一种基于水面漂浮物迁移轨迹的清污工程布置方法
【专利摘要】一种基于水面漂浮物迁移轨迹的清污工程布置方法：确定清污区域，绘制清污区域边界；建立清污区域水动力模型；水动力模型的率定；在清污区域内选定污染控制区，并在污染控制区建立示踪粒子追踪模型；构建水面漂浮物扩散空间数据库，确定水面漂浮物和突发事故的重点清污区域；确定最佳清污工程位置，在时间上分析水面漂浮物运动轨迹及迁移方式，选择高密度水面漂浮物轨迹负荷位置，在不同位置布置清污设备，通过水面漂浮物清除数量比较不同位置清污效果，确定最佳清污工程位置。本发明实现了水面漂浮物和突发事故漂浮物扩散轨迹和范围的迅速准确识别，有效降低水面漂浮物造和突发事故造成的环境损失，提高了应对漂浮物和突发事故漂浮物的应急处理能力和清污效果。
【专利说明】
一种基于水面漂浮物迁移轨迹的清污工程布置方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种水面漂浮物迁移轨迹预测。特别是涉及一种基于水面漂浮物迁移轨迹的清污工程布置方法。
【背景技术】
[0002]随着水上运输业的快速发展,水上事故的风险也越来越高。船舶集中航行和停泊的水域，船舶的排放或泄露，都会产生大量漂浮物。水面漂浮物包括浮油、垃圾、植物残骸等，具有污染范围大、破坏时间长、扩散和漂移速度快等特点。漂浮物在水面上形成的大面积(油)膜阻隔正常的水气交换过程，影响生物链的循环，破坏生态平衡，恶化水体质量。漂浮物不仅影响水质和水面清洁，还会威胁到水运安全和景观。因此，快速准确的预测水面漂浮物迁移范围，及时清除水面漂浮物，对于水运安全、生态环境保护和景观提升都起着重要的作用。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于水面漂浮物迁移轨迹的清污工程布置方法，利用水动力模型与粒子扩散模型预测控制区域漂浮物运动轨迹，优选最佳淸污位置和清污设备，指导清污工程，消除漂浮物污染以及突发事故影响。
[0004]本发明所采用的技术方案是:一种基于水面漂浮物迁移轨迹的清污工程布置方法，包括如下步骤:
[0005]I)确定清污区域，绘制清污区域边界；
[0006]2)建立清污区域水动力模型；
[0007]3)水动力模型的率定；
[0008]4)在清污区域内选定污染控制区，并在污染控制区建立示踪粒子追踪模型；
[0009]5)构建水面漂浮物扩散空间数据库，确定水面漂浮物和突发事故的重点清污区域，
[0010]6)确定最佳清污工程位置，在时间上分析水面漂浮物运动轨迹及迁移方式，选择高密度水面漂浮物轨迹负荷位置，在不同位置布置清污设备，通过水面漂浮物清除数量比较不同位置清污效果，从而确定最佳清污工程位置。
[0011]步骤I)所述的清污区域边界，是根据卫星图及区位图绘制已确定的清污区域的清污区域边界。
[0012]步骤2)所述的水动力模型，是通过对清污区域进行网格剖分，结合水深地形数据及气象信息进行构建。
[0013]步骤3)所述的水动力模型的率定，首先设置潮位边界条件及初始条件，对清污区域进行水动力模拟，结合实际监测资料，对水位、流速、流向进行验证，并调节底部粗糙度、风遮蔽系数、水平涡流粘度。
[0014]所述的初始条件包括清污区域的水位条件、底部粗糙度、风遮蔽系数和水平涡流粘度。
[0015]步骤4)所述的建立示踪粒子追踪模型，是在水动力模型的基础上在污染控制区布设用于模拟水面漂浮物的示踪粒子，结合风况条件，利用拉格朗日粒子追踪模型对水面漂浮物的迁移轨迹进行模拟。
[0016]步骤5)是通过对水面漂浮物粒子追踪结果分析，在空间上确定水面漂浮物迁移轨迹和影响区域，构建水面漂浮物扩散时空数据库，确定水面漂浮物和突发事故的重点清污区域。
[0017]本发明的一种基于水面漂浮物迁移轨迹的清污工程布置方法，实现了水面漂浮物和突发事故漂浮物扩散轨迹和扩散范围的迅速准确识别，合理安排清污工程位置，指导布置清污设施，有效降低水面漂浮物造和突发事故造成的环境损失，提高了应对漂浮物和突发事故漂浮物的应急处理能力和清污效果。本发明可以广泛应用于河流、湖泊以及海洋水面等地表水漂浮物清污控制区域选取。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本发明方法的流程图；
[0019]图2是案例中不同位置安置清污工程的清污效果示意图；
[0020]图3是图2中局部放大示意图。
[0021]图中:
[0022]A:第一区域B:第二区域
[0023]C:第三区域1:第一清污工程位置
[0024]2:第二清污工程位置3:第三清污工程位置
[0025]4:第四清污工程位置5:第五清污工程位置
[0026]6:第六清污工程位置7:第一防波堤
[0027]8:第二防波堤
【具体实施方式】
[0028]下面结合实施例和附图对本发明的一种基于水面漂浮物迁移轨迹的清污工程布置方法做出详细说明。
[0029]本发明的一种基于水面漂浮物迁移轨迹的清污工程布置方法，是一种基于水动力模型与粒子扩散模型预测控制区域内漂浮物迁移轨迹，构建水面漂浮物迁移时空数据库，从而实现短时最佳漂浮物清除区域确定，获取清污设备布置重点区域，提高清污工程效能，为消除水面漂浮物污染物对水域航行安全、水质和景观等不利影响的有效方法。
[0030]本发明的一种基于水面漂浮物迁移轨迹的清污工程布置方法，包括如下步骤:
[0031]I)确定清污区域，绘制清污区域边界；
[0032]所述的清污区域边界，是根据卫星图及区位图绘制已确定的清污区域的清污区域边界。
[0033]2)建立清污区域水动力模型；
[0034]所述的水动力模型，是通过对清污区域进行网格剖分，结合水深地形数据及气象信息进行构建。
[0035]3)水动力模型的率定；
[0036]所述的水动力模型的率定，首先设置潮位边界条件及初始条件，所述的初始条件包括清污区域的水位条件、底部粗糙度、风遮蔽系数和水平涡流粘度。对清污区域进行水动力模拟，结合实际监测资料，对水位、流速、流向进行验证，并调节底部粗糙度、风遮蔽系数、水平涡流粘度，保障模型结果与实测结果更加符合，提高模型预测精度。
[0037]4)在清污区域内选定污染控制区，并在污染控制区建立示踪粒子追踪模型；
[0038]所述的建立示踪粒子追踪模型，是在水动力模型的基础上在污染控制区布设用于模拟水面漂浮物的示踪粒子，结合风况条件，利用拉格朗日粒子追踪模型对水面漂浮物的迁移轨迹进行模拟。
[0039]5)构建水面漂浮物扩散空间数据库，确定水面漂浮物和突发事故的重点清污区域，是通过对水面漂浮物粒子追踪结果分析，在空间上确定水面漂浮物迁移轨迹和影响区域，构建水面漂浮物扩散时空数据库，确定水面漂浮物和突发事故的重点清污区域。
[0040]6)确定最佳清污工程位置
[0041]在时间上分析水面漂浮物运动轨迹及迁移方式，选择高密度水面漂浮物轨迹负荷位置，在不同位置布置清污设备，通过水面漂浮物清除数量比较不同位置清污效果，从而确定最佳清污工程位置，极大程度上减少清污费用，提高清污效率，降低漂浮物和突发事故对于水生态环境的影响。
[0042]下面以某港区为例，结合图1，对本发明的【具体实施方式】做详细说明。
[0043](I)确定研究区域
[0044]结合案例特点，为了更准确地获得潮流场的开边界条件并降低计算量，提高网格的精度，研究采用大、小两个模型。根据相关资料绘制某港区域岸线，通过卫星图得知防波堤、港口岸线及边界的位置，确定数值模拟区域。
[0045](2)建立水动力模型
[0046]分别对该港及附近区域进行网格剖分，根据实测水深地形数据进行插值，设置边界条件，设置模型参数。
[0047](3)水动力模型的率定
[0048]对区域大模型进行水动力模拟，将大、小潮期的模拟结果分别与该区域的潮位站及监测站的实测数据进行对比，通过调节底部粗糙度与风遮蔽系数等参数提高模型的预测精度，利用区域模型获取某港小模型的开边界条件。
[0049](4)建立溢油粒子追踪模型
[0050]通过调研分析，得知港池是发生溢油的高风险区域。结合港池特点，将该港池分为6个区域，分别布设拉格朗日示踪粒子，利用拉格朗日粒子追踪模型对油粒子的迁移轨迹进行模拟。
[0051](5)构建溢油扩散空间数据库
[0052]对油粒子追踪的结果进行分析，根据不同区域初始布置油粒子的迁移轨迹密度不同，确定油粒子轨迹通过密集区域，对港区划分不同级别的风险区，以便在突发事故发生时进行高效清污设施布置。
[0053](6)布置清污工程
[0054]研究油粒子运动轨迹及方式，确定油粒子迁移的主要通道，在通道处安排清污设备，提高清污效率。如图2、图3(C区域)所示，案例中根据粒子运动特点，选取了 6个设置清污工程位置，结果显示，清污工程位置在I一6处的清污率依次为7.5%>62.3%>74.6%>66.7%,79.4%U8.4%。在第五清污工程位置5处设置清污工程清污效果最优，理想清污率能达到79.4%。结合区域特点，考虑到3— 6位置处清污工程可能对航道的影响，建议在第二清污工程位置2处设置清污工程并可永久布设，在第五清污工程位置5处设置清污工程，有过船时回收，无过船时布设，减轻浮油污染以及突发溢油事故的影响。
[0055] 尽管结合附图对本发明进行了上述描述，但是本发明并不局限于上述的【具体实施方式】，上述的【具体实施方式】仅仅是示意性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之列。
【权利要求】
1.一种基于水面漂浮物迁移轨迹的清污工程布置方法，其特征在于，包括如下步骤: 1)确定清污区域，绘制清污区域边界； 2)建立清污区域水动力模型； 3)水动力模型的率定； 4)在清污区域内选定污染控制区，并在污染控制区建立示踪粒子追踪模型； 5)构建水面漂浮物扩散空间数据库，确定水面漂浮物和突发事故的重点清污区域； 6)确定最佳清污工程位置，在时间上分析水面漂浮物运动轨迹及迁移方式，选择高密度水面漂浮物轨迹负荷位置，在不同位置布置清污设备，通过水面漂浮物清除数量比较不同位置清污效果，从而确定最佳清污工程位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于水面漂浮物迁移轨迹的清污工程布置方法，其特征在于，步骤I)所述的清污区域边界，是根据卫星图及区位图绘制已确定的清污区域的清污区域边界。
3.根据权利要求1所述的一种基于水面漂浮物迁移轨迹的清污工程布置方法，其特征在于，步骤2)所述的水动力模型，是通过对清污区域进行网格剖分，结合水深地形数据及气象信息进行构建。
4.根据权利要求1所述的一种基于水面漂浮物迁移轨迹的清污工程布置方法，其特征在于，步骤3)所述的水动力模型的率定，首先设置潮位边界条件及初始条件，对清污区域进行水动力模拟，结合实际监测资料，对水位、流速、流向进行验证，并调节底部粗糙度、风遮蔽系数、水平涡流粘度。
5.根据权利要求4所述的一种基于水面漂浮物迁移轨迹的清污工程布置方法，其特征在于，所述的初始条件包括清污区域的水位条件、底部粗糙度、风遮蔽系数和水平涡流粘度。
6.根据权利要求1所述的一种基于水面漂浮物迁移轨迹的清污工程布置方法，其特征在于，步骤4)所述的建立示踪粒子追踪模型，是在水动力模型的基础上在污染控制区布设用于模拟水面漂浮物的示踪粒子，结合风况条件，利用拉格朗日粒子追踪模型对水面漂浮物的迁移轨迹进行模拟。
7.根据权利要求1所述的一种基于水面漂浮物迁移轨迹的清污工程布置方法，其特征在于，步骤5)是通过对水面漂浮物粒子追踪结果分析，在空间上确定水面漂浮物迁移轨迹和影响区域，构建水面漂浮物扩散时空数据库，确定水面漂浮物和突发事故的重点清污区域。
【文档编号】E02B15/00GK104153332SQ201410344699
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月18日 优先权日:2014年7月18日
【发明者】尤学一, 杨舒奕 申请人:天津大学