第一水量监测装置、第二水量监测装置、第三水量监测装置，第二水质监测装置、第二水量监测装置、第二液位计布设于第三支流河道进水前端；

12、多组所述液位计分别为第一液位计、第二液位计、第三液位计，第三水质监测装置、第三水量监测装置、第三液位计布设于湿地支流净化系统出水后端；监测系统将采集的水质、水量、液位实时数据传输至判断系统。

13、优选地，多个支流河道分别为第一支流河道、第二支流河道、第三支流河道，第一支流河道上游来水分三路，分别经第二支流河道、第三支流河道、湿地支流净化系统汇入主河道本体，湿地支流净化系统具备出水回流净化通路，出水可回流至第二支流河道或第一支流河道再次净化。

14、优选地，所述判断系统执行三种工况逻辑，控制闸门控制系统完成调度：

15、工况1：第一支流河道来水水质ci≤c0符合控制标准，第一闸门、第二闸门、第三闸门均开启，水流顺利通过汇入主河道；

16、工况2：水质不满足要求，但水位满足要求；

17、（1）支流河道来水水质c0≤ci≤1.2c0不符合水质标准，但未超过水质标准的20%，可依靠后续第二支流河道、第三支流河道自净能力达到入主河道的水质要求，且qi≥qi·α·β，qj≥qj·α·β，水位满足控制要求，此时进入第二支流河道、第三支流河道的第一闸门、第二闸门部分开启，通过的水流流量分别为qi、qj，水位抬高，水流主要通过湿地支流净化系统汇入主河道；

18、（2）支流河道来水水质ci≥1.2c0不符合水质标准，并超过水质标准的20%，不可依靠后续第二支流河道、第三支流河道自净能力达到入主河道的水质要求，且qi≤qi·α·β，qj≤qj·α·β，但水位满足控制要求，此时第一闸门、第二闸门关闭，提高第一支流河道的水位，水流通过湿地支流净化系统进行净化，当湿地支流净化河道出水水质ci≤c0符合水质要求时，第四闸门开启，第五闸门、第六闸门关闭，水流流入主河道，当出水水质c0≤ci≤1.2c0不满足水质标准，但未超过水质要求标准的20%时，第六闸门开启，第四闸门、第五闸门关闭，水流进入第二支流河道进行净化；出水水质ci≥1.2c0不满足水质标准，并超过水质要求标准的20%时，第五闸门开启，第二闸门、第六闸门关闭，水流回流进入第一支流河道进行再次净化；

19、工况3：水质、水位均不满足控制要求，以水量作为优先判断条件；

20、（1）当来水水量不超过控制水量20%：

21、①水质超标幅度≤20%，第三闸门开启，第一闸门、第二闸门部分开启；

22、②水质超标幅度＞20%，水流优先进入湿地支流净化系统；当qi≥qi·α·β，qj≥qj·α·β时，第一闸门、第二闸门部分开启；湿地出水按照工况2第（2）子项的出水分支逻辑执行；

23、（2）当来水水量超过控制水量20%，第一闸门、第二闸门、第三闸门全部开启，水体直接汇入主河道本体。

24、优选地，流量系数α取值：丰水季α=0.20-0.25；平水季α=0.20-0.25；枯水季α=0.30-0.35；

25、过水流量系数β按照来水占控制水量比例取值：占比20%-50%，β=0.5-0.75；占比50%-80%，β=0.75-1.0；占比80%-100%，β=1.0-1.1；占比100%-120%，β=1.1-1.2。

26、优选地，所述判断系统计算闸控断面设计过水流量qi、qj，包含如下步骤：

27、（1）筛选超标水质数据，采用河段污染物衰减模型计算沿程污染物浓度：

28、

29、式中：cl为流经l距离后的污染物浓度；

30、l 为沿河段的纵向距离；

31、u 为设计流量下河流断面的平均流速；

32、cs为上游来水污染物浓度；

33、（2）计算第二支流河道断面水环境容量：

34、

35、式中：wi为环境容量；

36、qi为第二支流河道至主河道断面间近十年90%保证率下最枯月的平均流量；

37、qi为第一支流河道流入第二支流河道断面的设计过水水量；

38、 c0为水质目标；

39、 u 为河段的平均流速；

40、 y为污染物综合降解系数，取值范围为0.09～0.15d-1；

41、（3）计算第二支流河道、第三支流河道至主河道本体断面现有污染物含量：

42、wi2=ck2（qi-qi）

43、wi3=ck3（qj-qj）

44、式中：qi为第一支流河道流入第二支流河道断面的设计过水流量；

45、qj为第一支流河道流入第二支流河道断面的设计过水流量；

46、qi为第二支流河道至主河道断面间河水流量；

47、qj为第三支流河道至主河道断面间河水流量；

48、wi2为第二支流河道至主河道断面间的现有污染物量；

49、wi3为第三支流河道至主河道断面间的现有污染物量；

50、ck2为第一支流河道流入第二支流河道断面间河流的第k个污染物质量浓度；

51、ck3为第一支流河道流入第三支流河道断面间河流的第k个污染物质量浓度；

52、（4）计算第二支流河道、第三支流河道至主河道断面间的可降解污染物的含量wi2、wi3；

53、wi降2=wi2·y

54、wi降3=wi3·y

55、wi降2为第二支流河道至主河道断面间可降解污染物的含量；

56、wi降3为第三支流河道至主河道断面间可降解污染物的含量；

57、 y为污染物综合降解系数，取值范围为0.09～0.15d-1；

58、（5）针对每一项污染物分别计算对应闸控断面过水流量qk2、qk3，取各项污染物计算结果的最小值作为最终设计过水流量：

59、qk2=（wi2-wi2+wi降2）/ck2（k=1、2、3.....）

60、qk3=（wi2-wi2+wi降2）/ck2（k=1、2、3.....）

61、qi=min（qk3，k=1、2、3......）

62、qj=min（qk3，k=1、2、3......）

63、式中：

64、wi为环境容量；

65、qi、qj为闸控断面设计过水流量；

66、ck2为第一支流河道流入第二支流河道断面间河流的第k个污染物质量浓度；

67、ck3为第一支流河道流入第三支流河道断面间河流的第k个污染物质量浓度；

68、qk2为闸控断面根据第k个污染物数据计算得出的设计过水流量；

69、qk3为闸控断面根据第k个污染物数据计算得出的设计过水流量；

70、wi2为第二支流河道至主河道断面间的现有污染物量；

71、wi3为第三支流河道至主河道断面间的现有污染物量；

72、wi降2为第二支流河道至主河道断面间可降解污染物的含量；

73、wi降3为第三支流河道至主河道断面间可降解污染物的含量。

74、优选地，设置洪涝应急保护逻辑；第一液位计、第二液位计、第三液位计实时采集河道水位ha；当ha≥h，h为河道洪水位，判断系统输出全开指令，所有闸门强制开启泄洪；泄洪流量按照下式计算：

75、

76、q泄为洪涝泄水流量，m3/s；

77、μ为流量系数；

78、b为过水断面宽度，m；

79、e为闸门开启高度，m；

80、g为重力加速度，m/s2；

81、ha，a＝7、8、9为液位计所测闸站3-a的河道水位，m；

82、ha+1为闸站后测得的水深，m。

83、一种复杂河流交汇水质水量调控方法，采用上述所述的系统执行，包括如下步骤：

84、s1、预设水质标准：选取溶解氧、cod、氨氮、总磷作为核心控制指标，在判断系统录入各指标目标阈值c1、c2、c3、c4；

85、s2、实时监测采集：第一支流河道上游来水进入调控区域，监测系统各监测装置采集各断面水质、流量、水位数据并上传至判断系统；代表第监测断面第项污染物实测浓度；

86、s3、数据比对与流量计算：判断系统将实测与目标阈值对比；存在指标超标时，调用水环境容量、污染物衰减模型计算闸控断面设计过水流量qi、qj；

87、s4、分工况闸门调度：按照工况1、工况2、工况3的逻辑输出控制信号至闸门控制系统，完成闸门全开、部分开启或者关闭；湿地支流净化系统出水根据水质结果选择汇入主河道、回流第二支流河道、回流第一支流河道；

88、s5、洪涝安全判断：实时读取液位计水位，若水位达到洪水位，强制全部闸门开启泄洪；

89、s6、循环迭代：持续采集监测数据，重复s2-s5步骤，实现河段动态连续调控。

90、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

91、（1）本发明以监控断面河道水质达标、水位调节为核心，通过检测系统、液位计对河水情况进行实时动态监测，通过智能化控制系统合理确定闸、泵站的启闭，能够及时、准确、有效的确保水质监控断面稳定达标。

92、（2）本发明合理利用河道已建闸站，合理调节各河道水位，因地制宜。充分利用各支流河道的自净能力，投资成本少，净化效果好，绿色生态，无二次污染。

93、（3）本发明操作灵活、投资少、成本低。通过智能控制系统，实现河水的实时调控。同时根据地表水环境质量标准设置监测参数，对水质、水位的控制更加全面。