CN116703072A - 河库连通河网地区的水量-水质综合调度方法 - Google Patents
河库连通河网地区的水量-水质综合调度方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116703072A CN116703072A CN202310617888.2A CN202310617888A CN116703072A CN 116703072 A CN116703072 A CN 116703072A CN 202310617888 A CN202310617888 A CN 202310617888A CN 116703072 A CN116703072 A CN 116703072A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- water
- water quality
- equation
- reservoir
- river
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 318
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 68
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 12
- 238000012821 model calculation Methods 0.000 claims abstract description 12
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 23
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims description 17
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 11
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 11
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 11
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 11
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 9
- XKMRRTOUMJRJIA-UHFFFAOYSA-N ammonia nh3 Chemical compound N.N XKMRRTOUMJRJIA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 5
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 4
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 4
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 3
- 238000005086 pumping Methods 0.000 abstract description 10
- 238000005457 optimization Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 27
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 23
- 235000017166 Bambusa arundinacea Nutrition 0.000 description 14
- 235000017491 Bambusa tulda Nutrition 0.000 description 14
- 241001330002 Bambuseae Species 0.000 description 14
- 235000015334 Phyllostachys viridis Nutrition 0.000 description 14
- 239000011425 bamboo Substances 0.000 description 14
- 241000234276 Curculigo Species 0.000 description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 7
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 7
- 241000544043 Blyxa aubertii Species 0.000 description 6
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 6
- 230000032258 transport Effects 0.000 description 5
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 3
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 2
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 2
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 2
- 239000013535 sea water Substances 0.000 description 2
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 238000003911 water pollution Methods 0.000 description 2
- 241000195493 Cryptophyta Species 0.000 description 1
- 241000192710 Microcystis aeruginosa Species 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011324 bead Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000002706 hydrostatic effect Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 235000015097 nutrients Nutrition 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 1
- 230000009057 passive transport Effects 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000012732 spatial analysis Methods 0.000 description 1
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 1
- 239000013589 supplement Substances 0.000 description 1
- 230000001502 supplementing effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A20/00—Water conservation; Efficient water supply; Efficient water use
- Y02A20/152—Water filtration
Abstract
本发明公开了一种河库连通河网地区的水量‑水质综合调度方法，包括以下步骤：基于静压近似及Boussinesq近似求解三维浅水方程和物质输运方程，构建水量‑水质综合调度模型；选取模型计算范围，划分模型计算区域网格，设定模型参数；根据水库水位、流速、流态、水质因子的历史监测数据构建基本方案，设置不同的模型边界以构建对比方案，通过所述水量‑水质综合调度模型模拟水库在不同方案下的水量水质的变化情况，得到水库的流速、水位、流态和水质因子的空间分布特征，分析并得出水库优化调度策略。本发明能够分析不同的调度方式对抽水型水库的水体流态、水体水质的影响，科学、合理的优化调度。此发明用于水库调度优化技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及水库调度优化技术领域，特别涉及一种河库连通河网地区的水量-水质综合调度方法。
背景技术
水体污染的形成不仅取决于污染物的输入，也和水文、气象和水体动力学等多种因素共同作用有关。水库原水水质不仅受水库流域内污染，同时江河源水的水质也决定水库的水质，水库自产水和江河水水质各自变化综合影响供水水库水质。各水库之间相互连通水力条件、独立水库禀赋条件的差异，水库水量调度方式以及水库调度对水库水动力条件人工影响等，综合决定了江河水抽入供水水库后水库水质的最终状态。
因此，需要一种水量-水质综合调度方法分析不同的调度方式对抽水型水库的水体流态、水体水质的影响。现有技术中的调度方法的关注点主要在于水质，对水库的水量和水质综合考虑的调度方法较少。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。为此，本发明实施例提供了一种河库连通河网地区的水量-水质综合调度方法，能够分析不同的调度方式对抽水型水库的水体流态、水体水质的影响，科学、合理的优化调度。
根据本发明实施例的河库连通河网地区的水量-水质综合调度方法，包括以下步骤：基于静压近似及Boussinesq近似求解三维浅水方程和物质输运方程，构建水量-水质综合调度模型，以求解未知变量，所述未知变量包括自由水面高程、流体速度和被动输运物质浓度矢量；选取模型计算范围，划分模型计算区域网格，设定模型参数；根据水库水位、流速、流态、水质因子的历史监测数据构建基本方案，设置不同的模型边界以构建对比方案，通过所述水量-水质综合调度模型模拟水库在不同方案下的水量水质的变化情况；根据所述水量-水质综合调度模型运行得到的模拟结果，得到水库的流速、水位、流态和水质因子的空间分布特征，分析并得出水库优化调度策略。
基于上述技术方案，本发明实施例至少具有以下有益效果：本发明实施例通过构建水量-水质综合调度模型，分析不同的调度方式对抽水型水库的水体流态、水体水质的影响，结合模型计算成果，科学、合理的优化调度，调整水库水力滞留时间，改善水体流动性，达到改善水库的水体水质的目的。
根据本发明实施例的河库连通河网地区的水量-水质综合调度方法，在笛卡尔坐标系统下，所述水量-水质综合调度模型的主要控制方程如下：
其中，(x,y)为水平笛卡尔坐标；z为垂向坐标，向上为正；▽为哈密顿算子；t为时间；η(x,y,t)为自由水面高程；h(x,y)为水深；为水平流速，笛卡尔坐标下两个分量(u,v)；w为垂向流速；f为柯氏力因子；g为重力加速度；ψ(φ,λ)为潮汐势；α为有效地球弹性因子；ρ(x,t)为水的密度，默认参考值ρ0为1025kg/m3；pA(x,y,t)为自由水面大气压强；S,T为水的温度和盐度；υ为垂向涡动粘性系数；μ为水平涡动粘性系数；κ为温度和盐度的垂向涡动扩散系数；Fs,Fh为输移方程中的水平扩散系数；Q为太阳辐射吸收率；Cp为水的比热。
根据本发明实施例的河库连通河网地区的水量-水质综合调度方法，所述主要控制方程在满足以下条件时闭合：(a)水体的密度是其盐度和温度的函数；(b)通过湍流闭合方程组对水平及垂直混合的各系数进行参数化；(c)具有初始及边界条件。
根据本发明实施例的河库连通河网地区的水量-水质综合调度方法，所述水量-水质综合调度模型采用GLS湍流闭合模式，在所述GLS湍流闭合模式中，湍流动能K和通用尺度变量ψ的产生、输运和耗散由以下方程控制：
其中，和vψ为垂直湍流扩散系数；cψ1,cψ2,cψ3为模型中的系数；FW为一个壁函数；M和N分别是剪切力和浮力的频率；ε为耗散率。
根据本发明实施例的河库连通河网地区的水量-水质综合调度方法，所述通用尺度变量的计算公式为：
其中，l为湍流混合长度；p,m,n为常量参数；
在河流、海洋的自由水面及底部，湍流动能和湍流混合长度直接由边界条件决定：
l＝κ0db或者l＝κ0ds
其中，τb为底部摩擦应力；κ0为卡门常数，其值取0.4；B1为常数；db为到水体底部的距离；ds为到自由表面的距离。
根据本发明实施例的河库连通河网地区的水量-水质综合调度方法，在水体表面，内部雷诺应力与外加的剪切应力平衡，且在进行非滑移的河底边界计算时，采用内部雷诺应力与底摩擦应力相平衡的方法，因此，得到边界条件方程：
在z＝η处
在z＝-h处
其中，为内部雷诺应力；τw为外剪切应力；τb为底部摩擦应力。
根据本发明实施例的河库连通河网地区的水量-水质综合调度方法，湍流边界层中底部摩擦应力的计算公式为：
其中，是底部计算单元顶部的流速；CD为拖曳力系数。
根据本发明实施例的河库连通河网地区的水量-水质综合调度方法，通过边界条件将方程(1)及方程(3)耦合起来形成相互耦合方程，方程(3)中的平流项采用欧拉-拉格朗日方法求解，而方程(4)和(5)则采用欧拉-拉格朗日方法或者迎风有限体积法求解。
根据本发明实施例的河库连通河网地区的水量-水质综合调度方法，采用半隐格式对所述相互耦合方程及所述边界条件方程进行时间上的离散化，以求解所述相互耦合方程，经过计算得自由水面高程的方程为：
其中，
根据边界条件和自由水面高程的方程，能够求解出任意节点的水位，然后采用有限元半隐格式解动量方程得到水平方向及垂向上的流速。
根据本发明实施例的河库连通河网地区的水量-水质综合调度方法，所述水质因子包括COD、氨氮、TP和TN。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；
图1为本发明实施例水量-水质综合调度模型采用的混合坐标示意图；
图2为本发明实施例水量-水质综合调度模型的基本计算单元的结构示意图；
图3为本发明实施例竹仙洞水库的模型范围及地形的结构示意图；
图4为本发明实施例竹仙洞水库的模型计算区域网格划分的结构示意图；
图5为本发明实施例竹仙洞水库的采样点设置位置的结构示意图。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
水体污染的形成不仅取决于污染物的输入，也和水文、气象和水体动力学等多种因素共同作用有关。为保障珠澳供水安全，珠海市通过抽调西江水增加水库供水能力，目前已形成“江水为主、库水为辅、江库连动、江水补库、库水调咸”的复杂原水供水系统。水库原水水质不仅受水库流域内污染，同时江河源水的水质也决定水库的水质，水库自产水和江河水水质各自变化综合影响供水水库水质。各水库之间相互连通水力条件、独立水库禀赋条件的差异，水库水量调度方式以及水库调度对水库水动力条件人工影响等，综合决定了江河水抽入供水水库后水库水质的最终状态。
因此，需要一种水量-水质综合调度方法分析不同的调度方式对抽水型水库的水体流态、水体水质的影响。现有技术中的调度方法的关注点主要在于水质，对水库的水量和水质综合考虑的调度方法较少。
本发明实施例提供了一种河库连通河网地区的水量-水质综合调度方法，包括以下步骤：
基于静压近似及Boussinesq近似求解三维浅水方程和物质输运方程，构建水量-水质综合调度模型，以求解未知变量，未知变量包括自由水面高程、流体速度和被动输运物质浓度矢量；
选取模型计算范围，划分三维数学模型计算区域网格，设定模型参数；根据水库水位、流速、流态、水质因子的历史监测数据构建基本方案，设置不同的模型边界以构建对比方案，模拟水库在不同方案下的水量水质的变化情况；根据水量-水质综合调度模型运行得到的模拟结果，得到水库的流速、水位、流态和水质因子的空间分布特征，再结合实际情况进行分析，得出水库优化调度策略。
在笛卡尔坐标系统下，水量-水质综合调度模型的主要控制方程如下：
其中，(x,y)为水平笛卡尔坐标，(m)；z为垂向坐标，向上为正，(m)；▽为哈密顿算子；t为时间，(s)；η(x,y,t)为自由水面高程，(m)；h(x,y)为水深，(m)；为水平流速，笛卡尔坐标下两个分量(u,v)，(m/s)；w为垂向流速，(m/s)；f为柯氏力因子，(s-1)；g为重力加速度，(m/s2)；ψ(φ,λ)为潮汐势，(m)；α为有效地球弹性因子；ρ(x,t)为水的密度，默认参考值ρ0为1025kg/m3；ρA(x,y,t)为自由水面大气压强，(N/m2)；S,T为水的温度和盐度，实用盐度单位(psu)；υ为垂向涡动粘性系数，(m2/s)；μ为水平涡动粘性系数，(m2/s)；κ为温度和盐度的垂向涡动扩散系数，(m2/s)；Fs,Fh为输移方程中的水平扩散系数；Q为太阳辐射吸收率，(W/m2)；Cp为水的比热，(J/kg/K)。
主要控制方程在满足以下条件时闭合：(a)水体的密度是其盐度和温度的函数；(b)通过湍流闭合方程组对水平及垂直混合的各系数进行参数化；(c)具有初始及边界条件。
水的密度定义为盐度，温度及静水压的函数。根据Millero和Poisson(1981)的国际海水状态方程(ISE80)：
其中ρ(S,T,0)(kg/m3)为一标准大气压下海水的密度，K(S,T,p)为割线体积模量。
水压符合静压近似，以巴(bars)为单位，水压的计算公式如下：
在水体表面，水体内部雷诺应力与外加剪切应力平衡，即
在z＝HR+η处
模型中对表面剪切应力提供两种参数化方法。一种方法是利用空气动力学算法，计算不同大气稳定度条件下的水体表面通量，包括动量、热量和盐量，此种方法一般在与大气模型嵌套时采用。
另一种是当缺乏详细的大气知稳定度资料时，表面应力可由下式计算：
其中，ρa是空气密度(kg/m3)，CDs是表面拖曳系数，为海面以上10m处的风速，/>和W(x,y)为相应的模和分量；
风速在此区域外时，CDs取适当的常数值。强风条件下，海气动量交换率随风速加大而增加。对于AW1，AW2已有很多定值方法，在缺乏数据的情况下，可假设起始值：Aw1＝0.61，AW2＝0.063，Wlow＝6，Whigh＝50。
通常认为，在底边界上内部雷诺应力与底部摩擦应力平衡，即：
在z＝HR-h处
底部应力定义为：
底部拖曳系数CDb随地形变化，也会随其他因素而改变，如波流相互作用和底床演变。
在模型中，底部拖曳系数可以外部给定，也可以通过近底层流速(ub,vb)计算得到：
其中，卡门常数κ为0.4；z0为底床糙率，通常取1cm；δb为底部计算单位厚度的一半，底部离散不好会导致δb估计过大，使实际边界层厚度过大。若无CDbmin的调节，CDb会总体偏小。
大多数情况下，水体表面及底部没有盐度通量交换，底部也没有热量交换。但是，水面的热量交换对于湖库系统非常重要。太阳辐射能由方程式(5)给出，其他的热量交换由表面边界条件计算：
在z＝HR+η处
其中，为水气介面向下的净热能量，但不包含太阳辐射。
水量-水质综合调度模型采用GLS(Generic Length Scale)湍流闭合模式，该模式的优点在于其包含了大部分的2.5阶湍流闭合模型(k-ε；k-ω；Mellor和Yamada)。在GLS模式中，湍流动能(K)和通用尺度变量(ψ)的产生、输运和耗散由以下方程控制：
其中，K为湍流动能；ψ为通用尺度变量；和vψ为垂直湍流扩散系数；cψ1,cψ2,cψ3为模型中的系数；FW为一个壁函数；M和N分别是剪切力和浮力的频率；ε为耗散率。
通用尺度变量的计算公式为：
其中，l为湍流混合长度；p,m,n为常量参数，p,m,n的选择将决定湍流闭合模型的选择；
在河流、海洋的自由水面及底部，湍流动能和湍流混合长度直接由边界条件决定：
l＝κ0db或者l＝κ0ds
其中，τb为底部摩擦应力；κ0为卡门常数，其值取0.4；B1为常数；db为到水体底部的距离；ds为到自由表面的距离。
在水体表面，内部雷诺应力与外加的剪切应力平衡，且在进行非滑移的河底边界计算时，采用内部雷诺应力与底摩擦应力相平衡的方法，因此，可以得到边界条件方程：
在z＝η处
在z＝-h处
其中，为内部雷诺应力；τw为外剪切应力；τb为底部摩擦应力。
对于底摩擦应力τa的计算要视具体的边界情况而定，这里仅简要说明一下GLS湍流闭合模式中湍流边界层中底部摩擦应力的计算方法：
其中，是底部计算单元顶部的流速；CD为拖曳力系数。
底边界层内的流速分布剖面服从对数定理：
其中，δb是底部计算单元的厚度(假定底部计算单元是完全处于底边界层之内的)；z0是底部糙率；是底部计算单元顶部的流速。在模型中底边界层顶部流速与底边界层外部的流速是平滑吻合。
因此底边界层内的雷诺应力可以表示为：
利用上文所提到的湍流闭合理论，涡动粘性系数可由方程(6-18)得到，而湍流动能入混合长度则满足以下方程：
sm＝g2
l＝κ0(z+h)
式中，g2和B1为常系数，且满足
故雷诺应力在边界层内为常数：
拖曳力系数则可由以下方程计算：
模型水平方向上采用非结构三角形网格，垂向上采用S-Z混合坐标。图1为模型采用的混合坐标示意图，其中kz为S坐标及Z坐标的分界线，其上为S层，其下为Z层。
模型的基本计算单元为三角棱柱体(参见图2)。各变量的定义规则如下：水面的高程定义在节点上；水平方向的速度定义在每一层中三角形网格每条边的中点上。流体的垂向速度用有限体积法求解，故其定义在每一层的计算单元的中心点上。温度和盐度定义的位置则与求解输运方程的方法的选择有关，如用迎风有限体积法解输运方程则温度、盐度定义在计算单元的中心点上；如用欧拉-拉格朗日的方法时，则定义网格节点及三角形边的中点上。
在模型中，所有方程采用半隐格式离散。通过边界条件将方程(1)及方程(3)耦合起来形成相互耦合方程，方程(3)中的平流项采用欧拉-拉格朗日(ELM)方法求解，而方程(4)和(5)则可采用ELM或者迎风有限体积法求解以得到被动输运物质浓度矢量。由于静压近似，垂向流速w可以在求得水平流速后由方程(1)求解。为求解相互耦合方程，需要采用半隐格式对其及边界条件方程进行时间上的离散化，其离散方程如下：
其中，上标表示时间步，0≤θ≤1是时间的隐式因子，为了使计算更具有稳定性，须有0.5≤θ≤1。是应用欧拉-拉格朗日法回溯求得的流速的值，/>
经过计算可得自由水面高程的方程为：
其中，
当赋予一定的边界条件时，利用自由水面高程的方程便可求解出任意节点的水位，然后可以采用有限元半隐格式解动量方程得到水平方向及垂向上的流速。
由于模型是隐式计算模式，故其对时间步长的要求是越大越好，时间步长dt越大，计算越不容易发散。其对CFL数要求如下：
其中，dt为时间步长，dx为网格尺度，g为重力加速度，h为水深。如若CFL数小于0.2，则模型中使用欧拉－拉格朗日方法的计算结果会发散。当CFL大于0.5时，计算结果将会非常稳定。
与其它水动力计算模型相比，本模型具有以下优点：采用无模态分解的方法，避免内外模态分解产生的误差；考虑静压和非静压情况，灵活度更强；所有方程采用半隐格式离散，连续方程和动量方程同时求解，减轻CFL稳定性限制性，对时间步长选择的限定更少；总体体积守恒性好，输运质量守恒。
下面以对澳供水的主要水库——竹仙洞水库为例对本发明的水量-水质综合调度方法进行说明，结合竹仙洞水库的同步实测资料，模拟、计算竹仙洞水库的水体流动和水质分布，为探索抽水型水库的水体流动特点及污染物传播扩撒特征提供基础。
模型计算范围主要是竹仙洞水库库区，包括进出水口。模型总计算面积232403m2，模型范围及地形如图3所示。
模型计算区域网格划分见图4。模型网格节点个数为24530，三角形网格总数为47865个，模型区域内网格尺寸变化范围为2m～5m。
模型采用物质输运模式进行计算。模型的干湿判定水深选取0.01m。湍流闭合模型中动量方程和输移方程中的水平及垂向涡扩散系数给常数10-6。方程离散所用到的时间隐性因子取0.6，以保证模型计算的稳定性。在底边界摩擦力的处理上，本实施例选用二次的阻力公式，模型中各网格节点的阻力系数按不水深分区设定，并通过率定进行调整。模型计算的基准面为珠基(地形基面)，计算时间步长为1s，冷启动。
为模拟竹仙洞水库不同情况下的水量水质变化情况，根据2015年11月16日～17日竹仙洞水库水库水位、流速、流态、水质的同步测验结果，以该测验方案为基本方案，设置不同的模型边界，分析不同方案竹仙洞水库水量水质变化特征，为竹仙洞水库优化调度提供依据。
本次模型设置了11组方案进行三维数学模型计算，方案设置情况见下表：
同时，为进行水库模拟结果的空间分析，设置了11个采样点，分表、中、低层分别对计算结果进行分析，采样点设置位置见图5。
根据水量-水质综合调度模型运行得到的模拟结果可以得到采样点的流速、水位、流态和水质因子的空间分布特征，竹仙洞水库方案1流速模拟结果如下表所示：
竹仙洞水库方案1水位模拟结果如下表所示：
| 初始水位(m) | 稳定水位(m) | |
| 采样点1 | 20.75 | 20.85227 |
| 采样点2 | 20.75 | 20.74806 |
| 采样点3 | 20.75 | 20.74804 |
| 采样点4 | 20.75 | 20.74805 |
| 采样点5 | 20.75 | 20.74804 |
| 采样点6 | 20.75 | 20.74809 |
| 采样点7 | 20.75 | 20.74809 |
| 采样点8 | 20.75 | 20.74807 |
| 采样点9 | 20.75 | 20.74805 |
| 采样点10 | 20.75 | 20.74806 |
| 采样点11 | 20.75 | 20.74807 |
根据竹仙洞水库方案1模拟结果，绘制表层、中层、底层的流场示意图(附图中未示出)。竹仙洞水库表层、中层、底层总体流态相差不大，受洪湾泵站抽水进水口导流设施的影响，采样点1的水体先向西部流动，绕过导流设施后再向往出水口区域流动。
竹仙洞水库方案2流速模拟结果如下表所示：
竹仙洞水库方案2水位模拟结果如下表所示：
| 初始水位(m) | 方案2水位(m) | 与方案1对比(m) | |
| 采样点1 | 20.75 | 20.7502 | 0.1021 |
| 采样点2 | 20.75 | 20.74809 | 0.0000 |
| 采样点3 | 20.75 | 20.74809 | -0.0001 |
| 采样点4 | 20.75 | 20.74809 | 0.0000 |
| 采样点5 | 20.75 | 20.74805 | 0.0000 |
| 采样点6 | 20.75 | 20.74806 | 0.0000 |
| 采样点7 | 20.75 | 20.74805 | 0.0000 |
| 采样点8 | 20.75 | 20.74809 | 0.0000 |
| 采样点9 | 20.75 | 20.74805 | 0.0000 |
| 采样点10 | 20.75 | 20.74805 | 0.0000 |
| 采样点11 | 20.75 | 20.74807 | 0.0000 |
根据竹仙洞水库方案2模拟结果，绘制表层、中层、底层的流场示意图(附图中未示出)。竹仙洞水库表层、中层、底层总体流态相差不大，而在平面上，流态变化较大的是进水口和出水口所在的区域，其他区域整体流体比较平稳，与方案1相比，方案2水库整体流态变化比较明显。
根据对竹仙洞水库方案1的三维水质模拟结果，统计本次模拟的COD、氨氮、TP、TN四个水质因子的空间分布特征，方案1表层水质达标情况如下表所示：
根据对竹仙洞水库方案2的三维水质模拟结果，统计本次模拟的COD、氨氮、TP、TN四个水质因子的空间分布特征，并与方案1进行对比，方案2表层水质模拟结果如下表所示：
通过方案3～方案11的设计，研究不同进水流量、不同进水水质、不同库区水位对污染物扩散作用、对库区水质的影响和变化。方案3～方案7不同进水流量的水质模拟结果如下表所示：
方案8～方案9洪湾泵站不同进水水质的水库水质模拟结果，与方案1的模拟结果进行对比，水库水质对进水水质的响应如下表所示：
结合实际情况进行分析，得出水库优化调度策略，包括水库进水流量、水库进水浓度的控制和水库库区水位的控制：对于水库进水流量，建议控制洪湾泵站进水口流量，增大广昌泵站、南屏水库的进水流量，以控制库区和出水口水质；另外，为保障水库库区的水体流动状况，降低水库库湾区域的污染物、营养盐等的富集强度，建议通过泵站抽水，积极的提高竹仙洞水库的水体流动，避免长时间的水体静止而导致蓝藻、水华现象的发生；对于水库进水浓度的控制，在洪湾泵站进水口污染物浓度下降的情况下，水库整体水质有明显的改善，说明洪湾泵站进水口水质与竹仙洞水库水质有较大的关系，可以理解的，通过模型试算，可以反推进水口水质的控制要求，例如，以河流II类水质进行要求，进水口COD、氨氮、TP、TN浓度应分别控制在16.300mg/L、0.580mg/L、0.127mg/L、0.570mg/L；以湖库II类水质进行要求，洪湾泵站进水口COD、氨氮、TP、TN浓度应分别控制在16.300mg/L、0.580mg/L、0.031mg/L、0.570mg/L；对于水库库区水位的控制建议，水库水体是进入水库污染物的主要承载物体，一般情况下，水库水位的提高，增大了水库库区范围内的水体水量，同时提高了水库水体的纳污能力，对于水质的改善有积极的作用，但是由于竹仙洞水库库区较小，纳污能力不大，水位的变化对纳污能力的影响较小，因此，水库库区水位变化对水质的影响并不明显，建议根据实际的防洪、供水等要求，确定水库库区的控制水位。
本发明实施例通过构建水量-水质综合调度模型，分析不同的调度方式对抽水型水库的水体流态、水体水质的影响，结合模型计算成果，科学、合理的优化调度，调整水库水力滞留时间，改善水体流动性，达到改善水库的水体水质的目的。
根据本发明实施例的河库连通河网地区的水量-水质综合调度方法的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (10)
1.河库连通河网地区的水量-水质综合调度方法，其特征在于，包括以下步骤：
基于静压近似及Boussinesq近似求解三维浅水方程和物质输运方程，构建水量-水质综合调度模型，以求解未知变量，所述未知变量包括自由水面高程、流体速度和被动输运物质浓度矢量；
选取模型计算范围，划分模型计算区域网格，设定模型参数；根据水库水位、流速、流态、水质因子的历史监测数据构建基本方案，设置不同的模型边界以构建对比方案，通过所述水量-水质综合调度模型模拟水库在不同方案下的水量水质的变化情况；根据所述水量-水质综合调度模型运行得到的模拟结果，得到水库的流速、水位、流态和水质因子的空间分布特征，分析并得出水库优化调度策略。
2.根据权利要求1所述的河库连通河网地区的水量-水质综合调度方法，其特征在于：在笛卡尔坐标系统下，所述水量-水质综合调度模型的主要控制方程如下：
其中，(x,y)为水平笛卡尔坐标；z为垂向坐标，向上为正；▽为哈密顿算子；t为时间；η(x,y,t)为自由水面高程；h(x,y)为水深；为水平流速，笛卡尔坐标下两个分量(u,v)；w为垂向流速；f为柯氏力因子；g为重力加速度；ψ(φ,λ)为潮汐势；α为有效地球弹性因子；ρ(x,t)为水的密度，默认参考值ρ0为1025kg/m3；pA(x,y,t)为自由水面大气压强；S,T为水的温度和盐度；υ为垂向涡动粘性系数；μ为水平涡动粘性系数；κ为温度和盐度的垂向涡动扩散系数；Fs,Fh为输移方程中的水平扩散系数；Q为太阳辐射吸收率；Cp为水的比热。
3.根据权利要求2所述的河库连通河网地区的水量-水质综合调度方法，其特征在于：所述主要控制方程在满足以下条件时闭合：(a)水体的密度是其盐度和温度的函数；(b)通过湍流闭合方程组对水平及垂直混合的各系数进行参数化；(c)具有初始及边界条件。
4.根据权利要求2所述的河库连通河网地区的水量-水质综合调度方法，其特征在于：所述水量-水质综合调度模型采用GLS湍流闭合模式，在所述GLS湍流闭合模式中，湍流动能K和通用尺度变量ψ的产生、输运和耗散由以下方程控制：
其中，和vψ为垂直湍流扩散系数；cψ1,cψ2,cψ3为模型中的系数；FW为一个壁函数；M和N分别是剪切力和浮力的频率；ε为耗散率。
5.根据权利要求4所述的河库连通河网地区的水量-水质综合调度方法，其特征在于：所述通用尺度变量的计算公式为：
其中，l为湍流混合长度；p,m,n为常量参数；
在河流、海洋的自由水面及底部，湍流动能和湍流混合长度直接由边界条件决定：
l＝κ0db或者l＝κ0ds
其中，τb为底部摩擦应力；κ0为卡门常数，其值取0.4；B1为常数；db为到水体底部的距离；ds为到自由表面的距离。
6.根据权利要求5所述的河库连通河网地区的水量-水质综合调度方法，其特征在于：在水体表面，内部雷诺应力与外加的剪切应力平衡，且在进行非滑移的河底边界计算时，采用内部雷诺应力与底摩擦应力相平衡的方法，因此，得到边界条件方程：
在z＝η处
在z＝-h处
其中，为内部雷诺应力；τw为外剪切应力；τb为底部摩擦应力。
7.根据权利要求6所述的河库连通河网地区的水量-水质综合调度方法，其特征在于：湍流边界层中底部摩擦应力的计算公式为：
其中，是底部计算单元顶部的流速；CD为拖曳力系数。
8.根据权利要求6所述的河库连通河网地区的水量-水质综合调度方法，其特征在于：通过边界条件将方程(1)及方程(3)耦合起来形成相互耦合方程，方程(3)中的平流项采用欧拉-拉格朗日方法求解，而方程(4)和(5)则采用欧拉-拉格朗日方法或者迎风有限体积法求解。
9.根据权利要求8所述的河库连通河网地区的水量-水质综合调度方法，其特征在于：采用半隐格式对所述相互耦合方程及所述边界条件方程进行时间上的离散化，以求解所述相互耦合方程，经过计算得自由水面高程的方程为：
其中，
根据边界条件和自由水面高程的方程，能够求解出任意节点的水位，然后采用有限元半隐格式解动量方程得到水平方向及垂向上的流速。
10.根据权利要求1所述的河库连通河网地区的水量-水质综合调度方法，其特征在于：所述水质因子包括COD、氨氮、TP和TN。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310617888.2A CN116703072A (zh) | 2023-05-29 | 2023-05-29 | 河库连通河网地区的水量-水质综合调度方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310617888.2A CN116703072A (zh) | 2023-05-29 | 2023-05-29 | 河库连通河网地区的水量-水质综合调度方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116703072A true CN116703072A (zh) | 2023-09-05 |
Family
ID=87831960
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310617888.2A Pending CN116703072A (zh) | 2023-05-29 | 2023-05-29 | 河库连通河网地区的水量-水质综合调度方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116703072A (zh) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104750912A (zh) * | 2015-03-05 | 2015-07-01 | 广东省水利水电科学研究院 | 一种河口区咸淡水比例测量方法 |
| CN111339714A (zh) * | 2020-02-17 | 2020-06-26 | 珠江水利委员会珠江水利科学研究院 | 基于FVCOM和OpenFOAM模型的多尺度水动力耦合方法 |
-
2023
- 2023-05-29 CN CN202310617888.2A patent/CN116703072A/zh active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104750912A (zh) * | 2015-03-05 | 2015-07-01 | 广东省水利水电科学研究院 | 一种河口区咸淡水比例测量方法 |
| CN111339714A (zh) * | 2020-02-17 | 2020-06-26 | 珠江水利委员会珠江水利科学研究院 | 基于FVCOM和OpenFOAM模型的多尺度水动力耦合方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 李程: "基于SELFE模型的海上溢油数值模拟研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》, vol. 2015, no. 2, pages 5 - 67 * |
| 黄广灵: "供水水库水量水质优化调度模式研究", 《广东水利水电》, vol. 2019, no. 12, pages 34 - 39 * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109657418B (zh) | 一种基于mike21的湖泊水环境容量计算方法 | |
| Wu et al. | 3D numerical modeling of flow and sediment transport in open channels | |
| CN110197017A (zh) | 一种城市河流橡胶坝群水生态调控方法 | |
| CN103729565B (zh) | 一种船闸闸室船舶系缆力的数值模拟方法 | |
| CN106446438B (zh) | 一种电厂温排水深水排放的近远区耦合数值模拟方法 | |
| CN102359146B (zh) | 选择性进流水温平抑装置及其水温数值模拟预报方法 | |
| CN110135069B (zh) | 输水隧洞输水时的泥沙特征获取方法、装置、计算机设备 | |
| CN109271672A (zh) | 一种河-湖-泵站相互影响作用下的河道水面线计算方法 | |
| Liu et al. | A coupled model of hydrodynamics and water quality for Yuqiao reservoir in Haihe river basin | |
| CN103136436A (zh) | 考虑泥沙吸附的核素输移扩散分析方法 | |
| CN107256312B (zh) | 一种基于潮流环境下海湾纳潮变化量计算方法 | |
| Wang et al. | Integrated simulation and assessment of water quantity and quality for a river under changing environmental conditions | |
| Maderich et al. | Development and application of 3D numerical model THREETOX to the prediction of cooling water transport and mixing in the inland and coastal waters | |
| Fu et al. | Simulations of the three-dimensional total dissolved gas saturation downstream of spillways under unsteady conditions | |
| CN115034113A (zh) | 一种鱼道休息池结构确定方法及系统 | |
| CN116703072A (zh) | 河库连通河网地区的水量-水质综合调度方法 | |
| Ferrari et al. | Numerical simulation of free surface flows on a fish bypass | |
| Zhang et al. | Water exchange and pollutant diffusion law in Gangnan reservoir | |
| CN108197422B (zh) | 一种半封闭水域的水龄测定方法 | |
| CN115906682A (zh) | 一种基于水动力模型的鱼礁设计优化方法 | |
| CN111122116B (zh) | 一种模拟粗糙次层流速分布的实验装置及确定粗糙次层流速分布的方法 | |
| CN114036870A (zh) | 基于Fluent软件的热液羽流运动特性数值模拟方法 | |
| Sinha et al. | Application of two turbulence closure schemes in the modelling of tidal currents and salinity in the Hooghly Estuary | |
| Smaoui et al. | Comparative study of different advective schemes: Application to the MECCA model | |
| CN106096147A (zh) | 水库生态调度方法和水库坝前取水位的确定方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |