1.一种城市河流橡胶坝群水生态调控方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1)、获取待调控城市河流的上中游气象要素数据、径流数据、流域DEM高程数据、土地利用数据和植被覆盖数据,根据获取的上述数据建立待调控城市河流的上中游分布式水文模型;
2)、获取待调控城市河流的下游城市段河湖水力、水质和水量实测数据,并根据获取的下游城市段河湖水力、水质和水量实测数据建立待调控城市河流的下游河道橡胶坝调控作用下的下河道平面二维水动力学数值模型——污染物输移数值模型;
3)、根据待调控城市河流的上中游分布式水文模型和下河道平面二维水动力学数值模型——污染物输移数值模型开展流域产汇流模拟、下游河段橡胶坝群调度情况下的河段水量、水质模拟计算,模拟计算目标按照优先级依次为坝前污染物浓度达到水体水质提升指标要求、流量大于生态基流、渗漏蒸发水量损失最小化、同时蓄水量满足区域水景观要求,橡胶坝库区水质与水量调控模型模拟计算,在目标保证率大于90%情况下,输出河段水质分布状况、断面平均流速、流量、各橡胶坝调节高度、区间水量渗漏蒸发量。
2.根据权利要求1所述的一种城市河流橡胶坝群水生态调控方法,其特征在于,步骤1)中,分布式水文模型以山坡的坡面及山坡下垫面为基本计算单元,考虑空间因素变化对水文过程的影响,空间因素包括地形、土壤、植被、降水、气温、相对湿度和风速信息。
3.根据权利要求2所述的一种城市河流橡胶坝群水生态调控方法,其特征在于,利用网格型DEM提取流域特征进行汇流计算:先将流域划分为多个子流域,然后各子流域进一步划分为汇流区间和山坡,汇流计算时,各子流域相对位置和汇流顺序采用河网分级编码方法,流域特征包括河网水系、子流域范围、坡度和坡长。
4.根据权利要求1所述的一种城市河流橡胶坝群水生态调控方法,其特征在于,步骤1)中,上中游气象要素从上中游多个气象站点获取,径流数据从上中游控制性水文站获取。
5.根据权利要求1所述的一种城市河流橡胶坝群水生态调控方法,其特征在于,分布式水文模型将坡面单元概化为一个长l、倾斜角为β的矩形坡面,以坡面为基本单元,通过下式进行计算:式中,A(x)为面积方程;W(x)为宽度方程。
6.根据权利要求1所述的一种城市河流橡胶坝群水生态调控方法,其特征在于,下游城市段橡胶坝库区污染物输移数值模型基于质量守恒和动量守恒方程。
7.根据权利要求6所述的一种城市河流橡胶坝群水生态调控方法,其特征在于,具体的橡胶坝库区基本二维水动力学数值模型主体方程由质量守恒方程和X、Y方向上的动量守恒方程组成:橡胶坝库区基本二维污染物输移数值模型主体方程为:
上式中:x、y、t为坐标轴与时间,h为水深,u、v分别为x和y方向上的流速,ρ为液体密度,E为涡动黏滞系数,g为重力加速度,a为底高程,n为曼宁糙率系数,ξ为风应力系数,Va为风速,ψ为风向,ω为地球自转角速度,Φ纬度,Dx、Dy为x、y方向的扩散系数,k为衰减系数,σ为污染物源汇,R(C)为降雨蒸发渗漏。
8.根据权利要求7所述的一种城市河流橡胶坝群水生态调控方法,其特征在于,每个计算单元根据尺寸和流速初定一个Peclet数值,Peclet数值范围为15-50,在每个单元既定尺寸与计算流速条件下每一涡动黏滞系数步长由计算实时自动调整;Peclet数与单元平均流速、单元长度、流体密度和涡动黏滞系数的关系如下:(6)式中P为Peclet数,无量纲;ρ为流体密度,g/cm3;u为单元平均流速,m/s;dx为流向方向的单元格长度,m;E为涡动黏滞系数,kg/(m·s);
曼宁糙率系数由每个单元在每步迭代中由其计算水深自动调整:
(7)式中n为曼宁糙率系数,RDRO为无植被水域曼宁糙率系数,AVEDEP为单元平均水深,RDCOEF为糙率水深影响系数,RDRM为植被水域的曼宁糙率系数,RDD0为受植被影响的水深;
公式(2)~(5)控制方程由加权余量的Galerkin有限元法求解,求解过程采用隐式格式;联立方程通过Newton-Raphson非线性迭代求解。
9.根据权利要求1所述的一种城市河流橡胶坝群水生态调控方法,其特征在于,步骤3)中,以分布式水文模型模拟计算的上游河道来水过程、坝前污染物浓度为约束条件,建立河流橡胶坝群控制下的上河道平面二维有限元水动力——污染物输移数值模型,计算橡胶坝群抬升不同高度情况下,橡胶坝库区水质时空分布状况以及出口断面平均流速。
10.根据权利要求1所述的一种城市河流橡胶坝群水生态调控方法,其特征在于,河流橡胶坝库区水质与水量调控的多目标优化在给定优化目标后,在给定优先级下极小化与此目标的偏差;确保目标保证率大于90%,给出随机变量解;以下为河流橡胶坝库区水质与水量调控的多目标优化模型基本框架:其中Pj为优先因子,表示各个目标的重要性,对所有Pj远大于Pj+1,uij为优先级j的第i个目标正偏差的权重因子,vij为优先级j的第i个目标负偏差的权重因子, 为目标i偏离目标值的负偏差, 为目标i偏离目标值的正偏差,Hik为目标约束中的实值函数,Gj为在不确定环境中的实值函数,wi为目标i的目标值,l为优先级个数,n为目标约束个数。