[發明專利]一種半封閉水域的水齡測定方法

有效

• 申請號: 201711472484.X
• 申請日: 2017-12-29
• 公開（公告）號: CN108197422B
• 公開（公告）日: 2018-12-28
• 發明（設計）人: 胡曉張;謝華浪;陳睿智;楊聿;宋利祥;楊志偉
• 申請（專利權）人: 珠江水利委員會珠江水利科學研究院
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00;G06F17/11
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 郭煒綿;鄭浦娟

1.一種半封閉水域的水齡測定方法，其特征在于，步驟如下：

步驟S1、針對待測水域構建出模型網格，并且將待測水域地形數據插值到模型網格中，建立水動力數學模型；

步驟S2、輸入水動力數學模型參數，并且將實測得到的待測水域開邊界水位或流量作為水動力數學模型的邊界條件，然后由水動力數學模型計算待測水域各水質點的水深、流速信息；

步驟S3、在步驟S2中水動力數學模型計算的信息的基礎上構建對流擴散數學模型；并且設置對流擴散數學模型的邊界條件為：在待測水域開邊界處釋放濃度相同且恒定的保守性物質p與非保守性物質r；根據步驟S2中獲取到的待測水域各水質點的水深、流速信息，通過上述構建的對流擴散數學模型計算出待測水域模型各水質點各時刻的保守性物質p與非保守性物質r的濃度值；

步驟S4、根據待測水域各水質點各時刻的保守性物質p與非保守性物質r的濃度值計算出待測水域各水質點各時刻的瞬時水齡：

其中，為水質點的矢量軌跡，為待測水域在處的水質點在t時刻的保守性物質p的濃度值，為待測水域在處的水質點在t時刻的非保守性物質r的濃度值，λ為非保守性物質r的衰減指數；T(t)為待測水域在處的水質點在t時刻的瞬時水齡；

步驟S5、根據待測水域各水質點各時刻的瞬時水齡，計算出待測水域各水質點對應各時間段內的時均水齡：

其中為待測水域在處的水質點在時刻t₁至時刻t₂時間段內的時均水齡；

所述步驟S1中，建立的水動力數學模型包括水流連續方程和動量方程：

所述水流連續方程為：

所述動量方程為：

其中x、y為笛卡爾坐標系統的坐標軸；

h＝η+d，h為總水深，η表示水位，d為靜止水深；

u、v分別表示x、y方向上的沿水深平均流速；

g為重力加速度；

S為水流源匯項，u_S、v_S分別為水流源匯項在x、y方向上的速度分量；

f為科氏力系數，w為地球自轉角速度，為待測水域當地緯度；

其中：

A表示水平渦粘系數；

τ_sx和τ_sy分別表示x、y方向上的風應力；

τ_sx＝C₀ρ_aU²cosβ；τ_sy＝C₀ρ_aU²sinβ；

其中，C₀為風應力拖拽系數，a、b為經驗系數；ρ_a為大氣密度；U為風速，U_x、U_y分別為風速U在x、y方向上的分量，β為風向與x坐標的夾角；

τ_bx和τ_by分別表示x、y方向上的底部摩擦力；

底部摩擦力取決于二次摩阻定律：

其中，為流速；c_f為拖曳系數，通過謝才系數C或者曼寧系數確定，即

或

式中，n為曼寧系數；

所述步驟S3中，構建的對流擴散數學模型為：

其中c是待測水域模型網格的網格點(x,y)處的可溶性物質濃度；

D_x、D_y分別為x、y方向的擴散系數；

λ′是可溶性物質的衰減指數；

S_c是可溶性物質的源匯項，S_c＝Q_s(c_s-c)，Q_s指源匯項的流量，c_s是源匯項處的可溶性物質濃度；

所述步驟S3中通過對流擴散數學模型計算出待測水域模型水質點各時刻的保守性物質p與非保守性物質r的濃度值的過程分別如下：

獲取對流擴散數學模型中的以下參數，包括保守性物質p在x、y方向的擴散系數D_x、D_y、保守性物質p的衰減指數λ′、源匯項的流量Q_s及源匯項處的保守性物質p的濃度c_s；根據上述參數以及將步驟S2中獲取到的待測水域各水質點各時刻的水深、流速信息，并結合對流擴散數學模型的邊界條件以及對流擴散數學模型計算出待測水域模型各水質點各時刻的保守性物質p的濃度值；

獲取對流擴散數學模型中的以下參數，包括非保守性物質r在x、y方向的擴散系數D_x、D_y、非保守性物質r的衰減指數λ′、源匯項的流量Q_s及源匯項處的非保守性物質r的濃度c_s；根據上述參數以及將步驟S2中獲取到的待測水域各水質點各時刻的水深和流速信息，并結合對流擴散數學模型的邊界條件以及對流擴散數學模型計算出待測水域模型各水質點各時刻的非保守性物質r的濃度值；

其中保守性物質p的衰減指數λ′為0；

非保守性物質r的衰減指數λ′為λ。