[發明專利]河口區咸潮上溯含氯度模擬預報方法

在審

• 申請號: 201711068353.5
• 申請日: 2017-11-03
• 公開（公告）號: CN107992960A
• 公開（公告）日: 2018-05-04
• 發明（設計）人: 陳曉宏;蘇程佳
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: G06Q10/04
• 分類號: G06Q10/04;G06Q50/26
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司44102
• 代理人: 陳衛

技術領域

本發明涉及環境數據模型技術領域，更具體地，涉及一種河口區咸潮上溯含氯度模擬預報方法。

背景技術

咸潮(又稱鹽水入侵)是指海洋大陸架高鹽水團隨潮汐漲潮流沿著河口的潮汐通道向上推進，鹽水擴散、咸淡水混合造成上游河道水體變咸的現象。長期以來，包括荷蘭、德國、意大利、美國、中國在內很多的國家，每年均因河口地區的咸潮入侵遭受巨大損失，尤其是在溫室效應引起海平面上升的情況下，危害更甚，咸潮問題已經成為全球性的災害問題。

河口區咸潮的模擬預報研究隨著時間的不斷深入，研究方法不斷拓展和創新，針對物理模型試驗投入大、耗時長等限制因素，數學模型的發展應運而生。數值模型的核心思路是將難以獲得解析解的流體力學控制方程離散為多個方程組，再進行求解，從開始出現至今經歷了從一維到二維，再到三維，以及與其他模式相互嵌套的發展過程。數學模型運行成本低，計算速度快，可操作性強，被迅速推廣并應用于各類工程和物理問題中，在水環境問題的研究中發揮著越來越重要的作用。目前，國內外應用范圍較為廣泛的水動力數學模型主要有結構網格模型、非結構網格模型以及雙結構網絡模型三種，其中結構網格模型有：POM模型、ROMS模型、ECOM模型等；非結構網格模型有FVCOM模型、UNTRIM模型、ELCIRC模型等；雙結構網絡模型包括MIKE模型等。

然而，感潮河網不同于山區單向河流，其內部結構錯綜復雜、水流潮汐往復，造成方程組離散及其求解非常困難，這是多年來人們研究河網問題的一大難點，也因此導致許多成熟的水環境數學模型往往不再適用。此外，目前的各類商業軟件不僅價格昂貴，而且對資料的精度要求很高，導致對于大范圍復雜網河區水流水質模擬不適用或精度低。反觀國內，現有的相關技術主要對理論研究較多，對模型以及軟件的開發缺少必要的投入，可用于實際操作的成果較少；另外，在模型的設計過程中忽略了復雜的河道地形、初邊條件和潮水漲落等因素，導致模型的穩定性、收劍性較差且使用過于復雜；再一方面，國內現有開發系統開發年代較早，沒有考慮當下劇烈人類活動，如修筑水閘、大壩等對河流水動力過程的影響作用，較難滿足當前新情況、新問題頻出的水資源開發利用及水環境保護情勢。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種河口區咸潮上溯含氯度模擬預報方法，通過將含氯度數學模型與水流數學模型有機結合，實現了在水流數學模型的基礎上對大范圍網河區河流含氯度的模擬，這種前后繼承關系的模塊化設計實現了模型的有機結合，確保了模型的高效運行及穩定性。

為解決上述問題，本發明提供的技術方案是：一種河口區咸潮上溯含氯度模擬預報方法，其中，包括以下步驟：

S1.收集實測流量、水位、含氯度、河道地形數據；

S2.構建模型庫，包括水流數學模型和含氯度數學模型，且兩者之間通過耦合關系實現有機結合；

S3.模型參數率定；

S4.利用實測流量、水位以及含氯度數據對模型進行驗證；

S5.模型應用及輸出。

進一步地，所述的模型參數率定包括河道糙率和含氯度衰減系數。

進一步地，所述的輸出結果包括流量、水位、含氯度以及超標時數。

進一步地，所述的S2步驟包括：

S21.構建以一維非恒定流圣維南方程組為控制方程的水流數學模型；

S22.在水流數學模型的基礎上，耦合采用一維對流擴散輸移方程為控制方程的含氯度數學模型。

進一步地，所述的S21步驟包括：

S211.收集河道地形數據，并對河網進行概化和編碼；

S212.基于一維非恒定流圣維南方程組，建立水流數學模型，包括連續方程和動量方程：

連續方程：

動量方程：

式中，Z為斷面水位；Q為流量；A為河道過水面積；g為重力加速度；B為過水寬度；q為旁側入流流量；R為水力半徑；c為謝才(Chezy)系數；x、t是位置和時間坐標；

S213.利用四點加權Preissmann隱式差分格式離散S212步驟中圣維南方程組的連續方程Ⅰ和動量方程Ⅱ，再運用網河“三級聯合解法”進行求解。

進一步地，所述的S22步驟包括：

S221.在潮流模擬的基礎上耦合一維對流擴散輸移方程，以對各河段含氯度狀況進行模擬：

河道方程：

節點方程：

若忽略節點的調蓄面積，即Ω＝0，則式Ⅳ可寫為：