[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

本發明公開的一種半封閉水域的水齡測定方法中，首先建立待測水域水動力數學模型；通過水動力數學模型計算待測水域各水質點的水深、流速信息；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；根據水動力模型計算得到的待測水域各位置的水位、流速信息和對流擴散數學模型的邊界條件，通過對流擴散數學模型算出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，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對應各時刻的瞬時水齡；最后根據待測水域各水質點各時刻的瞬時水齡計算待測水域各水質點各時間段內的時均水齡；本發明方法能夠高效、簡便且準確計算出半封閉水域的水齡。

技術領域

本發明屬于水動力數值模擬技術領域，特別涉及一種半封閉水域的水齡測定方法。

背景技術

我國流域面積超過1000平方公里的河流有1500多條，面積達1平方公里以上的天然湖泊有2800多個，且擁有1.8萬多千米長的海岸線和300多萬平方千米的海域面積。隨著沿海經濟的快速發展，大量污染物和營養物質被排入河流、湖泊和近岸海域中，致使水體環境日益惡化。尤其是對于流動不暢的半封閉水域，水體較難通過對流和擴散等物理過程與周圍水體進行交換更新以改善水質，導致水體環境惡化更加嚴重。主要表現為水質惡化、赤潮頻繁發生、漁業資源大量減少等等。

水域內某點的水齡定義為該水體微團自進入控制體以來到流經該點所需要的時間，它可以衡量水域內物質輸運時間尺度的長短，是河流和海洋環境健康的指標之一。其中，河流水體常為單向自然流動，水體交換快，水齡較?。欢敕忾]水域，如水庫、湖泊、海灣等，水體交換弱，運動慢，水齡較大。計算水齡的時空分布，對揭示污染源在水域中的遷移、擴散和轉換規律，評估水域自凈能力，對水域污染的預防和治理、生態環境的修復等具有非常重要的指導意義。

目前已有一些水齡的計算方法，可主要分為基于拉格朗日的質點追蹤法和基于歐拉觀點的平均水齡計算方法?；诶窭嗜盏馁|點追蹤法忽略了擴散過程的影響，計算所得水齡與實際水齡相比偏大，即低估了水體的實際交換能力。另外，針對時空尺度較大的計算范圍，在滿足足夠精度的情況下，拉格朗日的質點追蹤法需要釋放大量的示蹤粒子，計算粒子軌跡需要耗費大量的計算時間和存儲空間，對計算機性能要求較高。而基于歐拉觀點的平均水齡計算方法考慮了對流擴散過程，但計算公式往往較為復雜，直接計算難度較大，且目前計算公式一般僅適用于變化較小的穩態水動力環境，對于潮汐影響大、以往復流為主的水域，其水齡計算結果隨水動力環境的變化而容易出現波動、震蕩而無法趨于一個穩定值的情況。因此，水齡的數值模擬仍需尋找一個更高效、適用范圍更廣的方法。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種半封閉水域的水齡測定方法，該方法能夠高效、簡便直接且準確地計算出半封閉水域的水齡，為評估河口灣、湖泊、海灣等半封閉水域水體環境、水質狀況提供有效依據。

本發明的目的通過下述技術方案實現：一種半封閉水域的水齡測定方法，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：