CN117252121A - 一种基于水流雷诺数的鱼卵漂流数值模拟及验证方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于水流雷诺数的鱼卵漂流数值模拟及验证方法，该方法包括：获取基础数据；构建目标河段的水动力模型并验证；设置影响鱼卵漂流的作用力；设置鱼卵漂流的水流雷诺数判别条件；设置鱼卵投放规则；耦合水动力模块和拉格朗日粒子追踪模块，开始鱼卵漂流模拟；提取鱼卵位置坐标，验证鱼卵漂流模拟结果；调整水流雷诺数设置值，提高模型精度。本方法克服了现有鱼卵漂流模拟方法仅考虑流速单一因子对鱼卵漂流影响的缺陷，引入综合考虑流速、水深等多种影响因子的水流雷诺数阈值，实现了对目标鱼类物种的鱼卵漂流更精准的模拟。
Description
技术领域
本发明涉及鱼卵漂流数值模拟技术领域，尤其涉及一种基于水流雷诺数的鱼卵漂流数值模拟及验证方法。
背景技术
产漂流性卵鱼类(如青、草、鳙、鲢四大家鱼)的受精卵需要一定的漂流时间和距离，在顺水漂流过程中孵化、发育，以完成自然繁殖过程。因此，保证河流中漂流性鱼卵安全漂流的水动力条件是关键，而数值模拟方法则是实现漂流性鱼卵漂流情况模拟的有效手段，对于生态流量目标制定和鱼类多样性保护具有重要支撑作用。
早期实验研究表明，流速对于鱼卵漂流起决定性作用，并认为鱼卵安全漂流的临界流速阈值介于0.2-0.25m/s，在此基础上，现有模拟方法多仅考虑流速这一单一因子，采用流速大于0.2m/s或0.25m/s作为判别鱼卵能否成功漂流的参数/条件。
然而，最新的研究表明：水温、水深、水面宽等因素同样对鱼卵漂流存在不同程度的影响，并提出对于浅水河流，水流雷诺数达到8万左右时，鱼卵可实现安全漂流。
因此，基于流速的现有鱼卵漂流数值模拟方法存在一定的局限性，应引入综合考虑了多种影响因子的水流雷诺数阈值，进一步提高模拟效果。
发明内容
本发明所要解决的是：基于流速的现有鱼卵漂流数值模拟方法存在一定的局限性，无法准确模拟出漂流性鱼卵漂流情况的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于水流雷诺数的鱼卵漂流数值模拟及验证方法，具体步骤包括：
S1：获取基础数据；
S2：构建目标河段的水动力模型并验证；
S3：设置影响鱼卵漂流的作用力；
S4：设置鱼卵漂流的水流雷诺数判别条件；
S5：设置鱼卵投放规则；
S6：耦合水动力模块和拉格朗日粒子追踪模块，开始鱼卵漂流模拟；
S7，提取鱼卵位置坐标，验证鱼卵漂流模拟结果；
S8，调整水流雷诺数设置值，提高模型精度。
在本发明的一个优选实施方式中，S1中获取基础数据具体包括：获取目标河段的流量、水位的实测水文数据，以及河道地形数据；搜集目标鱼类的鱼卵比重、沉速的物理参数资料，尽可能获取该河段鱼卵采样数据。
进一步地，S2中水动力模型的构建方法为：根据搜集的基础资料，利用MIKE软件，对目标河段进行网格划分，构建MIKE21水动力模型，调整糙率、涡粘系数等内置参数后，启动模型，获得对应的水动力模拟结果；
验证方法为：选取代表性点位对水动力模拟结果的流量、水位进行验证，直至水动力模拟结果准确性达标。
进一步地，S3中，根据最新实验研究，以水流雷诺数作为判别鱼卵能否安全漂流的条件更加合理，水流雷诺数计算公式如下所示：
式中：ρ为流体密度(kg/m3)；v为流体的平均流速(m/s)；d为特征长度(m)，由断面形状决定；μ为流体的动力黏滞系数，与温度相关(Pa·s)；
可以看出，影响鱼卵漂流的作用力包括流速、水深和水面宽，在MIKE软件的ECOLab模块中进行设置。
进一步地，S4中，设置鱼卵漂流的水流雷诺数判别条件的具体方法为：根据目标鱼类的鱼卵沉速等物理参数，在MIKE软件的拉格朗日粒子追踪模块中，引入并设置水流雷诺数判别条件，水流雷诺数判别条件如下所示：
式中：ρ为水体密度(g/m3)；vm为模拟流速(m/s)；hm为模拟水深(m)；μ为不同水温条件下的动力黏滞系数；Rec为水流雷诺数设置值；u为鱼卵垂向沉降速度(m/s)；
表示当水流雷诺数条件大于设置值时漂流性鱼卵保持悬浮不下沉，当水流雷诺数条件小于设置值时鱼卵以一定的速度下沉。
进一步地，S5中，根据实际需要或采用常规方式，设置漂流性鱼卵的投放规则，包括鱼卵投放数量、位置、时段和投放方式。
进一步地，S6中，鱼卵漂流模拟方法为：在S1-S5设置的基础上，耦合水动力模块与拉格朗日粒子追踪模块，开始鱼卵漂流模拟，并选择模型输出项目，得到鱼卵漂流模拟结果。
进一步地，S7中，验证鱼卵漂流模拟结果：此为可选择步骤，若S1中掌握了目标河段鱼卵采样数据，可考虑估算鱼卵采集率，与模拟结果进行对比验证；首先利用Python代码提取模型结果中鱼卵最终位置的经纬度坐标，导入Excel表格后，再利用筛选功能与收集断面经纬度坐标进行对比，判断通过收集断面的鱼卵数量，计算断面鱼卵通过率。
进一步地，S8中，提高模型精度：此为可选择步骤，在S7的基础上，根据验证结果，在合理范围内调整模型的水流雷诺数设置值，进一步提高模型的模拟精度。
实施本发明，具有如下有益效果：
本申请提供了一种基于水流雷诺数的鱼卵漂流数值模拟及验证方法，以构建目标河流水动力模型为基础，将水流雷诺数阈值引入拉格朗日粒子追踪模块，耦合水动力模块与拉格朗日粒子追踪模块进行鱼卵漂流模拟；
本方法克服了现有鱼卵漂流模拟方法仅考虑流速单一因子对鱼卵漂流影响的缺陷，引入综合考虑流速、水深等多种影响因子的水流雷诺数阈值，实现了对目标鱼类物种的鱼卵漂流更精准的模拟。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的基于水流雷诺数的鱼卵漂流数值模拟及验证方法的流程示意图；
图2为实施例模型计算区域网格划分和插值后河段地形图；
图3为目标河段收集断面模拟与实测流速、水位对比；
图4为八种水流雷诺数设置值条件下鱼卵漂流模拟结果；
图5为鱼卵漂流输出文件鱼卵坐标提取代码图片；
图6为提取后的鱼卵最终位置坐标txt文件图片。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参见图1，图1为本发明提供的基于水流雷诺数的鱼卵漂流数值模拟及验证方法的流程示意图；本发明提供了一种基于水流雷诺数的鱼卵漂流数值模拟及验证方法，具体步骤包括：
S1、获取基础数据：
具体包括：获取目标河段的流量、水位的实测水文数据，以及河道地形数据；搜集目标鱼类的鱼卵比重、沉速的物理参数资料，尽可能获取该河段鱼卵采样数据。
S2：构建目标河段的水动力模型并验证：
水动力模型的构建方法为：根据搜集的基础资料，利用MIKE软件，对目标河段进行网格划分，构建MIKE21水动力模型，调整糙率、涡粘系数的内置参数后，启动模型，获得对应的水动力模拟结果；
验证方法为：选取代表性点位对水动力模拟结果的流量、水位进行验证，直至水动力模拟结果准确性达标。
S3：设置影响鱼卵漂流的作用力：
根据最新实验研究，以水流雷诺数作为判别鱼卵能否安全漂流的条件更加合理，水流雷诺数计算公式如下所示：
式中：ρ为流体密度(kg/m3)；v为流体的平均流速(m/s)；d为特征长度(m)，由断面形状决定；μ为流体的动力黏滞系数，与温度相关(Pa·s)；
可以看出，影响鱼卵漂流的作用力包括流速、水深和水面宽，在MIKE软件的ECOLab模块中进行设置。
S4：设置鱼卵漂流的水流雷诺数判别条件：
根据目标鱼类的鱼卵沉速等物理参数，在MIKE软件的拉格朗日粒子追踪模块中，引入并设置水流雷诺数判别条件，水流雷诺数判别条件如下所示：
式中：ρ为水体密度(g/m3)；vm为模拟流速(m/s)；hm为模拟水深(m)；μ为不同水温条件下的动力黏滞系数；Rec为水流雷诺数设置值；u为鱼卵垂向沉降速度(m/s)；
表示当水流雷诺数条件大于设置值时漂流性鱼卵保持悬浮不下沉，当水流雷诺数条件小于设置值时鱼卵以一定的速度下沉。
S5：设置鱼卵投放规则：
根据实际需要或采用常规方式，设置漂流性鱼卵的投放规则，包括鱼卵投放数量、位置、时段和投放方式。
S6：耦合水动力模块和拉格朗日粒子追踪模块，开始鱼卵漂流模拟：
在S1-S5设置的基础上，耦合水动力模块与拉格朗日粒子追踪模块，开始鱼卵漂流模拟，并选择模型输出项目，得到鱼卵漂流模拟结果。
S7：提取鱼卵位置坐标，验证鱼卵漂流模拟结果：
此为可选择步骤，若S1中掌握了目标河段鱼卵采样数据，可考虑估算鱼卵采集率，与模拟结果进行对比验证；首先利用Python代码提取模型结果中鱼卵最终位置的经纬度坐标，导入Excel表格后，再利用筛选功能与收集断面经纬度坐标进行对比，判断通过收集断面的鱼卵数量，计算断面鱼卵通过率。
S8：调整水流雷诺数设置值，提高模型精度：
此为可选择步骤，在S7的基础上，根据验证结果，在合理范围内调整模型的水流雷诺数设置值，进一步提高模型的模拟精度。
下面采用具体实施例来具体解释本申请的技术方案：
具体实施例
本发明的基于水流雷诺数的鱼卵漂流数值模拟及验证方法包括以下步骤：
S1：以位于北京市凉水河长度约750m的河段(东经116°34′，北纬39°86′)为目标河段，利用GPS高程测量仪测量得到21组河道断面经纬度坐标数据，并在目标河段开展多组模型鱼卵漂流实验，获得鱼卵采样数据。由于此实施例中所用漂流性鱼卵为模型鱼卵(材料为海藻酸钠，比重与直径与草鱼卵相似)，故模型鱼卵沉速采用文献中实验测得的草鱼卵沉速。
S2：按照图1实线箭头指示构建目标河段的水动力模型，并对水动力模拟结果进行验证。
本次模拟采用三角形网格，利用MIKE模型自带的网格生成器(Mesh Generator)进行网格划分，将目标河段划分为1539个网格，包含944个节点。对目标河段21个断面的209个原始数据处理后，输入至模型中，基于划分后的网格进行地形插值，模型计算区域网格划分和插值后河段地形图，请参见图2。
由于本次模拟河段较短，结合实际情况，本次模拟不考虑风场、降雨、蒸发等因素，水动力模块重要参数设置如下：
(1)时间步长：采用2021年10月11日至10月27日水位、流量数据开展水动力模拟，进行参数率定和验证，时间步长设为600s。
(2)干湿水深：参考相关研究，本次模拟定义干水深为0.005m，即某点水深小于0.005m时不参与水动力模拟计算；淹没水深为0.05m，即某点水深介于0.005-0.05m时只参与水流连续性方程计算；湿水深为0.1m，即某点水深大于0.1m时正常参与计算。
(3)涡粘系数：涡粘系数(A)将平均流场和雷诺应力通过涡粘度相结合以模拟湍流运动，可采用Smagorins实验公式估算，本次模拟涡粘系数的取值为0.28m2/s。
(4)河床糙率：河床糙率是水动力数值模拟计算中十分重要的影响因素，与河床形态、床底植被条件等因素有关，由于目标河段长度较短，且河床形态等因素差异不大，参考相关研究文献和目标河段实际情况，经率定后取曼宁系数为0.022，即河床糙率为46。
参数设置完毕后，进行目标河段水动力模拟，并对水动力模拟结果进行验证，判断水动力模拟结果的精度是否能够满足要求。目标河段鱼卵收集断面河心模拟与实测流速、水位对比请参见图3所示。
目标河段鱼卵收集断面位于河中心处东经116°35′09″84″′，北纬39°86′05″93″′，整体上看目标河段流速、水位模拟结果与实测流速数据变化趋势基本相似，相对误差较小，能够实现对目标河段水动力条件的较好模拟。
S3：由于凉水河实验河段水面宽远大于水深(水面宽/水深≈50)，水流雷诺数主要由流速和水深控制，此时雷诺数公式可简化为：
式中：ρ为流体密度(kg/m3)；v为流体的平均流速(m/s)；h为平均水深(m)；μ为流体的动力黏滞系数，与温度相关(Pa·s)。
因此本次模拟作用力仅设置流速和水深两项，流速和水深皆采用水动力模块的模拟结果。
S4：模型鱼卵的垂向运动状态根据水动力模拟结果计算的水流雷诺数判别，参考最新实验研究成果，在目标河段的鱼卵漂流模拟中设置不同情景的水流雷诺数判别条件，如表1所示。
表1不同情景下水流雷诺数判别条件设置
水流雷诺数判别条件如下式所示，表示当水流雷诺数条件大于情景设置值时漂流性卵保持悬浮不下沉，当水流雷诺数条件小于情景设置值时模型鱼卵以0.0075m/s的速度下沉。
式中：ρ为水体密度(g/m3)；vm为模拟流速(m/s)；hm为模拟水深(m)；μ为动力黏滞系数，本次模拟取1.31，对应水温10℃；Rec为不同情景下水流雷诺数判别条件设置值；u为粒子垂向沉降速度(m/s)。
S5：为控制模型计算时间，本次模拟采用单次投放200颗模型鱼卵的方式，模拟开始时，分别在目标河段模型鱼卵投放断面河心位置水面上一次性投放完毕。
S6：上述设置完毕后，在MIKE软件中耦合水动力模块和拉格朗日粒子追踪模块，采用2021年10月28日水位、流量数据进行鱼卵漂流模拟，为保证鱼卵漂流达到最终状态，单次鱼卵漂流模拟时间设为1小时40分钟，时间步长为30s。输出的鱼卵漂流结果文件为txt格式，包含不同模拟时间的200颗鱼卵的经纬度坐标数据，鱼卵漂流模拟结果如图4所示。
S7：借助图5中的Python代码，提取鱼卵漂流结果文件中各鱼卵的经纬度坐标数据，生成txt格式文件，如图6所示，并利用“从文本/CSV”功能导入Excel表格，再利用筛选功能与收集断面经纬度坐标数据对比，判断鱼卵最终是否通过收集断面，并统计数量，计算鱼卵通过率，不同情景水流雷诺数判别条件下目标河段鱼卵漂流模拟结果见表2。
表2不同情景下目标河段鱼卵漂流模拟结果
需要注意的是，对于结果文件中缺少经纬度坐标数据的鱼卵，说明其已经通过收集断面。
S8，根据不同情景下目标河段鱼卵漂流模拟结果，水流雷诺数判别条件设置值介于8.25-8.5×104时，通过收集断面的模型鱼卵数量在106-124之间，通过率为53.0-62.0％，此时鱼卵漂流模拟结果与实验平均结果基本一致，可采用该范围的阈值进行后续的鱼卵漂流模拟，以提高模拟精度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于水流雷诺数的鱼卵漂流数值模拟及验证方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：获取基础数据；
S2：构建目标河段的水动力模型并验证；
S3：设置影响鱼卵漂流的作用力；
S4：设置鱼卵漂流的水流雷诺数判别条件；
S5：设置鱼卵投放规则；
S6：耦合水动力模块和拉格朗日粒子追踪模块，开始鱼卵漂流模拟；
S7，提取鱼卵位置坐标，验证鱼卵漂流模拟结果；
S8，调整水流雷诺数设置值，提高模型精度。
2.根据权利要求1所述的基于水流雷诺数的鱼卵漂流数值模拟及验证方法，其特征在于，所述S1中，获取基础数据具体包括：获取目标河段的流量、水位的实测水文数据，以及河道地形数据；搜集目标鱼类的鱼卵比重、沉速的物理参数资料，尽可能获取该河段鱼卵采样数据。
3.根据权利要求2所述的基于水流雷诺数的鱼卵漂流数值模拟及验证方法，其特征在于，所述S2中，水动力模型的构建方法为：根据搜集的基础资料，利用MIKE软件，对目标河段进行网格划分，构建MIKE21水动力模型，调整糙率、涡粘系数的内置参数后，启动模型，获得对应的水动力模拟结果。
4.根据权利要求3所述的基于水流雷诺数的鱼卵漂流数值模拟及验证方法，其特征在于，验证方法为：选取代表性点位对水动力模拟结果的流量、水位进行验证，直至水动力模拟结果准确性达标。
5.根据权利要求4所述的基于水流雷诺数的鱼卵漂流数值模拟及验证方法，其特征在于，所述S3中设置影响鱼卵漂流的作用力，以水流雷诺数作为判别鱼卵能否安全漂流的条件，水流雷诺数计算公式如下所示：
式中：ρ为流体密度(kg/m3)；v为流体的平均流速(m/s)；d为特征长度(m)，由断面形状决定；μ为流体的动力黏滞系数，与温度相关(Pa·s)；
可以看出，影响鱼卵漂流的作用力包括流速、水深和水面宽，在MIKE软件的ECO Lab模块中进行设置。
6.根据权利要求5所述的基于水流雷诺数的鱼卵漂流数值模拟及验证方法，其特征在于，所述S4中设置鱼卵漂流的水流雷诺数判别条件的具体方法为：
根据目标鱼类的鱼卵沉速等物理参数，在MIKE软件的拉格朗日粒子追踪模块中，引入并设置水流雷诺数判别条件，水流雷诺数判别条件如下所示：
THEN u＝0，ELSE u＝X
式中：ρ为水体密度(g/m3)；vm为模拟流速(m/s)；hm为模拟水深(m)；μ为不同水温条件下的动力黏滞系数；Rec为水流雷诺数设置值；u为鱼卵垂向沉降速度(m/s)；
表示当水流雷诺数条件大于设置值时漂流性鱼卵保持悬浮不下沉，当水流雷诺数条件小于设置值时鱼卵以一定的速度下沉。
7.根据权利要求6所述的基于水流雷诺数的鱼卵漂流数值模拟及验证方法，其特征在于，所述S5中设置鱼卵投放规则的具体方法为；根据实际需要或采用常规方式，设置漂流性鱼卵的投放规则，包括鱼卵投放数量、位置、时段和投放方式。
8.根据权利要求7所述的基于水流雷诺数的鱼卵漂流数值模拟及验证方法，其特征在于，所述S6中鱼卵漂流模拟的方法为：在S1-S5设置的基础上，耦合水动力模块与拉格朗日粒子追踪模块，开始鱼卵漂流模拟，并选择模型输出项目，得到鱼卵漂流模拟结果。
9.根据权利要求8所述的基于水流雷诺数的鱼卵漂流数值模拟及验证方法，其特征在于，所述S7中提取鱼卵位置坐标，验证鱼卵漂流模拟结果的具体方法为：可选择的，若S1中掌握了目标河段鱼卵采样数据，可考虑估算鱼卵采集率，与模拟结果进行对比验证；首先提取模型结果中鱼卵最终位置的经纬度坐标，导入Excel表格后，再利用筛选功能与收集断面经纬度坐标进行对比，判断通过收集断面的鱼卵数量，计算断面鱼卵通过率。
10.根据权利要求9所述的基于水流雷诺数的鱼卵漂流数值模拟及验证方法，其特征在于，所述S8中，提高模型精度的具体方法为：可选择的，根据验证结果，在合理范围内调整模型的水流雷诺数设置值，进一步提高模型的模拟精度。
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| CN202311265868.XA Active CN117252121B (zh) | 2023-09-28 | 2023-09-28 | 一种基于水流雷诺数的鱼卵漂流数值模拟及验证方法 |
Country Status (1)
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| CN (1) | CN117252121B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117892980A (zh) * | 2024-03-14 | 2024-04-16 | 长江水资源保护科学研究所 | 一种针对圆口铜鱼的生态调度方法和装置 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107273645A (zh) * | 2017-07-25 | 2017-10-20 | 中国水利水电科学研究院 | 一种鱼类产卵期河流生态需水过程的计算方法 |
| US20180347133A1 (en) * | 2017-08-14 | 2018-12-06 | Nanjing Hydraulic Research Institute | Method for controlling the gate based on the habitat requirement for fish overwintering in rives |
| CN111802287A (zh) * | 2020-08-06 | 2020-10-23 | 重庆交通大学 | 基于漂流性鱼卵胚体发育时间的产卵场定位反演模拟方法 |
| CN116105969A (zh) * | 2022-12-23 | 2023-05-12 | 重庆交通大学 | 一种基于图像处理的鱼卵运动与流场同步测量试验系统 |
-
2023
- 2023-09-28 CN CN202311265868.XA patent/CN117252121B/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN117892980A (zh) * | 2024-03-14 | 2024-04-16 | 长江水资源保护科学研究所 | 一种针对圆口铜鱼的生态调度方法和装置 |
| CN117892980B (zh) * | 2024-03-14 | 2024-05-24 | 长江水资源保护科学研究所 | 一种针对圆口铜鱼的生态调度方法和装置 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117252121B (zh) | 2024-05-07 |
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