[发明专利]基于元胞自动机的城市面源污染物累积冲刷过程计算方法

说明书

本发明公开了一种基于元胞自动机的城市面源污染物累积冲刷过程计算方法，包含：构建元胞地理场景，获得每个元胞的下垫面类型、高程和随时间变化的降雨量；根据下垫面下渗参数，进行产流计算和流向计算，进而通过汇流计算获得每个元胞的当前水深；根据污染物累积和冲刷相关系数和干期天数，计算每个元胞的污染物累计量，并进行污染物输移过程的模拟计算，获得每个元胞的陆相污染物转移量和水相污染物输移量，进而计算水相污染物浓度。本发明结合水利学和污染物累计冲刷原理，具有明确的物理含义和理论基础，能够有效模拟污染物的累计冲刷过程，为城市面源污染累积冲刷模拟提供了新方法，为城市面源污染负荷削减和控制提供指导和依据。

技术领域

本发明涉及环境科学领域，尤其涉及一种基于元胞自动机的城市面源污染物累积冲刷过程计算方法。

背景技术

随着城市化的快速发展，城市不透水面不断扩大，降雨径流冲刷汇流所形成的面源污染已成为城市水环境质量下降的主要原因。面源污染模型能够对污染物的迁移转化过程进行定量模拟，已成为城市面源负荷来源解析和治理的重要研究内容。目前城市面源污染模型在模拟污染物冲刷时大多采用黑箱方法或灰箱方法，只能获得研究区的整体冲刷量而不能反映局部冲刷特征，模型参数缺乏物理含义，对污染物冲刷过程的机理描述尚不充分。

元胞自动机是一种时间、空间、状态都离散的网格动力学模型，具有模拟复杂系统时空演化过程的能力，尤其适合变量存在局部非连续或者剧烈梯度变化的情景，在城市复杂地形面源污染累积与冲刷过程模拟中具有独特的优势。

因此，充分考虑污染物冲刷时的降雨溅蚀作用、径流冲刷作用和颗粒物再沉积等物理作用机制的基础上，结合水力学和污染物累积冲刷原理，构建城市面源污染物累积冲刷的元胞自动机模型，实现基于元胞自动机的城市降雨径流和污染物冲刷过程时空动态模拟，对于城市面源污染负荷削减和控制具有重要的指导意义，这也本发明的主要研究课题。

发明内容

发明目的：本发明目的是提供一种基于元胞自动机的城市面源污染物累积冲刷过程计算方法，以更机理的描述污染物的累积冲刷过程，为面源污染累积冲刷过程模拟提供新方法。

技术方案：本发明所述的基于元胞自动机的城市面源污染物累积冲刷过程计算方法，主要包括如下步骤：

(1)构建元胞地理场景模型，包括定义地理场景模型元胞大小、领域关系、模型边界和出口，根据获取的研究区的下垫面类型、DEM高程和随时间变化的降雨量，获得每个元胞的下垫面类型、高程和随时间变化的降雨量；

(2)根据设置的下垫面下渗参数利用初损后损法进行每个元胞的产流和下渗量的计算得到元胞的净雨深，并根据中心元胞与邻域元胞高程的水位差进行流向计算，进而通过汇流计算获得每个元胞的当前水深；

(3)根据设置的污染物累积和冲刷相关系数和干期天数，采用指数累积公式计算每个元胞的干期污染物累积量，并考虑污染物的降雨溅蚀、径流冲刷和再沉积作用，对污染物输移过程进行模拟计算，得到径流冲刷强度、降雨冲刷强度和污染物再沉降强度，从而获得每个元胞的陆相污染物转移量和水相污染物输移量，进而计算水相污染物浓度。

进一步的，考虑到模型计算的结果有效性，所述方法还包括(4)结合实测的流量和污染物数据，利用纳什效率系数(EF)和皮尔逊相关系数(CC)进行计算结果的评价。

进一步的，所述步骤(2)中利用初损后损法将下渗简化为初损和后损两个部分，降雨开始到出现产流时的水量损失为初损量(I₀)；产流后的水量损失为后损，一般用后损平均入渗率(f)来表示；通过设置初损量和平均后损入渗率计算净雨深(h)，也即每个元胞的水深，计算公式如下：

h＝X-I₀-ft_c-X_n