CN117236211A - 一种强潮海岸潟湖弱流区流路多样性分时域提升方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种强潮海岸潟湖弱流区流路多样性分时域提升方法。包括：建立湖区水质数学模型，模拟不同导堤长度下污染物浓度数据；建立导堤长度与污染物浓度时域交换率的相关关系，确定适宜的导堤长度；基于选取的导堤长度建立湖区水动力物理模型，试验不同导堤高程下导堤下游固定断面的流量分布数据，构建不同流路时域多样性系数；建立导堤高程与不同流路时域多样性系数的相关关系，基于该相关关系确定适宜导堤高程。采用本发明方法，可分时域提升强潮海岸潟湖弱流区的流路多样性，解决湖区整体水动力和水质条件无法长效保障的难题。

Description

一种强潮海岸潟湖弱流区流路多样性分时域提升方法

技术领域

本发明涉及强潮海岸潟湖的湖泊水环境治理领域，可为利湖区流路多样化、整体水动力提升、水质改善提供思路方法。

背景技术

强潮海岸潟湖通常水域面积宽广流路单一，边界复杂末端盲肠段众多，易形成湖区弱流区域，频发水动力弱水质差等问题。近年来，许多地方上对潟湖水动力提升水质改善方法都在做积极的探索。如何利用自然潮差动力，并辅以工程调控措施，提升湖区流路多样性，长效解决沿海潟湖水环境问题，是目前亟需解决的难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种强潮海岸潟湖弱流区流路多样性分时域提升方法。

为实现上述技术目的，本发明采用如下方案：

一种强潮海岸潟湖弱流区流路多样性分时域提升方法，包括：

基于污染物浓度输运方程构建湖区水质数学模型，在模型的至少一个弱流区中心区域建立导堤，导堤起点位于固定建筑物，模拟不同导堤长度情况下的水质分布数据，获取T时间后湖区各区域染物浓度数据；

将某一时间段内不同空间之间的污染物总体交换比例定义为污染物浓度时域交换率，计算导堤所在弱流区域在不同导堤长度情况下的污染物浓度时域交换率，建立导堤长度与污染物浓度时域交换率的相关关系，确定适宜的导堤长度；

结合确定的导堤长度建立湖区水动力物理模型，设置不同导堤高程方案开展水动力物理模型试验，记录弱流区某固定断面通过的流量分布数据；

基于所述流量分布数据构建表征纳排潮过程中导堤下游区域固定断面过流流量分布的流路时域多样性系数，建立高程与流路时域多样性系数的相关关系，确定适宜的导堤高程。

作为一种优选的实施方式，水质数学模型的模型范围包括全湖区及口外海域，水质数学模型模拟采用外海实测大潮潮型，将纳潮、排潮工况组合形成恒定流工况。大潮与多年平均潮型下湖区流场变化过程基本相同，仅对比不同方案下的流场与污染物输运对比时，可采用实测大潮工况。纳潮工况受上游入流驱动，强流动区主要集中在上游；而排潮工况受下游出流驱动，强流动区主要集中在下游。将纳潮、排潮工况组合形成恒定流工况，以更为直观的剖析湖区水动力及污染物输运格局。

作为一种优选的实施方式，建立水质数学模型后，采用实测湖区水文数据对模型进行验证。进一步的，水质数学模型采用实测纳潮、排潮水位过程进行验证，对比试验水位与实测水位是否存在偏差，若存在偏差，通过调整数学模型糙率，直至试验水位与实测水位相吻合。

作为一种优选的实施方式，水质数学模型模拟时，设置导堤顶不过水，模拟的最大导堤长度保证在导堤末端处保留大于预设尺寸的通道。

作为一种优选的实施方式，所述导堤平面上位于弱流区中心区域，呈直线分布。

作为一种优选的实施方式，将导堤所在弱流区域划分为若干个统计区域后，基于下式计算污染物浓度时域交换率；

其中，n为导堤所在弱流区划分的统计区域数目，i为各区域编号，C_i为区域i冲刷后的污染物浓度，h_i为区域i的平均水深，C_0i为区域i初始污染物浓度、S_i为区域i面积。

作为一种优选的实施方式，水动力物理模型试验采用湖区多年平均潮型，纳潮、排潮工况为实际的非恒定流工况。

作为一种优选的实施方式，建立导堤长度与污染物浓度时域交换率之间相关关系曲线后，根据预设的污染物浓度时域交换率阈值，在曲线中查找对应的导堤长度，作为确定的导堤长度。进一步的，污染物浓度时域交换率阈值为90％。

作为一种优选的实施方式，物理模型范围包括口门外一定海域范围及全湖区范围，使得物理模型可以模拟外海涨落潮情形下湖区纳潮、排潮情况。根据纳潮排潮通道在物理模型中最小宽度大于5cm，确定物理模型的最大平面比尺；根据物理模型拟采用的场地面积，进一步确定物理模型平面比尺λ_l。根据物理模型中最小水深大于3cm，确定物理模型的垂向比尺λ_h。根据模型重力相似，确定模型流速比尺为根据模型阻力相似，确定模型糙率比为尺/>根据水流运动相似，确定模型时间比尺为/>流量比尺为

根据上述比尺，制作物理模型，进行人工加糙，采用纳潮、排潮的水位过程对物理模型进行验证，对比试验水位与实测水位是否存在偏差，若存在偏差，通过调整模型糙率，直至试验水位与实测水位相吻合。

作为一种优选的实施方式，在水动力物理模型中，所述导堤设置为潜堤形式，将导堤分为若干段，每一段导堤与前一段导堤有高程差。

进一步的，导堤各段长度为200-400m之间，各段高程进行连续等距离阶梯型设置，末端阶梯高程最小，朝首端递增，相邻梯级高差固定为0.06m。

作为一种优选的实施方式，在导堤下游弱流区选取固定断面，设置流速及水位观测仪器，记录固定断面上各点水流流经该断面时流速、水深数据，从而获取流量分布数据。

作为一种优选的实施方式，将所述固定断面划分为若干小段，基于下式计算流路多样性时域系数：

式中，m为断面划分的数目；i为断面序号；T为一次纳潮、排潮的总时间；h_i为断面中i段的平均水深；l_i为断面中i段的长度。

作为一种优选的实施方式，建立高程与流路时域多样性系数的相关关系曲线后，根据预设的流路时域多样性系数阈值，在曲线中查找对应的导堤高程，确定适宜的导堤高程。一次纳潮、排潮过程中，湖区水位会随着时间先涨后落。当水位较低时，水流沿着导堤流动；当水位较高时，水流越过导堤形成新的水流路径。所以水流可在不同的时间段经不同的区域流，使流路多样性分时域得到了提升。进一步的，流路时域多样性系数阈值为50％。当流路多样性时域系数λ＝0.5时，湖区各区域流经水量相等，湖区流路多样性得到最大的提升，确定此时导堤高程为适宜的导堤高程。

本发明针对强潮海岸潟湖中湖区面积一般较大且流路单一、常存在多处弱流区等问题，提出一种提升湖区流路多样性，改善湖区水动力的方法，利用水质数学模型和水动力物理模型，通过定义污染物浓度时域交换率和流路时域多样性系数，确定适宜的导堤长度和导堤高程，由此得到了导堤设计的全部参数，该过程经过了严密的模型试验与相关关系论证，结果可靠。该方法可应用于强潮海岸潟湖区域中，通过自然潮动力对潟湖弱流区流路多样性分时域进行提升，解决湖区整体水动力和水质条件无法长效保障的难题，对长效改善湖区整体水动力与水质条件有重要意义。

附图说明

图1为筼筜湖湖区现状流路图。

图2为水质数学模型范围图。

图3为水质数学模型试验图。

图4为导堤长度与污染物浓度时域交换率相关关系曲线。

图5为物理模型布置图与现场照片。

图6为水动力物理模型试验流场图(H＝-0.2m)。

图7为导堤高程与流路时域多样性系数的关系曲线图。

图8为湖区流路多样性示意图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面以福建省厦门市筼筜湖湖区流路多样性分时域提升为例，并结合附图和具体实施推论来解说本发明。

筼筜湖是厦门本岛最大的潟湖，其海湾口修筑了一条南北向的海堤(西堤)，基本为一封闭的水域。因此水流不畅是筼筜湖水体污染一个重要的因素，为搞活水体，建有纳潮渠，在外海潮位高于湖水位时引海水入湖，在外海潮位低于湖水位时，湖水排向外海，从而改善湖水的循环交换。现状条件下，引入的水体流经纳潮渠后，并不深入干渠区域，而是随着水势从内湖左汊流入外湖，所以湖区内仍存在两处明显的弱流区域：干渠区域和内湖右汊区域，如图1。采用本发明的方法实现流路多样性分时域提升，包括如下步骤：

(1)建立湖区水质数学模型并进行验证。

结合污染物浓度变化方程，建立湖区水质数学模型，污染物浓度变化方程如下所示：

式中：C为污染物浓度；S_e为源汇以及生物降解、反应项；ε_xx，ε_xy，ε_yy，ε_yx为紊动扩散系数，采用下列公式计算：

采用CC方式(Cell Center)的有限体积方法，把变量存在单元的中心，单元的边界为控制体。模型离散求解采用MP法则，利用空间重构和两步Runge-Kutta法，可以得到时空均为二阶精度的离散方程：

式中，G为变量在单元内的分布梯度；为中间变量，W(...)为空间离散后的右端项。

水质变化方程采用有限体积离散方法进行离散：

数学模型采用实测纳潮、排潮水位过程进行验证，对比试验水位与实测水位是否存在偏差，若存在偏差，通过调整数学模型糙率，直至试验水位与实测水位相吻合。

本实施例中，数学模型空间采用非结构网格，模型范围包括全湖区及口外海域，其中外海网格尺度20m，外湖网格尺度5～8m，导流渠(纳潮渠)网格尺度3～6m左右，内湖网格尺度5～10m，干渠网格尺度3～6m，工程(干渠中建导堤处)局部网格1.5～2m，以保证计算精度，计算单元数合计10万个左右，如图2。

(2)开展水质数学模型试验，获取水质分布数据。

大潮与多年平均潮型下湖区流场变化过程基本相同，仅对比不同方案下的流场与污染物输运时，可采用实测大潮工况。纳潮工况受上游入流驱动，强流动区主要集中在上游；而排潮工况受下游出流驱动，强流动区主要集中在下游。将纳潮、排潮工况组合形成恒定流工况(通过纳排潮组合，一边纳潮一边排潮，使流量一定，即湖区水面高程不会变化)，以为更为直观的剖析湖区水动力及污染物输运格局。

为提升干渠及内湖右汊水动力，改善其水环境，解决方案为将纳潮渠导堤进一步延长(图中虚线部分)，即将高流速区延伸至干渠内。在筼筜湖中，纳潮渠是一个固定建筑物，以其为新建导堤的起点建立导堤，干渠为筼筜湖弱流区的中心区域，因此将导堤延伸到干渠内。

为探究导堤长度L对水质的影响，对导堤延长300m、450m、600m、750m、900m、1050m、1200m七种方案进行纳潮、排潮恒定流下的水质数学模型试验，如图3。

将干渠分为5个统计区域，对其面积S_i、平均水深h_i、初始污染物浓度C_0i、以及不同导堤长度下试验冲刷48h后的污染物浓度C_i进行统计，结果如表1所示。

表1数学模型试验数据

(3)建立导堤长度与污染物浓度时域交换率的相关关系，确定适宜导堤长度

定义污染物浓度时域交换率η如下，其表征导堤所处区域某一时间段内的污染物总体交换比例：

n为导堤所在弱流区划分的统计区域数目，统计区域为自行划分，本实施例中n＝5；i为各区域编号，i＝1,2,3,4,5；C_i为区域i冲刷后的污染物浓度，h_i为区域i的平均水深，C_0i为区域i初始污染物浓度、S_i为区域i面积。

显然，试验开始前污染物浓度时域交换率η＝0％，理想状态下当达到0时，污染物浓度交换率η＝100％。

计算各导堤长度对应的污染物浓度时域交换率大小，将两者对应数值拟合为相关关系曲线，从关系曲线中可读取任意污染物浓度交换率下的导堤长度。湖区整治时，确定污染物浓度时域交换率η＝90％时的导堤长度为适宜的导堤长度。

本实施例中，利用上述试验数据即可得到不同导堤长度下的污染物浓度时域交换率，计算结果如表2所示：

表2不同导堤长度下的污染物浓度时域交换率

将导堤长度L与污染物浓度时域交换率η相互拟合，形成一条单调递增的曲线，如图4，说明导堤长度直接关系到弱流区改善的范围，且导堤长度越长则弱流区(特别是顶部缓流区)的交换越充分，污染物浓度也能有效降低。认为当污染物浓度时域交换率η≥90％时，湖区水质即可要求，于是读取η＝90％下的导堤长度800m作为适宜的导堤设计长度。

(4)建立湖区水动力物理模型，并进行模型验证

物理模型范围需要包括口门外一定海域范围及全湖区范围，使得物理模型可以模拟外海涨落潮情形下湖区纳潮、排潮情况。根据纳潮排潮通道在物理模型中最小宽度大于5cm，确定物理模型的最大平面比尺；根据物理模型拟采用的场地面积，进一步确定物理模型平面比尺λ_l。根据物理模型中最小水深大于3cm，确定物理模型的垂向比尺λ_h。

根据模型重力相似，确定模型流速比尺为根据模型阻力相似，确定模型糙率比为尺/>根据水流运动相似，确定模型时间比尺为/>流量比尺为

根据上述比尺，制作物理模型，进行人工加糙，采用纳潮、排潮的水位过程对物理模型进行验证，对比试验水位与实测水位是否存在偏差，若存在偏差，通过调整模型糙率，直至试验水位与实测水位相吻合。

本实施例中，考虑模型的相似性和模型试验大厅条件，物理模型的平面比尺λ_l为1：80。湖区日常最低模拟水位为-0.7m，而筼筜湖主要流动区靠近边滩处为-1～-1.5m，取-1.2m，即最小原型水深取0.5m左右，则模型垂直比尺不宜大于33。同时考虑到双向泵抽排能力、模型及蓄水池挡墙高程等因素，最后取模型垂直比尺λ_h＝20。物理模型其它各项比尺经前文所述公式计算得到，如下表3所示：

表3物理模型相似比尺

建立的物理模型布置图与现场照片如图5所示。

(5)开展水动力物理模型试验，获取水动力分布数据

水动力物理模型试验采用多年平均潮型，纳潮、排潮工况为实际的非恒定流工况。

设计导堤垂向形态，设置为连续阶梯型布置。按照导堤长度将导堤分成N段，从起点至末端分别定义为第i段，i取值范围为1至N，各段长度为200-400m之间，各段高程进行连续等距离阶梯型设置，末端阶梯高程最小，朝首端递增，相邻梯级高差固定为0.06m。

设置系列的首段梯级高程H，高差间隔为0.05m左右，开展不同导堤高程下水动力物理模型试验，在导堤下游弱流区选取固定断面，设置流速及水位观测仪器，记录固定断面上各点水流流经该断面时流速、水深数据。

本实施例中，将导堤做成潜堤的形式，由步骤(3)确定导堤的长度为800m，将导堤分为4段，则每一段导堤与前一段的高程差为0.06m。当水位较低时水流顺着导堤进入干渠，然后由湖心岛右汊流入外湖(流路如图8中蓝色线段所示)；当水位升高后水流淹没导堤由湖心岛左汊流入外湖(流路如图8中红色线段所示)。固定断面选取在红色虚线位置，平均分为4段。导堤高程设计方案如表4所示，记录在不同方案下，一次纳、排潮过程中水流通过各段的流量数据，方案三的水动力物理模型试验流场如图6(第一段导堤高程H＝-0.2m)。

表4导堤高程设计方案

(6)建立导堤高程与流路多样性时域系数的相关关系，确定适宜的导堤高程。

一次纳潮、排潮过程中，湖区水位会随着时间先涨后落。当水位较低时，水流沿着导堤流动；当水位较高时，水流越过导堤形成新的水流路径。所以水流可在不同的时间段经不同的区域流，使流路多样性分时域得到了提升。

定义流路多样性时域系数λ如下，其表征了纳排潮过程中导堤下游区域典型断面过流流量分布：

式中，m为断面划分的数目，如步骤(5)所示，在导堤下游弱区域选取一固定断面，将断面分为m小段，本实施例中m＝4；i为断面序号，本实施例中i＝1,2,3,4；T为一次纳潮、排潮的总时间；h_i为断面中i段的平均水深；l_i为断面中i段的长度。

计算不同导堤高程对应的流路多样性时域系数，将两者对应数值拟合为相关关系曲线，从关系曲线中可读取任意流路多样性系数下的导堤高程。当流路多样性时域系数λ＝0.5时，湖区各区域流经水量相等，湖区流路多样性得到最大的提升，确定此时导堤高程为适宜的导堤高程。

本实施例中，根据实测数据计算得出不同导堤高程时流路时域多样性系数，结果如表5所示：

表5流路时域多样性系数计算表

将导堤首段高程H与流路多样性系数λ相互拟合，形成一条单调递增的曲线，如图7，说明导堤高程直接关系到不同流路的行水流量，且导堤越低则湖心岛左汊行水流量越大。当流路时域多样性系数λ为0.5时，湖区内两条流路行水流量相等，此时认为其流路时域多样性提升最大。根据相关曲线图，读取λ＝0.5下的导堤高程-0.26m为导堤首段设计高程，则可以计算出导堤各段高程为：-0.26m、-0.32m、-0.38m、-0.44m。

综上所述，导堤应分为四段，各段长200m，总长800m，各段高程分别为-0.26m、-0.32m、-0.38m、-0.44m。涨潮初期，水流将沿导堤进入筼筜湖干渠再由湖心岛右汊流入外湖(导堤长度可满足干渠污染物浓度交换率大于90％)；水位到一定高度后，水流没过导堤，流经湖心岛左汊再流入外湖(导堤高程可满足湖心岛左、右两汊过水流量相等)。通过使用本发明方法，筼筜湖湖区流路多样性分时域提升，湖区各区域均产生水体交换，解决了湖区流路单一、弱流区水动力弱水质差的问题。

Claims (10)

1.一种强潮海岸潟湖弱流区流路多样性分时域提升方法，其特征在于，包括：

基于污染物浓度输运方程构建湖区水质数学模型，在模型的至少一个弱流区中心区域建立导堤，导堤起点位于固定建筑物，模拟不同导堤长度情况下的水质分布数据，获取T时间后湖区各区域染物浓度数据；

将某一时间段内不同空间之间的污染物总体交换比例定义为污染物浓度时域交换率，计算导堤所在弱流区域在不同导堤长度情况下的污染物浓度时域交换率，建立导堤长度与污染物浓度时域交换率的相关关系，确定适宜的导堤长度；

结合确定的导堤长度建立湖区水动力物理模型，设置不同导堤高程方案开展水动力物理模型试验，记录弱流区某固定断面通过的流量分布数据；

基于所述流量分布数据构建表征纳排潮过程中导堤下游区域固定断面过流流量分布的流路时域多样性系数，建立高程与流路时域多样性系数的相关关系，确定适宜的导堤高程。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，水质数学模型的模型范围包括全湖区及口外海域，水质数学模型模拟采用外海实测大潮潮型，将纳潮、排潮工况组合形成恒定流工况。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，建立水质数学模型后，采用实测湖区水文数据对模型进行验证。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，水质数学模型模拟时，设置导堤顶不过水，模拟的最大导堤长度保证在导堤末端处保留大于预设尺寸的通道。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将导堤所在弱流区域划分为若干个统计区域后，基于下式计算污染物浓度时域交换率；

其中，n为导堤所在弱流区划分的统计区域数目，i为各区域编号，C_i为区域i冲刷后的污染物浓度，h_i为区域i的平均水深，C_0i为区域i初始污染物浓度、S_i为区域i面积。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，水动力物理模型试验采用湖区多年平均潮型，纳潮、排潮工况为实际的非恒定流工况。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，建立导堤长度与污染物浓度时域交换率之间相关关系曲线，根据预设的污染物浓度时域交换率阈值，在曲线中查找对应的导堤长度，作为确定的导堤长度。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在水动力物理模型中，所述导堤设置为潜堤形式，将导堤分为若干段，每一段导堤与前一段导堤有高程差。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述固定断面划分为若干小段，基于下式计算流路多样性时域系数：

式中，m为断面划分的数目；i为断面序号；T为一次纳潮、排潮的总时间；h_i为断面中i段的平均水深；l_i为断面中i段的长度。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，建立高程与流路时域多样性系数的相关关系曲线，根据预设的流路时域多样性系数阈值，在曲线中查找对应的导堤高程，确定适宜的导堤高程。