CN107992960A - 河口区咸潮上溯含氯度模拟预报方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及环境数据模型技术领域，更具体地，涉及一种河口区咸潮上溯含氯度模拟预报方法。包括以下步骤：S1.收集实测流量、水位、含氯度、河道地形数据；S2.构建模型库，包括水流数学模型和含氯度数学模型，且两者之间通过耦合关系实现有机结合；S3.模型参数率定；S4.利用实测流量、水位以及含氯度数据对模型进行验证；S5.模型应用及输出。本发明通过将含氯度数学模型与水流数学模型有机结合，实现了在水流数学模型的基础上对大型复杂网河区河流含氯度的模拟，这种前后继承关系的模块化设计实现了模型的有机结合，确保了模型的高效运行及稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及环境数据模型技术领域，更具体地，涉及一种河口区咸潮上溯含氯度模拟预报方法。
背景技术
咸潮(又称盐水入侵)是指海洋大陆架高盐水团随潮汐涨潮流沿着河口的潮汐通道向上推进，盐水扩散、咸淡水混合造成上游河道水体变咸的现象。长期以来，包括荷兰、德国、意大利、美国、中国在内很多的国家，每年均因河口地区的咸潮入侵遭受巨大损失，尤其是在温室效应引起海平面上升的情况下，危害更甚，咸潮问题已经成为全球性的灾害问题。
河口区咸潮的模拟预报研究随着时间的不断深入，研究方法不断拓展和创新，针对物理模型试验投入大、耗时长等限制因素，数学模型的发展应运而生。数值模型的核心思路是将难以获得解析解的流体力学控制方程离散为多个方程组，再进行求解，从开始出现至今经历了从一维到二维，再到三维，以及与其他模式相互嵌套的发展过程。数学模型运行成本低，计算速度快，可操作性强，被迅速推广并应用于各类工程和物理问题中，在水环境问题的研究中发挥着越来越重要的作用。目前，国内外应用范围较为广泛的水动力数学模型主要有结构网格模型、非结构网格模型以及双结构网络模型三种，其中结构网格模型有：POM模型、ROMS模型、ECOM模型等；非结构网格模型有FVCOM模型、UNTRIM模型、ELCIRC模型等；双结构网络模型包括MIKE模型等。
然而，感潮河网不同于山区单向河流，其内部结构错综复杂、水流潮汐往复，造成方程组离散及其求解非常困难，这是多年来人们研究河网问题的一大难点，也因此导致许多成熟的水环境数学模型往往不再适用。此外，目前的各类商业软件不仅价格昂贵，而且对资料的精度要求很高，导致对于大范围复杂网河区水流水质模拟不适用或精度低。反观国内，现有的相关技术主要对理论研究较多，对模型以及软件的开发缺少必要的投入，可用于实际操作的成果较少；另外，在模型的设计过程中忽略了复杂的河道地形、初边条件和潮水涨落等因素，导致模型的稳定性、收剑性较差且使用过于复杂；再一方面，国内现有开发系统开发年代较早，没有考虑当下剧烈人类活动，如修筑水闸、大坝等对河流水动力过程的影响作用，较难满足当前新情况、新问题频出的水资源开发利用及水环境保护情势。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种河口区咸潮上溯含氯度模拟预报方法，通过将含氯度数学模型与水流数学模型有机结合，实现了在水流数学模型的基础上对大范围网河区河流含氯度的模拟，这种前后继承关系的模块化设计实现了模型的有机结合，确保了模型的高效运行及稳定性。
为解决上述问题，本发明提供的技术方案是：一种河口区咸潮上溯含氯度模拟预报方法，其中，包括以下步骤：
S1.收集实测流量、水位、含氯度、河道地形数据；
S2.构建模型库，包括水流数学模型和含氯度数学模型，且两者之间通过耦合关系实现有机结合；
S3.模型参数率定；
S4.利用实测流量、水位以及含氯度数据对模型进行验证；
S5.模型应用及输出。
进一步地，所述的模型参数率定包括河道糙率和含氯度衰减系数。
进一步地，所述的输出结果包括流量、水位、含氯度以及超标时数。
进一步地，所述的S2步骤包括：
S21.构建以一维非恒定流圣维南方程组为控制方程的水流数学模型；
S22.在水流数学模型的基础上，耦合采用一维对流扩散输移方程为控制方程的含氯度数学模型。
进一步地，所述的S21步骤包括：
S211.收集河道地形数据，并对河网进行概化和编码；
S212.基于一维非恒定流圣维南方程组，建立水流数学模型，包括连续方程和动量方程：
连续方程：
动量方程：
式中，Z为断面水位；Q为流量；A为河道过水面积；g为重力加速度；B为过水宽度；q为旁侧入流流量；R为水力半径；c为谢才(Chezy)系数；x、t是位置和时间坐标；
S213.利用四点加权Preissmann隐式差分格式离散S212步骤中圣维南方程组的连续方程Ⅰ和动量方程Ⅱ，再运用网河“三级联合解法”进行求解。
进一步地，所述的S22步骤包括：
S221.在潮流模拟的基础上耦合一维对流扩散输移方程，以对各河段含氯度状况进行模拟：
河道方程：
节点方程：
若忽略节点的调蓄面积，即Ω＝0，则式Ⅳ可写为：
式中：Q，Z是流量及水位；A是河道断面积；EX是纵向分散系数；C是含氯度或者氯浓度；Ω是河道节点的水面面积；j是节点编号；i是与节点j相联接的河道编号；SC是氯离子的衰减项，对氯浓度可写为SC＝KdAC，Kd是衰减系数；S是外部的源或汇项；
S222.将S221的基本方程Ⅲ，用隐式差分迎风格式将微分方程离散；
S223.对河道两端的水流方向的不同组合存在4种流态分别进行求解，其中，4种流态为：顺流向的流动、逆流向的流动、河道两端向中间的流动、河道中间任意河段向两端的流动；
S224.在S223步骤的基础上，对河道节点的浓度方程进行求解。
进一步地，所述的S22步骤中，水流数学模型与含氯度数学模型通过采用同一套河道地形及河网概化结果以及浓度场与流程的河道、节点对应关系实现耦合。
进一步地，所述步骤S5为根据所构建的含氯度模拟预报模型，在一定的边界条件下对含氯度进行模拟预报，输出包括流量、水位、含氯度以及超标时数结果。
与现有技术相比，有益效果是：本发明提供的一种河口区咸潮上溯含氯度模拟预报方法，通过将含氯度数学模型与水流数学模型有机结合，实现了在水流数学模型的基础上对大范围网河区河流含氯度的模拟，这种前后继承关系的模块化设计实现了模型的有机结合，确保了模型的高效运行及稳定性，而且可移植性强；能够对闸坝、取排水等进行灵活设置，还能根据计算结果进行二次加工，加强了模型的实用性及适用性；数据结果可以方便地进行用户需要的二次处理。
附图说明
图1为本发明河口区咸潮上溯含氯度模拟预报流程图。
图2为本发明四点加权Preissmann隐式差分格式示意图。
图3本发明实施例中西北江三角洲河网概化图。
图4本发明实施例中西北江三角洲河网节点编码图。
图5为发明实施例中水动力模型三水站流量验证结果。
图6为发明实施例中水动力模型三水站水位验证结果。
图7为发明实施例中水动力模型马口站流量验证结果。
图8为发明实施例中水动力模型马口站水位验证结果。
图9为本发明实施例中含氯度模型连石湾站盐度过程验证结果。
图10为本发明实施例中含氯度模型马角站盐度过程验证结果。
图11为本发明实施例中不同河道不同氯度范围内的咸淡水量(单位：m3/a)。
图12为本发明实施例中各镇区咸淡水量及存在主要盐度范围。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步的解释说明。附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
如图1所示，一种河口区咸潮上溯含氯度模拟预报方法，其中，包括以下步骤：
S1.收集实测流量、水位、含氯度以及河道地形数据；
S2.构建模型库，包括水流数学模型和含氯度数学模型，且两者之间通过耦合关系实现有机结合；
S3.模型参数率定；
S4.利用实测流量、水位以及含氯度数据对模型进行验证；
S5.模型应用及输出。
进一步地，所述的模型参数率定包括河道糙率和含氯度衰减系数。
进一步地，所述的输出结果包括流量、水位、含氯度以及超标时数。
进一步地，所述的S2步骤包括：
S21.构建以一维非恒定流圣维南方程组为控制方程的水流数学模型；
S22.在水流数学模型的基础上，耦合采用一维对流扩散输移方程为控制方程的含氯度数学模型。
具体地，所述的S21步骤包括：
S211.收集河道地形数据，并对河网进行概化和编码；
S212.基于一维非恒定流圣维南方程组，建立水流数学模型，包括连续方程和动量方程：
连续方程：
动量方程：
式中，Z为断面水位；Q为流量；A为河道过水面积；g为重力加速度；B为过水宽度；q为旁侧入流流量；R为水力半径；c为谢才(Chezy)系数；x、t是位置和时间坐标。
S213.如图2所示，采用四点加权Preissmann隐式差分格式离散S212步骤中圣维南方程组式的连续方程(1)和动量方程(2)，以F代表流量Q和水位Z，针对差分格式中的M点建立差分因子，则任意函数F及其偏导数的离散形式为：
式中，θ为加权系数，取0.5-1.0。
S214.在S213步骤的基础上离散得到河道微段方程，设河道共有m个断面，则有m-1个微段，首断面编号为1，末断面编号为m，按照S213步骤中所描述的简化四点线性隐式差分，代入S212步骤的连续方程(1)可得：
假设时段初的变量均为已知，整理得：
其中：
代入动力方程(2)则可整理为：
其中：
由曼宁公式则
为书写方便，忽略上标n+1，可把式(5)、式(7)的任一微段差分方程写为：
其中cj、Dj、Ej、Fj、Gj、φj均由初值计算，所以方程组为常系数线性方程组，对一条有m-1个微段的河道，有2(m-1+1)个未知量，可以列出2(m-1)个方程，加上河道两端的边界条件，形成封闭的代数方程组：
S215.在S214步骤的基础上求解微得到段追赶方程；包括求解外河道的追赶方程和内河道的追赶方程；
外河道的追赶方程，外河道为单一河道，以河道上边界为流量边界条件可得：
Q1＝P1-V1Z1，P1＝Q1(t)，V1＝0，
其中，P1和V1均为起始断面的追赶系数；
则：
其中，
下边界为水位，即Zm已知，末断面流量Qm＝Pm-VmZm，用Zm回代到方程组(11)，按j＝m-1,m-2,……,1的顺序求出微段断面的流量Qj及水位Zj，当j＝1时，求出Q2、Z1，而Q1为已知的上边界。
内河道的追赶方程：
对于内河道，首、末断面的边界条件均为未知，由于没有端点边界条件可供利用，单一河道递推的方法不能适用；内河道计算采用的思路为：以内节点水位为基本未知量，利用追赶方程，用逆推法(j＝m-1,m-2,……,1)、顺推法(j＝2,3,……,m)得到各河道各断面的流量用首、末断面水位表示的两个表达式，那么首、末断面的流量也可表示为首、末断面水位的唯一表达式。根据stoker条件，首、末断面的水位即与之相连节点的水位，再由水量平衡公式，得到节点水位平衡方程，由此得到各节点水位方程构成的方程组，从而求得内节点的水位，再求得河道首、末断面流量。回代到各微段方程，可求得各计算断面水位与流量。
以方程组(10)为基础方程，从第m-1个微段方程起，用逆推法相互消元，把内河道中任一断面的流量表达成本断面水位和末断面水位的线性函数：
Qj＝αj+βZj-ξjZm，(j＝m-1,m-2,……,2,1) (13)
对于上式(13)，当j＝m-1时，有单独递推系数的起始值：
其余的递推公式为：
以方程组(10)为基本方程，从第1河段微段起，用顺推法进行相互消元，可把河道任一断面的流量表达成本断面水位与首段面的水位线性函数：
Qj＝θj+ηZj-γjZ1，(j＝2,3,……,m) (16)
对于上式(16)，当j＝2时，有单独递推系数的起始值：
其他系数的递推公式为：
当首、末断面水位求得后，联解(13)、(16)，对于同一断面上的流量有：
可得：
求出Zj后，代入(19)任一方程，即可求出Qj。
S216.将步骤S215做进一步化简，可得节点方程：
对于外河道，末断面流量为：
Qm＝fm(Zm) (21)
其中fm(Zm)是以末断面水位Zm为自变量表示末断面流量Qm的函数表达式；对于内河道：当j＝1时，由式(13)得首断面流量：
Q1＝α1+β1Z1+ξ1Zm (22)
当j＝m时，由方程式(15)得：
Qm＝θm+ηmZm+γmZ1 (23)
(21)、(22)、(23)式即形成河段首、末断面以水位和流量为状态变量的河段方程，河网每一河道都能得到上面的河段方程，首、末断面的流量分别用首、末断面的水位Z1、Zm表示，外河道末断面流量只用末断面水位Zm表示，而Z1、Zm即首、末节点的水位。
S217.在S216步骤的基础上形成汊点方程并对其进行求解；汊点是河段的交汇点，在汊点上，水流必须满足水流连续(即水量守恒)及动量守恒条件。利用汊点相容方程和边界方程，消去河段首、末断面的某个状态变量(流量或水位)，形成节点水位或流量的汊点方程组。由于河道数比汊点数要多，一个河道有首、末断面，如利用水位相等(简化动量守恒条件)消去水位变量，形成流量节点方程组，则方程组阶数较大，求解不便。而利用水量守恒原理，消去流量变量，一个节点可形成与该节点相邻的节点水位为未知量的线性代数方程，形成水位节点方程则阶数较小，求解较方便。
水流连续条件：
设出流为正，入流为负，其中，也可设入流为正，出流为负，进出每一节点的流量必须与该节点内实际水量的增减率相平衡，可表示为：
式中，l为汊点相连河段数，k为汊点号，Ωk表示第k汊点的蓄水量，Ak为调蓄节点的蓄水面积，分别为调蓄节点时段末、时段初的水位。
若调蓄节点面积很小，则可忽略水位变化引起调蓄节点水体积变化，即该汊点概化为一几何点，式(24)可简化为：
能量衔接条件：
如果汊点可概化为一个几何点，出入该汊点的水流平缓，不存在水位突变的情况，则各节点相连汊道的水位应相等，等于该点的平均水位，即：
如果各断面的过水面积相差悬殊，流速有较明显的差别，当略去汊点的局部损耗时，得伯努利方程，各断面之间的能量水头应相等，即：
或：aZ1+bQ1+cZ2+bQ2＝0。 (28)
假设(26)成立前提下，把每一河道首、末断面与节点水位关系式(21)、(22)、(23)代入(25)，得到与节点i相邻的节点水位为未知变量的线性代数方程：
fi(Zi,j)＝0， (29)
其中Zi,j为节点i相邻节点水位的集合。
对河网每一个节点，都建立上述的节点水位方程，形成以河网节点水位为基本未知变量的线性方程组：
AZ＝R (30)
其中：为系数矩阵，Z＝[Z1 Z2 ··· Zn]T为节点水位列阵，R＝[r1 r2 ··· rn]T为右端项列阵，n为节点总数。
S218.输入水动力模型所需的数据，包括水流模拟所需文件包括流场边界文件zqb.dat，流场边界类型、河道编号及河道首末断面编号文件nrscb.dat，河道地形数据文件hdsj.dat及取水位置和取水量文件getwater.dat。各输入数据文件的格式如下：
1)河道流场边界文件
文件名：zqb.dat。输入外河道上边界的流量数据和下边界的水位数据，其中，边界数据可以是历时的流量潮位数据历时典型的潮位数据。
2)流场边界类型及流场河道节点文件
文件名：nrscb.dat。根据上下游流量水位边界不同，对不同边界进行识别，1为水位边界，0为流量边界，如表2所示，对河网区河道进行编码，先编内河道，再编外河道；对河道连结处进行节点设置、编码，先编内节点，再编外节点。按照流场河道的先后顺序，以及连接的首节点和末节点编写河道节点文件。
3)河道地形文件
文件名：hdsj.dat。对已编码的河道按顺序录入河道的断面数量、断面糙率、断面地形和断面之间的距离。
4)取水口文件
文件名：getwater.dat。根据已有取水口的信息，在模型中输入取水口的数量、位置、取水量等信息。
具体地，S22步骤包括：
S221.在潮流模拟的基础上耦合一维对流扩散输移方程，以对各河段含氯度状况进行模拟：
河道方程：
节点方程：
若忽略节点的调蓄面积，即Ω＝0，则式(32)可写为：
式中：Q，Z是流量及水位；A是河道断面积；EX是纵向分散系数；C是含氯度或者氯浓度；Ω是河道节点的水面面积；j是节点编号；i是与节点j相联接的河道编号；SC是氯离子的衰减项，对氯浓度可写为SC＝KdAC，Kd是衰减系数；S是外部的源或汇项。
S222.将S221的基本方程(31)，用隐式差分迎风格式将微分方程离散。以顺流向情况的差分为例，式中的时间项采用前差分，对流项采用迎风差分，扩散项采用中心差分格式，得：
对于逆流向情况可得到类似的结果，式中表示河段平均值，上角标k是时段的初值，k+1是时段末值。
考虑到河网中流向顺逆不定，离散基本方程时，需要引入流向调节因子rc及rd，将顺、逆流向的离散方程统一到同一方程中，经整理后得：
aiCi-1+biCi+ciCi+1＝Zi (i＝1,2,…,n) (35)
式中：ai,bi,ci是系数；Ci是i断面时段末的浓度；n是某河道的断面数；对于一般断面(i＝2,…,n-1)有：
对于首断面i＝1有：
对于末断面i＝n有：
其中：
上式中的各个变量Qa是相应于流量Q的绝对值。
S223.对河道两端的水流方向的不同组合存在4种流态分别进行求解，其中，4种流态为：顺流向的流动、逆流向的流动、河道两端向中间的流动、河道中间任意河段向两端的流动。
顺流向的流动的求解：
由首断面至末断面的流动，可得到
式中的系数由下列各式所得：
当首断面端的入流过程Q1(t)及C1(t)已知时，再根据各断面的流量、浓度初始条件，利用上面的公式可求得各断面的浓度。
逆流向的流动的求解：
由末断面至首断面的流动，可得到
其中：
当末断面端的入流过程Qn(t)及Cn(t)已知时，再根据各断面的流量、浓度初始条件，利用上式可求得各断面的浓度。
河道两端向中间的流动的求解：
首、末断面都是入流的流动，可得到：
当河道两端的入流过程Q1(t)、C1(t)及Qn(t)、Cn(t)已知时，再根据初始条件，并利用式(44)或式(46)计算各系数，再用式(47)即可进行求解。
河道中间任意河段向两端的流动的求解
用追赶方程进行求解，追的过程即把某一断面(i＝1,2,…,n)的浓度值表示为下一断面浓度值的函数：
其中：
赶的过程是从末断面逆序推倒其他各断面的浓度值，即：
S224.在S223步骤的基础上，对河道节点的浓度方程进行求解。
S225.输入含氯度模型所需的数据，包括浓度场河道首末节点文件krc.dat，含氯度衰减系数文件sjc.dat，浓度场边界文件cib.dat，浓度场外河道地形走向判断因子文件kib.dat。各输入数据的具体文件格式如下：
1)浓度场河道首末节点文件(krc.dat)
文件名：krc.dat。按照浓度场河道的先后顺序，以及连接的浓度场中首节点和末节点编写浓度场河道节点文件。
2)浓度场边界文件
文件名：cib.dat。根据流场的外边界数确定其个数，每个边界为一个序列(长度跟模拟时间范围一致)。
3)衰减系数文件
文件名：sjc.dat。为含氯度的衰减系数。
4)浓度场外河道地形走向判断因子
文件名：kib.dat。对于浓度场外河道断面编号一致是从外向里编号，这与流场中河道断面编号有可能不一致。
具体地，S22步骤中，水流数学模型与含氯度数学模型通过采用同一套河道地形及河网概化结果以及浓度场与流程的河道、节点对应关系文件knrcc.dat实现耦合。
具体地，S5步骤为根据所构建的含氯度模拟预报模型，在一定的边界条件下对含氯度进行模拟预报，输出包括流量、水位、含氯度以及超标时数结果。
实施例
一.实施例应用区域
基于1999年测量的1/5000河道地形图，选用以一维非恒定流方程为基础的河段—节点—汊点方程作为水流模拟模型，然后在水流模拟的基础上，采用一维对流扩散输移方程，以中山市为例，模拟计算设计条件下各河道的含氯度状况，再根据所得流量、含氯度等结果进行二次计算得到中山市设计咸淡水量，并对计算结果的合理性进行分析。
二.数据采集
本案例采集的数据包括流量、水位、含氯度以及河道地形数据。其中流量、水位数据包括模型上下游边界以及代表站三水站和马口站的实测资料，主要用于水动力模型的率定和验证；含氯度数据包括模型下边界以及磨刀门水道代表站连石湾水闸、马角水闸的同步监测的实测盐度资料，主要用于含氯度衰减系数率定以及模型验证；河道地形数据是水动力模型的基础数据。
三.模型构建
1.河网概化及编码：
中山市地处西北江三角洲网河区，由于河网水系的贯通性，域内各水系水流既受上游来水影响，又受河口潮流作用，因此，这里取整个西北江三角洲网河区为计算范围，上游边界取为北江的石角、西江的高要、三角洲鸦岗水文(位)站，下游边界取为黄埔(珠江广州河段)、三沙口(沙湾水道)、南沙(蕉门水道)、万顷沙西(洪奇沥)、横门(横门水道)、灯笼山(磨刀门水道)、黄金(鸡啼门水道)、黄冲(崖门水道)、西炮台(虎跳门水道)，均有常规逐时流量或潮位观测资料。为计算的简化和可行性，将河网区进行概化并编码。概化编码后共有河道196条，内节点121个，外节点23个，内河道173条，外河道23条。河网概化及编码结果如图3、图4所示。
西北江三角洲河网区内水闸众多，但由于大多无观测资料。因此，模型验证中只把芦苞水闸、西南水闸、沙口水闸作为内边界处理，其他水闸不作考虑。
2.输入数据
数据输入包括①水流模拟所需文件包括流场边界文件zqb.dat，流场边界类型、河道编号及河道首末断面编号文件nrscb.dat，河道地形数据文件hdsj.dat及取水位置和取水量文件getwater.dat；②含氯度模拟所需文件包括浓度场河道首末节点文件krc.dat，含氯度衰减系数文件sjc.dat，浓度场边界文件cib.dat，浓度场外河道地形走向判断因子文件kib.dat；③水流含氯度耦合关系文件为浓度场与流程的河道、节点对应关系文件knrcc.dat以及结果输出断面文件opcs.dat。
四.模型参数率定
水动力模型率定的边界条件：上游边界断面石角、高要、鸦岗选用1999年12月16日14：00～12月24日16：00的实测流量过程线，下游控制边界采用同期实测潮位过程线。地形资料采用1999年测量的1/5000河道地形图。
根据南科所、中山大学等多个单位已有的研究成果，珠江三角洲的河床糙率范围为0.016～0.035，在此基础上，通过计算调试率定出西北江三角洲河网区枯水期河道糙率在0.016～0.044之间，计算时间步长为10min，空间步长为500m至2500m不等。
五.模型验证
模型验证的边界条件：上游边界断面石角、高要、鸦岗采用2005年枯季1月20日～2月1日实测流量过程线，下游控制边界采用同期实测潮位过程线。水动力模型初始水位、流量值与模型率定时保持一致。
选取三水和马口站作为模型的验证站点，以与计算时刻同步监测(2005年1月20日～2月1日)的观测流量和水位资料对计算结果进行验证，验证结果如图5-8所示。
从图5可知，就水位而言，三水站和马口站潮位过程的相位计算与实测基本一致。三水站潮位平均绝对误差为0.035m，马口站潮位平均绝对误差为0.079m，三水站潮位计算的最大偏差值为0.15m，马口站潮位计算的最大偏差为0.2m。三水站流量平均相对误差为28.6％，峰值流量最大相对误差不超过17.5％，谷值流量相对误差相对更小些；马口站峰值流量平均相对误差为16.45％，峰值流量基本一致，有90％的计算时段误差在10％以内，谷值流量计算值与实测值之间的偏差比峰值的略大一些。两验证点流量、水位过程计算与实测的逐时变化趋势相同。
选取连石湾水闸、马角水闸作为盐度模型验证站点，以与计算时刻同步监测(2005年1月24日～2月1日)的实测盐度资料对盐度模型计算结果进行验证，结果如图9、图10所示。
由图9、图10可知，连石湾站和马角站盐度模拟计算结果与实测结果过程基本一致，两站模拟计算盐度峰值均有超过70％的时段与实测过程一致，其余模拟计算盐度峰值与实测过程盐度峰值偏差在1-2小时内，最大峰值误差不超过28.5％，总体模拟计算结果较好。
六.模型应用及结果输出
1.设计水文边界
选取以下设计边界条件，按照上述模型进行各河道盐水量模拟计算：上游高要站、石角站均取50％最枯月平均流量，下边界取典型潮过程。利用1956年～2009年共54年的高要、石角流量资料进行枯水频率分析计算，得到高要站50％最枯月平均流量为2680m3/s，石角站50％最枯月平均流量为214.9m3/s。
2.设计咸淡水量计算结果
中山市咸淡水量计算边界站点有磨刀门水道的灯笼山站、横门水道的横门站以及洪奇沥水道的冯马庙站，将模型计算模拟的盐度数据，基于单位时间河道水量累积方法，计算得到模型中的中山市咸淡水量约54.51亿m3/a。由于模型边界站点位置的局限性，本模型并未对横门水道南汊及洪奇沥水道冯马庙站点以下河道进行模拟，因而缺少这部分地形数据，但可根据河长比及咸潮入侵原理，粗略估算出这部分地区的咸淡水量。
通过地形图测量及查阅相关资料可知，横门水道南汊河道实际长度约是横门站以上横门水道实际河长的0.6倍，但考虑到横门水道南汊更为靠近出海口，其受咸潮影响时间更长，因此本报告取横门水道南汊咸淡水量与模型中横门水道咸水量相等，即10.83亿m3/a；而洪奇沥水道冯马庙测站下游河道实际长度约是横门站以上横门水道实际河长的1.6倍，而且冯马庙测站下河段的地理位置与横门站以上横门水道地理区域相似，因此本报告取冯马庙测站下游咸淡水量是模型中横门水道咸淡水量的1.6倍，即17.33亿m3/a。此外考虑到磨刀门水道及洪奇沥水道流经中山市部分是属于中山与周边邻市所有，按照均分原则，中山市可利用磨刀门水道及洪奇沥水道咸淡水量约占其总量的50％。因此中山市可利用咸淡水量约54.51亿m3/a。
2.1河道咸淡水量
中山市拥有丰富的咸淡水资源，年可利用量约有54.51亿m3，但存在时空分布不均匀的特征。时间上，咸淡水仅在当年10月至翌年3月之间出现，主要受河道上游来水量及海水入侵强度等影响；空间上，中山市各镇区分布不均匀，主要受区域位置、河网密度及咸潮上溯距离影响，主要存在于磨刀门水道、横门水道、小榄水道、鸡鸦水道、洪奇沥水道、黄沙沥水道和黄圃水道。各水道不仅咸淡水量不同，而且不同盐度范围的咸淡水量也不尽相同。根据我国现有《生活饮用水卫生标准》(CB5749-2006)、《农业灌溉水质标准》(GB5084-2005)、《工业循环冷却水处理设计规范》(GB50050-2007)及《海水循环冷却水处理设计规范》(GB/T23248-2009)，作为划分不同盐度咸淡水可利用量的标准。不同河道不同盐度范围咸淡水如图11所示
2.2镇区咸淡水量
中山市各镇区咸淡水总量也不尽相同，咸淡水主要存在坦洲镇、神湾镇、板芙镇、大涌镇、横栏镇、港口镇、三角镇、民众镇、火炬开发区、南朗镇及黄圃镇，具体可利用量及可利用量最多的咸淡水氯度如图12所示。
3.结果合理性分析
本报告模型计算模拟得到磨刀门水道灯笼山站咸淡水比例为43.97％，横门水道横门站咸淡水比例为25.21％，洪奇沥水道冯马庙站咸淡水比例为13.01％。本报告结果与广东省水利水电科学研究院的《广东省珠江河口咸淡水区——水资源管理相关技术论证报告》的结果相近，该报告通过模拟计算得到在高要、石角50％枯季来水保证率下，灯笼山咸淡水比例为43.0％，嘉明电厂咸淡水比例为25％(嘉明电厂与取水口与横门站相隔不远)，冯马庙咸淡水比例为12％。其中咸淡水比例是指一年中河道含氯度超过250mg/L的小时数与一年总时长的比值，即：
咸淡水比例＝1年中含氯度超过250mg/L小时数/(365天×24小时)。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种河口区咸潮上溯含氯度模拟预报方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.收集实测流量、水位、含氯度、河道地形数据；
S2.构建模型库，包括水流数学模型和含氯度数学模型，且两者之间通过耦合关系实现有机结合；
S3.模型参数率定；
S4.利用实测流量、水位以及含氯度数据对模型进行验证；
S5.模型应用及输出。
2.根据权利要求1所述的一种河口区咸潮上溯含氯度模拟预报方法，其特征在于，所述的模型参数率定包括河道糙率和含氯度衰减系数。
3.根据权利要求1所述的一种河口区咸潮上溯含氯度模拟预报方法，其特征在于，所述的输出结果包括流量、水位、含氯度以及超标时数。
4.根据权利要求1所述的一种河口区咸潮上溯含氯度模拟预报方法，其特征在于，所述的S2步骤包括：
S21.构建以一维非恒定流圣维南方程组为控制方程的水流数学模型；
S22.在水流数学模型的基础上，耦合采用一维对流扩散输移方程为控制方程的含氯度数学模型。
5.根据权利要求4所述的一种河口区咸潮上溯含氯度模拟预报方法，其特征在于，所述的S21步骤包括：
S211.收集河道地形数据，并对河网进行概化和编码；
S212.基于一维非恒定流圣维南方程组，建立水流数学模型，包括连续方程和动量方程：
连续方程：
动量方程：
式中，Z为断面水位；Q为流量；A为河道过水面积；g为重力加速度；B为过水宽度；q为旁侧入流流量；R为水力半径；c为谢才(Chezy)系数；x、t是位置和时间坐标；
S213.利用四点加权Preissmann隐式差分格式离散S212步骤中圣维南方程组的连续方程Ⅰ和动量方程Ⅱ，再运用网河“三级联合解法”进行求解。
6.根据权利要求4所述的一种河口区咸潮上溯含氯度模拟预报方法，其特征在于，所述的S22步骤包括：
S221.在潮流模拟的基础上耦合一维对流扩散输移方程，以对各河段含氯度状况进行模拟：
河道方程：
节点方程：
若忽略节点的调蓄面积，即Ω＝0，则式Ⅳ可写为：
<mrow>
<munderover>
<mo>&Sigma;</mo>
<mrow>
<mi>l</mi>
<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
<mrow>
<mi>N</mi>
<mi>L</mi>
</mrow>
</munderover>
<msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>Q</mi>
<mi>C</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mrow>
<mi>l</mi>
<mo>,</mo>
<mi>j</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>=</mo>
<msub>
<mn>0</mn>
<mi>j</mi>
</msub>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mi>V</mi>
</mrow>
式中：Q，Z是流量及水位；A是河道断面积；EX是纵向分散系数；C是含氯度或者氯浓度；Ω是河道节点的水面面积；j是节点编号；i是与节点j相联接的河道编号；SC是氯离子的衰减项，对氯浓度可写为SC＝KdAC，Kd是衰减系数；S是外部的源或汇项；
S222.将S221的基本方程Ⅲ，用隐式差分迎风格式将微分方程离散；
S223.对河道两端的水流方向的不同组合存在4种流态分别进行求解，其中，4种流态为：顺流向的流动、逆流向的流动、河道两端向中间的流动、河道中间任意河段向两端的流动；
S224.在S223步骤的基础上，对河道节点的浓度方程进行求解。
7.根据权利要求4所述的一种河口区咸潮上溯含氯度模拟预报方法，其特征在于，所述的S22步骤中，水流数学模型与含氯度数学模型通过采用同一套河道地形及河网概化结果以及浓度场与流程的河道、节点对应关系实现耦合。
8.根据权利要求1所述的一种河口区咸潮上溯含氯度模拟预报方法，其特征在于，所述步骤S5为根据所构建的含氯度模拟预报模型，在一定的边界条件下对含氯度进行模拟预报，输出包括流量、水位、含氯度以及超标时数结果。
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