[发明专利]一种半封闭水域的水龄测定方法

权利要求书

1.一种半封闭水域的水龄测定方法，其特征在于，步骤如下：

步骤S1、针对待测水域构建出模型网格，并且将待测水域地形数据插值到模型网格中，建立水动力数学模型；

步骤S2、输入水动力数学模型参数，并且将实测得到的待测水域开边界水位或流量作为水动力数学模型的边界条件，然后由水动力数学模型计算待测水域各水质点的水深、流速信息；

步骤S3、在步骤S2中水动力数学模型计算的信息的基础上构建对流扩散数学模型；并且设置对流扩散数学模型的边界条件为：在待测水域开边界处释放浓度相同且恒定的保守性物质p与非保守性物质r；根据步骤S2中获取到的待测水域各水质点的水深、流速信息，通过上述构建的对流扩散数学模型计算出待测水域模型各水质点各时刻的保守性物质p与非保守性物质r的浓度值；

步骤S4、根据待测水域各水质点各时刻的保守性物质p与非保守性物质r的浓度值计算出待测水域各水质点各时刻的瞬时水龄：

其中，为水质点的矢量轨迹，为待测水域在处的水质点在t时刻的保守性物质p的浓度值，为待测水域在处的水质点在t时刻的非保守性物质r的浓度值，λ为非保守性物质r的衰减指数；T(t)为待测水域在处的水质点在t时刻的瞬时水龄；

步骤S5、根据待测水域各水质点各时刻的瞬时水龄，计算出待测水域各水质点对应各时间段内的时均水龄：

其中为待测水域在处的水质点在时刻t₁至时刻t₂时间段内的时均水龄；

所述步骤S1中，建立的水动力数学模型包括水流连续方程和动量方程：

所述水流连续方程为：

所述动量方程为：

其中x、y为笛卡尔坐标系统的坐标轴；

h＝η+d，h为总水深，η表示水位，d为静止水深；

u、v分别表示x、y方向上的沿水深平均流速；

g为重力加速度；

S为水流源汇项，u_S、v_S分别为水流源汇项在x、y方向上的速度分量；

f为科氏力系数，w为地球自转角速度，为待测水域当地纬度；

其中：

A表示水平涡粘系数；

τ_sx和τ_sy分别表示x、y方向上的风应力；

τ_sx＝C₀ρ_aU²cosβ；τ_sy＝C₀ρ_aU²sinβ；

其中，C₀为风应力拖拽系数，a、b为经验系数；ρ_a为大气密度；U为风速，U_x、U_y分别为风速U在x、y方向上的分量，β为风向与x坐标的夹角；

τ_bx和τ_by分别表示x、y方向上的底部摩擦力；

底部摩擦力取决于二次摩阻定律：

其中，为流速；c_f为拖曳系数，通过谢才系数C或者曼宁系数确定，即

或

式中，n为曼宁系数；

所述步骤S3中，构建的对流扩散数学模型为：

其中c是待测水域模型网格的网格点(x,y)处的可溶性物质浓度；

D_x、D_y分别为x、y方向的扩散系数；

λ′是可溶性物质的衰减指数；

S_c是可溶性物质的源汇项，S_c＝Q_s(c_s-c)，Q_s指源汇项的流量，c_s是源汇项处的可溶性物质浓度；

所述步骤S3中通过对流扩散数学模型计算出待测水域模型水质点各时刻的保守性物质p与非保守性物质r的浓度值的过程分别如下：

获取对流扩散数学模型中的以下参数，包括保守性物质p在x、y方向的扩散系数D_x、D_y、保守性物质p的衰减指数λ′、源汇项的流量Q_s及源汇项处的保守性物质p的浓度c_s；根据上述参数以及将步骤S2中获取到的待测水域各水质点各时刻的水深、流速信息，并结合对流扩散数学模型的边界条件以及对流扩散数学模型计算出待测水域模型各水质点各时刻的保守性物质p的浓度值；

获取对流扩散数学模型中的以下参数，包括非保守性物质r在x、y方向的扩散系数D_x、D_y、非保守性物质r的衰减指数λ′、源汇项的流量Q_s及源汇项处的非保守性物质r的浓度c_s；根据上述参数以及将步骤S2中获取到的待测水域各水质点各时刻的水深和流速信息，并结合对流扩散数学模型的边界条件以及对流扩散数学模型计算出待测水域模型各水质点各时刻的非保守性物质r的浓度值；

其中保守性物质p的衰减指数λ′为0；

非保守性物质r的衰减指数λ′为λ。