一种基于生物絮凝的水沙动力学模拟方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水利工程技术领域，特别涉及生物絮凝的水沙动力学领域。
【背景技术】
[0002] 我国河道含沙量高、输沙量大，泥沙输移对河床演变、水利工程建设等均产生重要 影响，因此泥沙研究在我国一直受到高度重视，并已形成一套相对成熟的研究体系。但传统 的泥沙研究，以干净泥沙为研究对象，干净泥沙主要由岩石风化产生，其表面特性、颗粒特 性和群体特性均以岩石颗粒为基础，忽略了微生物等的影响。
[0003] 近年来随着社会经济的快速发展，生产和生活用水的大量排放，点源和面源污染 导致河道水体污染日趋严重、营养化程度增高，河流中的干净泥沙颗粒作为水环境中的重 要载体，吸附了大量污染物，为微生物在其表面的吸附成膜提供了更为有利的条件，从而进 一步加剧了水环境中泥沙颗粒、生物膜生长及污染物吸附的相互影响问题。这一问题传统 的泥沙研究无法回答。目前已有的水沙动力学模型，只能模拟干净泥沙颗粒的絮凝及输移， 以及由此所导致的河床冲淤演变及流量、水位、糙率等水沙动力特性变化。
[0004] 微生物是自然界中个体最小、数目最多、分布范围最广的生命体，在生长环境中大 多是以附着状态而非游离状态存在，其通过代谢活动分泌称之为生物膜的胞外聚合物质 (EPS)粘附于固体基底表面。在河道、湖泊水体中，有大量的微生物。观测发现，微生态系 统对河流、湖泊、潮间带地区等水沙环境具有重要作用，微生物通过新陈代谢活动分泌生物 膜等作用于泥沙颗粒，并形成新的泥沙生物絮凝体，又称之为"生物絮凝泥沙"或"生物絮凝 体"。与传统模型研究中的普通泥沙颗粒相比，生物絮凝泥沙的理化性质均发生很大变化， 生物絮凝泥沙的输移规律也发生改变。微生物吸附及生物膜的形成会强烈地改变泥沙颗粒 本身的物理化学特征和运动输移规律等，并且导致泥沙颗粒的新的环境效应问题。但是对 于生物絮凝影响下的水沙特性，由于其作用机理不同，影响因子由于侧重于具有生物活性 的微生态系统而更显复杂化，单纯的物理化学理论已无法准确全面的描述其实际情况。
[0005] 因此，为了更加准确全面的描述泥沙生物絮凝体的输移状况，亟需建立一种耦合 泥沙颗粒和微生态系统之间相关关系的模型系统。
【发明内容】
[0006] 本发明主要针对实际工程需要，建立了一种基于泥沙生物絮凝的水沙动力学模型 系统，该系统涵盖水位流量预报、河道演进、泥沙生物絮凝变化等模拟功能，具有功能齐全， 方便实用的特点。
[0007] 据此，本发明提供了一种基于生物絮凝的水沙动力学模拟方法，所述方法包括如 下步骤：
[0008] A)给定初始河道断面资料，利用上游边界条件、下游边界条件及河道糙率计算出 各个断面的水力要素，进而得到整个河道的水力要素分布；
[0009] B)利用所述水力要素计算出水体紊动剪切速率，然后利用所述水体紊动剪切速率 和测定的水质参数计算出悬移泥沙生物絮凝体的特征数据；
[0010] C)利用上游来沙过程线、所述各个断面的水力要素以及所述悬移泥沙生物絮凝体 的特征计算相应断面泥沙生物絮凝体的冲刷淤积及运动输移，给出冲淤之后的河道断面情 况；
[0011] D)在相应的时间节点上，重复步骤A)-C)直到完成整个时段的计算，模拟河道冲 淤的全过程，给出河道的演变规律。
[0012] 其中，步骤A)对应于水动力学模块，步骤B)对应于泥沙生物絮凝模块，步骤C)对 应于泥沙动力学模块。
[0013] 由于传统的水沙动力学模型系统忽略生物絮凝对水沙动力学的影响，因而不能真 实的反应河道中实际情况。然而，发明人通过研究发现，生物絮凝对水沙动力学具有一定的 影响，其不可作为一个忽略因素来用于实际的水沙动力学评价当中。因此，将生物絮凝的因 素考虑到水沙动力学系统当中，无疑使河道相关测报的数据更加科学、全面，从而更精准的 指导实际现场。
[0014] 在一个【具体实施方式】中，所述水力要素包括流量、流速、水位和水深。
[0015] 在一个【具体实施方式】中，所述水质参数可以包括水体营养浓度、生物膜最大指定 生长速率、营养物质的半饱和浓度、悬移泥沙生物絮凝体携带生物膜的能力系数、生物絮凝 计算系数和破坏计算系数。
[0016] 在一个【具体实施方式】中，所述悬移泥沙生物絮凝体的特征可以包括悬移泥沙生物 絮凝体的粒径；优选所述悬移泥沙生物絮凝体的特征数据还包括悬移泥沙生物絮凝体的密 度；特别优选所述悬移泥沙生物絮凝体的特征数据还包括悬移泥沙生物絮凝体的组成和/ 或其结构。其中，悬移泥沙生物絮凝体的组成主要包括悬移泥沙和附着于悬移泥沙上的生 物膜两部分。附着于悬移泥沙上的生物膜可以简称为悬移生物膜；悬移泥沙生物絮凝体的 结构主要指悬移泥沙生物絮凝体的孔隙率等。
[0017] 在一个优选的实施方式中，所述悬移泥沙生物絮凝体的特征包括悬移泥沙生物絮 凝体的粒径和密度。
[0018] 为了更精准地将生物絮凝应用于泥沙动力学模拟方法中，并且为了使具体的操作 更具可行性，在本发明的一个实施例中，将所述悬移泥沙生物絮凝体分为悬移泥沙和悬移 生物膜两部分，并引入分形维数理论。由此可根据絮体的分形几何特征，结合悬移泥沙生物 絮凝体的体积来推导求出其粒径。
[0019] 在一个【具体实施方式】中，根据方程7 = 求出所述悬移泥沙生物絮凝 体的粒径L，
[0020] 其中，V为所述悬移泥沙生物絮凝体的总体积，d为所述悬移泥沙生物絮凝体的分 形维数，LP为所述悬移泥沙生物絮凝体中的所述悬移泥沙的泥沙颗粒的粒径，& =g是所 述悬移泥沙生物絮凝体中的所述悬移泥沙的泥沙颗粒的体积；以及任选地，
[0021 ]Pf =GPB+(U)Ps，
[0022] 其中，Pf为悬移泥沙生物絮凝体的密度，PB为所述悬移泥沙生物絮凝体中的所 述悬移生物膜的密度，Ps为所述悬移泥沙生物絮凝体中的所述悬移泥沙的密度。
[0023] 在一个【具体实施方式】中，根据方程V=VS+VB= (1-G)V+GV或求出 所述悬移泥沙生物絮凝体的总体积V;
[0024]其中，Vs为所述悬移泥沙生物絮凝体中的所述悬移泥沙的总体积，VB为所述悬移 泥沙生物絮凝体中的所述悬移生物膜的总体积，G表示所述悬移泥沙生物絮凝体中的所述 悬移生物膜的体积含量，且G=VB/V，（1-〇表示所述悬移泥沙生物絮凝体中的所述悬移 泥沙的体积含量，t为时间。在此求出的V可用于方程
[0025] 在一个【具体实施方式】中，用于方程$ = 中的^通过方程 at at at at
:得，其中，Cs是悬移泥沙生物絮凝体中的所述悬移泥沙 的浓度，且Cs= (l-Q)C，其中，Q是总悬移泥沙生物絮凝体中的所述悬移生物膜的质量含 量，C是悬移泥沙生物絮凝体的浓度；（1- 〇是悬移泥沙生物絮凝体中的所述悬移泥沙的 体积含量；G为水体紊动剪切速率；匕为悬移泥沙生物絮凝体的絮凝速率，kb为悬移泥沙生 物絮凝体的破坏速率，且匕和kb计算方程分别为
其中，k'a为无量纲悬移泥沙生物絮凝体的絮凝计算系数，k' b为无量纲悬移泥沙生物絮凝 体的破坏计算系数，y为水的动力粘度系数，。为悬移泥沙生物絮凝体的强度。在此求出
的i可用于7 dt
[0026] 在一个【具体实施方式】中，用于方程
中的|通过方程
求得，其中，CB是所述悬移泥沙生物絮凝体中的所 述悬移生