[发明专利]一种半封闭水域的水龄测定方法

说明书

本发明公开的一种半封闭水域的水龄测定方法中，首先建立待测水域水动力数学模型；通过水动力数学模型计算待测水域各水质点的水深、流速信息；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；根据水动力模型计算得到的待测水域各位置的水位、流速信息和对流扩散数学模型的边界条件，通过对流扩散数学模型算出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，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对应各时刻的瞬时水龄；最后根据待测水域各水质点各时刻的瞬时水龄计算待测水域各水质点各时间段内的时均水龄；本发明方法能够高效、简便且准确计算出半封闭水域的水龄。

技术领域

本发明属于水动力数值模拟技术领域，特别涉及一种半封闭水域的水龄测定方法。

背景技术

我国流域面积超过1000平方公里的河流有1500多条，面积达1平方公里以上的天然湖泊有2800多个，且拥有1.8万多千米长的海岸线和300多万平方千米的海域面积。随着沿海经济的快速发展，大量污染物和营养物质被排入河流、湖泊和近岸海域中，致使水体环境日益恶化。尤其是对于流动不畅的半封闭水域，水体较难通过对流和扩散等物理过程与周围水体进行交换更新以改善水质，导致水体环境恶化更加严重。主要表现为水质恶化、赤潮频繁发生、渔业资源大量减少等等。

水域内某点的水龄定义为该水体微团自进入控制体以来到流经该点所需要的时间，它可以衡量水域内物质输运时间尺度的长短，是河流和海洋环境健康的指标之一。其中，河流水体常为单向自然流动，水体交换快，水龄较小；而半封闭水域，如水库、湖泊、海湾等，水体交换弱，运动慢，水龄较大。计算水龄的时空分布，对揭示污染源在水域中的迁移、扩散和转换规律，评估水域自净能力，对水域污染的预防和治理、生态环境的修复等具有非常重要的指导意义。

目前已有一些水龄的计算方法，可主要分为基于拉格朗日的质点追踪法和基于欧拉观点的平均水龄计算方法。基于拉格朗日的质点追踪法忽略了扩散过程的影响，计算所得水龄与实际水龄相比偏大，即低估了水体的实际交换能力。另外，针对时空尺度较大的计算范围，在满足足够精度的情况下，拉格朗日的质点追踪法需要释放大量的示踪粒子，计算粒子轨迹需要耗费大量的计算时间和存储空间，对计算机性能要求较高。而基于欧拉观点的平均水龄计算方法考虑了对流扩散过程，但计算公式往往较为复杂，直接计算难度较大，且目前计算公式一般仅适用于变化较小的稳态水动力环境，对于潮汐影响大、以往复流为主的水域，其水龄计算结果随水动力环境的变化而容易出现波动、震荡而无法趋于一个稳定值的情况。因此，水龄的数值模拟仍需寻找一个更高效、适用范围更广的方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种半封闭水域的水龄测定方法，该方法能够高效、简便直接且准确地计算出半封闭水域的水龄，为评估河口湾、湖泊、海湾等半封闭水域水体环境、水质状况提供有效依据。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种半封闭水域的水龄测定方法，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：