CN109710959B - 一种水资源引清调度水体置换效果数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种水资源引清调度水体置换效果数值模拟方法，包括如下步骤：1)基于引清调度的以新换旧基本原理，遴选并定义表征水体置换效果的水体置换率；2)通过选用质量百分比浓度来表达水体浓度，并经合理假定与简化，建立水体浓度与水体置换率的数值上的等同关系；3)建立包含连续方程、运动方程、对流扩散方程在内的流体力学基本方程；4)分析引清调度关注区域所处的河网片区的特点，确定数学模型的建模范围及维度，搭建水动力与对流扩散耦合数学模型，设置对流扩散模块的初始浓度和边界浓度；5)运行计算水动力与对流扩散耦合数学模型，分析研究区域内不同时间、不同位置的水体置换情况。

Description

一种水资源引清调度水体置换效果数值模拟方法

技术领域

本发明涉及水力学技术领域，尤其涉及一种水资源引清调度水体置换效果数值模拟方法。

背景技术

水资源引清调度是利用外海潮汐动力与清洁水源，通过泵闸等水工建筑物的调度，使得河网内主要河道水体定向有序流动，从而达到加快水体更新、改善内河水质的目的。通过水资源引清调度改善内河水质的方式自上海于20世纪80年代中期开创先例以来，已陆续被国内诸多地区所采纳，成为提高现有河网水环境承载能力的一种重要手段。在水资源引清调度工作中，水质改善效果历来是各方关注的焦点问题，目前主要通过水质数学模型模拟或现场水质监测等手段分析研究，但是这些方法存在所需要的水质基础数据众多、工作量大、耗时长、费用高等缺点，因此有必要提出一种更为简便易行的研究方法来满足实际工作的需要。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种水资源引清调度水体置换效果数值模拟方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种水资源引清调度水体置换效果数值模拟方法，包括如下步骤：

步骤1，基于引清调度的以新换旧基本原理，遴选并定义表征水体置换效果的水体置换率；

步骤2，通过选用质量百分比浓度来表达水体浓度，并经合理假定与简化，建立水体浓度与水体置换率的数值上的等同关系；

步骤3，建立包含连续方程、运动方程、对流扩散方程在内的流体力学基本方程；

步骤4，分析引清调度关注区域所处的河网片区的特点，确定数学模型的建模范围及维度，并通过步骤3建立的流体力学基本方程搭建水动力与对流扩散耦合数学模型，根据步骤2对水体浓度表达方式的选用设置对流扩散模块的初始浓度和边界浓度；

步骤5，运行计算步骤4所搭建的水动力与对流扩散耦合数学模型，根据步骤2建立的等同关系分析研究区域内不同时间、不同位置的水体置换情况。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)基于水资源引清调度的以新换旧基本原理，推荐了“水体置换率”这一简便指标来表征引清调度水体置换效果，简单明了且具有代表性。

(2)通过选用“质量百分比浓度”来表达水体浓度，建立水体浓度与水体置换率数值上的等同关系，基于水动力模型与对流扩散数学模型的耦合计算实现了水体置换率数值的自动模拟，简便易操作。

附图说明

图1是本发明的流程示意图。

图2是应用案例位置及一维河网数学模型计算范围的示意图。

图3是三次引排水后研究区域及附近河道水体置换率计算结果分布的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

参见图1，图中给出的是一种水资源引清调度水体置换效果数值模拟方法，包括如下步骤：

步骤1，基于引清调度的以新换旧基本原理，遴选并定义表征水体置换效果的水体置换率。具体如下：

水资源引清调度的基本原理是“以新换旧”，即利用外部“新”的清洁水体替换河网内“旧”的水体。基于该原理，推荐采用“水体置换率”作为表征水体置换效果的简便指标，将其定义为“新水体的占比”，即某处来自外部水源的新水体占总水体的比例。水体置换率越接近于1则说明水体置换效果越好。水体置换率基本公式如下：

式(1)中：f为水体置换率；V_新为某处来自“新”水体的体积；V_旧为某处“旧”水体的体积。

步骤2，通过选用质量百分比浓度来表达水体浓度，并经合理假定与简化，建立水体浓度与水体置换率的数值上的等同关系。具体如下：

一般而言，溶液浓度可分为质量百分比浓度、体积浓度(如摩尔浓度、当量浓度)和质量-体积浓度三类。在水力学领域，常用的是质量-体积浓度，如悬沙浓度、水质指标等。鉴于水资源引清调度中“新”、“旧”水体均是液体，提出选用“质量百分比浓度”来表达水体浓度。通过选用“质量百分比浓度”来表达水体浓度，并经合理假定与简化，就建立了水体浓度与水体置换率数值上的等同关系。

步骤3，建立包含连续方程、运动方程、对流扩散方程在内的流体力学基本方程。具体如下：

(1)一维模型基本方程：

①连续方程

式(2)中：A为过水断面面积；Q为过水断面流量；x为沿程坐标；t为时间坐标。

②水流运动方程：

式(3)中：h为断面水位；C为谢才系数；R为水力半径；g为重力加速度；α为动量校正系数。

③对流扩散方程：

式(4)中：c为浓度；D为扩散系数；K为线性降解系数；c₂为源/汇项浓度；q为侧向入流。

(2)二维模型基本方程

①水流连续方程

式(5)中：x、y为直角坐标系坐标；t为时间；h为平均水深；ζ为相对于平均海平面的潮位；U_x、U_y分别为x、y方向上的垂线平均速度。

②水流运动方程：

式(6)中：ρ为水体密度；g为重力加速度；N_x、N_y分别为x、y方向的水平紊动粘性系数；f为科氏参数；τ_x、τ_y分别为波流共同作用下床面剪切应力在x、y方向的分量。

③对流扩散方程：

式(7)中：c为垂线平均浓度；K_x、K_y分别为x、y方向的扩散系数。

步骤4，分析引清调度关注区域所处的河网片区的特点，确定数学模型的建模范围及维度，并通过步骤3建立的流体力学基本方程搭建水动力与对流扩散耦合数学模型，根据步骤2对水体浓度表达方式的选用设置对流扩散模块的初始浓度和边界浓度。具体如下：

河网地区水系相互连通，数学模型建模范围需要足够大以消除开边界对模拟结果的影响，一般应选取相对独立的水利片区作为建模范围。根据经验，水资源引清调度研究中最常用的数值模拟维度为一维或二维，当研究区域内河道众多且泵闸等水工建筑物运行调度方式相对复杂时建议选用一维数值模拟手段，反之则可选用二维，也可根据实际需要选用一维与二维相耦合的方式。以MIKE11或MIKE21为工具，基于步骤3的基本方程搭建一维或二维水动力与对流扩散相耦合的数学模型。建模过程中需要注意以下几个问题：

(1)需采用合适的空间步长或网格尺寸以便能较为准确的刻画模型范围内的河道特征。

(2)需要对时间步长、糙率、扩散系数等关键参数进行合理赋值。

(3)需要选择模拟引清调度的合理时间段，水动力模块需要设置模拟时间段内的开边界条件、初始条件(其中初始条件应根据引清调度规则合理赋值)。

(4)需要根据引清调度规则给泵闸等水工建筑物设置合理的调度运行规则。

(5)需要设置对流扩散模块开边界入流浓度、出流方式及模型范围内初始浓度。根据步骤2对水体浓度表达方式的选用，可将开边界处“新”水体的入流质量百分比浓度设置为100％，河网内“旧”水体的初始质量百分比浓度设置为0，开边界处出流设置为自由出流方式。

步骤5，运行计算步骤4所搭建的水动力与对流扩散耦合数学模型，根据步骤2建立的等同关系分析研究区域内不同时间、不同位置的水体置换情况。具体如下：

运行计算步骤4搭建的一维或二维水动力与对流扩散耦合数学模型。根据步骤2建立的等同关系，对流扩散模型计算得到的水体浓度结果在数值上即等于水体置换率，因此可以直接根据对流扩散模型计算得到的浓度分析研究区域内不同时间、不同位置的水体置换情况。

针对上海市崇明岛绿华镇水资源引清调度水体置换效果的数值模拟对本发明方法进行分析说明。

步骤1，基于引清调度“以新换旧”的基本原理，遴选并定义“水体置换率”作为表征水体置换效果的简洁指标，如公式(1)所示。

步骤2，通过选用“质量百分比浓度”来表达水体浓度，并经合理假定与简化，建立水体浓度与水体置换率数值上的等同关系。

步骤3，建立包含连续方程、运动方程、对流扩散方程在内的一维流体力学基本方程，如公式(2)至公式(4)或公式(5)至公式(7)所示。

步骤4，分析引清调度关注区域所处的河网片区的特点，确定数学模型的建模范围及维度，搭建水动力与对流扩散耦合数学模型，设置对流扩散模块的初始浓度和边界浓度。由于案例绿华镇位于上海市崇明岛水利片，建议模型范围涵盖整个崇明岛。参见图2，崇明岛河网密布、引排水口门众多，其中仅绿华镇就涉及市级河道1条(环岛运河)、区级河道1条(新建港)、镇级河道27条，另有2个距离较近的引水口门(崇西水闸和新建水闸)、1个距离较近的排水口门(跃进水闸)，研究手段选用一维数值模拟技术。以MIKE11为工具，搭建崇明岛包含所有镇级河道在内的一维水动力与对流扩散耦合数学模型，设置边界条件与初始条件，根据实测资料率定糙率、扩散系数等关键参数。模型中各水动力开边界设置为2009年9月3日～9月5日的潮位过程。根据崇明岛引清调度中河道平均控制水位为2.60-3.00m的要求以及沿江水闸“南引北排”的调度运行规则，河网初始水位设置为2.60m，南支沿线水闸调度规则按“能引则引”、当控制河道水位高于3m时关闸控制；北支沿线水闸按“能排则排”控制。南支沿线开边界入流质量百分比浓度赋值为100％、北支沿线开边界出流设置为自由出流方式，模型范围内河网水体的初始质量百分比浓度赋值为0。

步骤5，运行计算步骤4搭建的崇明岛一维水动力与对流扩散耦合数学模型，并根据对流扩散模型计算得到的浓度分析研究区域内不同时间、不同位置的水体置换情况，如图3所示。

Claims (1)

1.一种水资源引清调度水体置换效果数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，基于引清调度的以新换旧基本原理，遴选并定义表征水体置换效果的水体置换率；

步骤2，通过选用质量百分比浓度来表达水体浓度，并经合理假定与简化，建立水体浓度与水体置换率的数值上的等同关系；

步骤3，建立包含连续方程、运动方程、对流扩散方程在内的流体力学基本方程；

步骤4，分析引清调度关注区域所处的河网片区的特点，确定数学模型的建模范围及维度，并通过步骤3建立的流体力学基本方程搭建水动力与对流扩散耦合数学模型，根据步骤2对水体浓度表达方式的选用设置对流扩散模块的初始浓度和边界浓度；

步骤5，运行计算步骤4所搭建的水动力与对流扩散耦合数学模型，根据步骤2建立的等同关系分析研究区域内不同时间、不同位置的水体置换情况；

在步骤1中，水体置换率基本公式如下：

式(1)中：f为水体置换率；V_新为某处来自“新”水体的体积；V_旧为某处“旧”水体的体积；

在步骤3中，建立包含连续方程、运动方程、对流扩散方程在内的流体力学基本方程，具体如下：

(1)一维模型基本方程：

①连续方程

式(2)中：A为过水断面面积；Q为过水断面流量；x为沿程坐标；t为时间坐标；

②水流运动方程：

式(3)中：h为断面水位；C为谢才系数；R为水力半径；g为重力加速度；α为动量校正系数；

③对流扩散方程：

式(4)中：c为浓度；D为扩散系数；K为线性降解系数；c₂为源/汇项浓度；q为侧向入流；

(2)二维模型基本方程

①水流连续方程

式(5)中：x、y为直角坐标系坐标；t为时间；h为平均水深；ζ为相对于平均海平面的潮位；U_x、U_y分别为x、y方向上的垂线平均速度；

②水流运动方程：

式(6)中：δ为水体密度；g为重力加速度；N_x、N_y分别为x、y方向的水平紊动粘性系数；f为科氏参数；τ_x、τ_y分别为波流共同作用下床面剪切应力在x、y方向的分量；

③对流扩散方程：

式(7)中：c为垂线平均浓度；K_x、K_y分别为x、y方向的扩散系数。