[發明專利]熱分層水庫三場動態溶解氧耦合模型的構建方法

有效

• 申請號: 202011148356.1
• 申請日: 2020-10-23
• 公開（公告）號: CN112227294B
• 公開（公告）日: 2021-08-03
• 發明（設計）人: 余曉;李國強;歐陽麗;杜霞;楊青瑞;趙沖;杜強;諸葛亦斯;石浩洋;聶睿;李雙雙;梁曉旭;陳一迪
• 申請（專利權）人: 中國水利水電科學研究院;中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司
• 主分類號: E02B1/02
• 分類號: E02B1/02
• 代理公司: 北京正華智誠專利代理事務所(普通合伙) 11870
• 代理人: 李林合

本發明公開了一種熱分層水庫三場動態溶解氧耦合模型的構建方法，其包括構建紊動影響和密度變化的水動力基本控制方程、水面熱交換方程和水質反應方程，構建水動力場、溫度場、濃度場“三場”動態溶解氧耦合模型；獲取熱分層水庫的地形數據及歷史監測數據；根據地形數據、歷史監測數據，采用基于MIKE3軟件平臺構建的“三場”動態溶解氧耦合模型，對模型進行求解和率定驗證，然后計算水庫不同水位、調度運行方式及硝酸鹽濃度情景下熱分層水庫溶解氧的時空分布；對比不同情景下溶解氧濃度，選取滯溫層溶解氧溶度最高值，將溶解氧溶度最高值對應的水位、調度運行方式及硝酸鹽濃度作為熱分層水庫相應情景的溶解氧調整策略。

技術領域

本發明涉及水庫溶解氧模擬技術，具體涉及一種熱分層水庫三場動態溶解氧耦合模型的構建方法。

背景技術

溶解氧是水體健康的重要參數，在生物地球化學循環和水生生態系統結構和功能演化中起著至關重要的作用，是反映水生生態系統物理過程和生物地球化學過程變化的敏感指標。隨著流域污染負荷的大量增加，深水湖庫浮游植物生物量增加、富營養化現象時有發生，熱分層期間水體缺氧問題嚴重，水體缺氧已成為嚴重的全球性生態環境問題。

水體缺氧會導致魚類等水生生物死亡、沉積物中大量還原物質釋放等問題，釋放的硫化氫等氣體將導致水體發臭；同時，大量磷、氨氮等內源污染的釋放會為藻類等浮游生物的生長提供營養鹽，加劇藻類生長，對水生生態系統造成顯著不利影響。溶解氧對良好水質和健康生態系統的重要性已經得到了湖庫管理者廣泛認可，對溶解氧最低濃度的要求已被納入相關標準。

熱分層水庫溶解氧演變受水體熱分層、混合等物理過程強烈影響，與水體營養鹽濃度密切相關，其演變原因、減少程度和影響等問題涉及物理、化學、生物等多個學科，是水動力、熱分層、營養鹽等多重因素綜合影響的結果。由于熱分層水庫內部能質體系的多樣性和復雜性，當前對溶解氧的演化過程和成因尚不完全清楚。

發明內容

針對現有技術中的上述不足，本發明提供的熱分層水庫水動力場、溫度場、濃度場三場動態溶解氧耦合模型的構建方法能夠根據構建的“三場”動態溶解氧耦合模型，尋找到每個情景最佳的構建調整策略。

為了達到上述發明目的，本發明采用的技術方案為：

提供一種熱分層水庫三場動態溶解氧耦合模型的構建方法，其包括：

S1、根據水動力學的質量守恒、動量守恒和能量守恒，構建包括紊動影響和密度變化的水動力基本控制方程；

S2、根據凈短波輻射、水面的凈長波輻射、蒸發熱損失量和大氣和水面的熱傳導量，構建水面熱交換方程；

S3、根據水體化學過程、生物過程和物質沉降過程，構建水質反應方程；水動力基本控制方程、水面熱交換方程和水質反應方程構成水動力場、溫度場、濃度場“三場”動態溶解氧耦合模型；

S4、獲取熱分層水庫的地形數據，以及水庫的歷史監測數據，所述地形數據包括水庫地形數據和入流斷面形態；所述監測數據包括上游邊界條件、下游邊界條件和氣候條件；

S5、根據水庫地形和不同水位下的歷史監測數據，采用基于MIKE3軟件構建的“三場”動態溶解氧耦合模型進行求解和率定驗證，計算得到不同水位、調度運行方式及硝酸鹽濃度情景下熱分層水庫溶解氧的時空分布；

S6、對比多個不同情景下溶解氧的時空分布，選取出不同情景下滯溫層溶解氧溶度最高值，將溶解氧溶度最高值對應的水位、調度運行方式及硝酸鹽濃度作為熱分層水庫相應情景的溶解氧調整策略。

本發明的有益效果為：本方案構建的“三場”動態溶解氧耦合模型包括水庫動力場、溫度場和濃度場，充分考慮了溶解氧的補給、消耗和緩沖作用，能夠反映“三場”作用下溶解氧的演化特征和變化規律；通過試驗驗證，本方案構建的“三場”動態溶解氧耦合模型能夠準確地再現熱分層水庫的真實水溫溶解氧的結構和變化過程。