專利名稱：河道型水庫支流庫灣水體水動力特性分區(qū)方法
技術領域：
本發(fā)明屬于環(huán)境保護與資源綜合利用的技術領域，特別是涉及一種河道型水庫支流庫灣水動力特性分區(qū)的方法。
背景技術：
隨著我國水電開發(fā)目標的轉(zhuǎn)變，近年來，國家相關部門提出了在保護環(huán)境的前提下大力發(fā)展水電，水電開發(fā)逐步由經(jīng)濟技術制約階段轉(zhuǎn)變的環(huán)境制約階段，因此在水電開發(fā)前期，需要針對擬開發(fā)的水電庫區(qū)進行調(diào)查，評價水電開發(fā)的合理性，并根據(jù)庫區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展條件制定合理的區(qū)域發(fā)展政策。水庫成庫后，由于水體輸移能力減弱，在庫區(qū)一些支流庫灣，如果氮、磷等營養(yǎng)源充足，在光照比較充分的情況下，會在部分區(qū)域產(chǎn)生“水華”現(xiàn)象，影響庫區(qū)人民的生產(chǎn)生活，因此對水庫支流庫灣沿岸進行合理的規(guī)劃，避免“水華”現(xiàn)象對人民群眾產(chǎn)生較在影響顯得尤為重要?，F(xiàn)有研究表明，水動力場的分布對湖庫內(nèi)“水華”的生消有較大的影響，在其它條件基本相同的情況下，由于水動力特性的不同，在湖庫內(nèi)可產(chǎn)生較為明顯的生態(tài)分區(qū)，特別是對于河道型水庫支流庫灣而言，表現(xiàn)更為突出。如蔡慶華等(湖泊科學，2012)分析了三峽庫區(qū)水環(huán)境動態(tài)的時空異質(zhì)性、水庫縱向分區(qū)與群落組成、垂向分布及藻類水華的成因和動態(tài)后指出，三峽水庫干流與香溪河庫灣水力學特征的差異是驅(qū)動其水環(huán)境動態(tài)的關鍵因素，其干支流水力條件是研究重點。因此對于河道型水庫支流庫灣而言，對其水動力特性進行合理劃分，是區(qū)域水環(huán)境治理和規(guī)劃的主要依據(jù)。就現(xiàn)有文獻來看，目前相關文獻僅是比較籠統(tǒng)的指出河道型水庫支流庫灣應當被分為干流影響區(qū)、湖泊區(qū)、過渡區(qū)及天然河道，但并無相關文獻對庫灣水動力特性分區(qū)提出明確的劃分方法?，F(xiàn)有文獻及專利依據(jù)監(jiān)測結(jié)果對湖庫的營養(yǎng)物進行生態(tài)分區(qū)，如公開號為CN102496067A的一種湖泊營養(yǎng)物分區(qū)控制技術方法發(fā)明專利及公開號為CN102495877A的一種湖泊營養(yǎng)物生態(tài)分區(qū)邊界識別的技術方法，給出了湖泊營養(yǎng)物及生態(tài)分區(qū)的相關方法，可提供比較好的借鑒。但應指出，這種方法需依靠大量的現(xiàn)場長時間序列的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對于擬修建的水庫，無法依據(jù)這些方法掌握庫區(qū)支流庫灣的生態(tài)分區(qū)，因此需要提供一種合理的預測方法，為庫灣支流區(qū)域內(nèi)的規(guī)劃和發(fā)展提供參考。公開于該發(fā)明背景技術部分的信息僅僅旨在加深對本發(fā)明的一般背景技術的理解，而不應當被視為承認或以任何形式暗示該信息構成已為本領域技術人員所公知的現(xiàn)有技術。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是，克服現(xiàn)有技術的缺點，提供河道型水庫支流庫灣水體水動力特性分區(qū)方法。為了達到上述目的，本發(fā)明提供一種河道型水庫支流庫灣水體水動力特性分區(qū)方法，其包括以下步驟
(-)采用數(shù)值方法獲得研究區(qū)域內(nèi)的水動力場，并存儲水動力場的計算結(jié)果；(二)分別在干支流上游入流邊界上設置單位密度的守恒物質(zhì)為示蹤劑，利用存儲的水動力場計算結(jié)果分析示蹤劑在庫灣內(nèi)的時空分布，若在研究時段計算區(qū)域內(nèi)各點干支流示蹤劑濃度與初始值之比的和不大于O. 9，則需將計算初始時段向前推移，當在研究時段區(qū)域內(nèi)各點干支流示蹤劑濃度與初始值之比的和大于O. 9時，存儲示蹤劑時空分布結(jié)果，進行下一步分析；曰讀取存儲的示蹤劑時空分布結(jié)果，統(tǒng)計計算區(qū)域內(nèi)各點干流示蹤劑在指定時段內(nèi)的濃度分布，若研究區(qū)域內(nèi)某一點的干流示蹤劑濃度與干流示蹤劑濃度初始值之比，在指定時段80%的時間內(nèi)都大于60%，則該點在研究時段內(nèi)處于干流影響區(qū)，否則該點在研究時段內(nèi)不在干流影響區(qū)；(E)若該點不在干流影響區(qū)，讀取水動力場的計算結(jié)果，統(tǒng)計該點平均流速的時間分布，若在指定時段80%的時間內(nèi)都小于O. Olm/s，則該點在研究時段內(nèi)處于湖泊區(qū)；若該點平均流速在指定時段80%的時間內(nèi)都大于O. Olm/s且不大于O. 05m/s，則在研究時段內(nèi)處于過渡區(qū)；若該點平均流速在指定時段80%的時間內(nèi)都大于O. 05m/s,則該點在研究時段內(nèi)處于天然河道區(qū)； 根據(jù)各點的分析結(jié)果，將各點水力特性歸類，若在Ikm的河段內(nèi)，有60%以上的點都處于一水力特性區(qū)，則可認為該河段都處于該水力特性區(qū)，逐段統(tǒng)計即可得到研究區(qū)域在研究時段內(nèi)的水力特性分區(qū)結(jié)果。上述的河道型水庫支流庫灣水體水動力特性分區(qū)方法中，計算區(qū)域應包括河道型水庫干流及支流庫灣；水庫的計算范圍可在與支流庫灣交匯處上下游各選一段，并且長度應大于五十倍水深，從而提高計算效率。上述的河道型水庫支流庫灣水體水動力特性分區(qū)方法中，干流與支流的示蹤劑所用的守恒物質(zhì)應不同。本發(fā)明的有益效果是實現(xiàn)一種河道型水庫支流庫灣水體水動力特性的準確分區(qū)，為支流庫灣水環(huán)境問題的監(jiān)測、預報、分析及治理提供了分區(qū)對待的依據(jù)，有效提高規(guī)劃的可行性，為人類更合理利用水資源提供了方法。


圖I為本發(fā)明所提供的方法的流程圖。圖2為計算區(qū)域示意圖。圖3為水動力特性分區(qū)與水華時空分布對應圖。
具體實施例方式圖I為根據(jù)本發(fā)明的河道型水庫支流庫灣水體水動力特性分區(qū)方法的流程圖。根據(jù)本發(fā)明的河道型水庫支流庫灣水體水動力特性分區(qū)方法，可以先確定研究區(qū)域及研究時段的范圍，然后根據(jù)研究區(qū)域的大小選擇需要進行數(shù)值計算的區(qū)域，數(shù)值計算的區(qū)域應大于研究區(qū)域，數(shù)值模擬的時段也應包含研究時段。為在數(shù)值模擬時考慮河道型水庫干流對庫灣支流的影響，數(shù)值模擬的區(qū)域應包含部分水庫干流區(qū)，且干流區(qū)的范圍應能包含干支流交匯處，同時上、下游邊界距干支流交匯處的距離應超過50倍水深，若不考慮計算效率，模擬區(qū)域選擇范圍越大越好。模擬區(qū)域選定后，對區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，劃分的網(wǎng)格需滿足正交性要求。在數(shù)值模擬時，選定模擬時段后，需要給定邊界條件及初始條件，邊界條件包含上游邊界條件、下游邊界條件、壁面邊界條件三大類，其中上游邊界條件包括干流流量邊界及庫灣支流流量邊界，下游邊界條件通常給定水位邊界條件；上游流量邊界及下游水位邊界可根據(jù)分析工況的不同，通過歷史水文資料分析確定。壁面邊界給定為無滑移邊界；初始條件應與模擬時選用的邊界條件相適應，以保證數(shù)值模擬的穩(wěn)定性。模擬完成后，對水動力場的模擬結(jié)果進行存儲。此外，采用數(shù)值方法獲得水動力場是本領域技術人員公知的技術，因此不再過多贅述。在得到水動力場的模擬結(jié)果后，分別在干流上游入流邊界條件及庫灣支流上游入流邊界條件分別加入守恒物質(zhì)A和守恒物質(zhì)B作為示蹤劑，利用存儲的水動力場計算結(jié)果分析示蹤劑在庫灣內(nèi)的時空分布，若在研究時段計算區(qū)域內(nèi)各點干支流示蹤劑濃度與初始值之比的和小于O. 9，則說明選擇計算初始時段與研究時段起始時間間隔過短，需將計算初始時段向前推移，當在研究時段區(qū)域內(nèi)各點干支流示蹤劑濃度與初始值之比的和大于O. 9時，存儲示蹤劑時空分布結(jié)果，進行下一步分析；得到示蹤劑的時空分布后，選定分析時段(需要重點關注的時段，如春未夏初水華高發(fā)期)，研究沿庫灣支流河道中心線上示蹤劑濃度的時空分布，若研究區(qū)域內(nèi)中心線上某點沿垂向干流示蹤劑平均濃度與干流示蹤劑濃度初始值之比，在選定的分析時段80%的時間內(nèi)都大于60%，則認為該點在分析時段內(nèi)處于干流影響區(qū)；若恰有相鄰兩點，下游點在選定的分析時段80%的時間內(nèi)都不小于60%，上游點在選定的分析時段80%的時間內(nèi)都小于60%，則兩點中的下游點所處位置可視為干流影響區(qū)的上邊界，在該邊界下游至支流河口，為干流影響區(qū)；統(tǒng)計干流影響區(qū)外沿庫灣支流河道中心線上水動力場的計算結(jié)果，統(tǒng)計某點平均流速的時間分布，若該點在分析時段80%的時間內(nèi)都小于O. Olm/s，則該點在研究時段內(nèi)處于湖泊區(qū)；若在Ikm的范圍內(nèi)，有60%以上的點處于湖泊區(qū)，則該河段處于湖泊區(qū)；若有一河段存在，在該河段下游，有60%以上的點處于湖泊區(qū)，而在該河段上游，不滿足60%以上的點處于湖泊區(qū)的條件，則該河段中點可作為湖泊區(qū)的上游邊界線，在該邊界下游至干流影響區(qū)上邊界為湖泊區(qū)；同樣，統(tǒng)計干流影響區(qū)及湖泊區(qū)外沿庫灣支流河道中心線上水動力場的計算結(jié)果，統(tǒng)計某點平均流速的時間分布，若該點在分析時段80%的時間內(nèi)都大于O. 05m/s,則該點在研究時段內(nèi)處于天然河道區(qū)；若在Ikm的范圍內(nèi)，有60%以上的點在研究時段內(nèi)處于天然河道區(qū)，則該河段在天然河道區(qū)；若有一河段存在，在該河段上游，有60%以上的點在研究時段內(nèi)處于天然河道區(qū)，而在該河段下游，不滿足有60%以上的點在研究時段內(nèi)處于天然河道區(qū)的條件，則該河段中點可作為天然河道的下游邊界線，在該邊界上河段為天然河道區(qū)；庫灣支流介于天然河道的下游邊界線與湖泊區(qū)的上游邊界線之間的區(qū)域為過渡區(qū)。下面，按照本發(fā)明的方法提供一個更為具體的實施例。應用本發(fā)明的方法對三峽庫區(qū)支流香溪河庫灣選取三峽蓄水初期春季為研究時段的水動力特性分區(qū)進行判別。首先按發(fā)明所述步驟對計算區(qū)域進行選擇對支流庫灣而言，支流計算范圍選擇為高陽鎮(zhèn)到河口 ；在河口與長江交匯段，長江水深約為120m，50倍水深為6km，根據(jù)所述方法長江干流在交匯處上游段的計算范圍應大于6km，實際選擇為9km，交匯處下游段的計算范圍應大于6km，實際選擇為9km，計算范圍選取如圖2所示；以某一年的實測流量資料在香溪河上游邊界給定入流邊界條件，在長江上游邊界給定入流邊界條件，在長江下游邊界給定水位邊界條件；初始條件通過計算初始時刻相對應的香溪河上游流量、長江上游流量及長江下游水位所共同確定的恒定流時穩(wěn)定的水動力場獲得；初始條件及邊界條件確定后，采用數(shù)值方法計算研究區(qū)域在研究時段內(nèi)的水動力場并存儲；然后在得到的水動力動力場的基礎上，在長江上游流量邊界給定單位密度的守恒物質(zhì)A作為長江示蹤劑，在香溪河上游流量邊界給定單位密度的守恒物質(zhì)B作為香溪河示蹤劑，計算研究時段內(nèi)示蹤劑的時空分布情況，若在研究時段計算區(qū)域內(nèi)各點干支流示蹤劑濃度與初始值之比的和小于O. 9，則需將計算初始時段向前推移，當在研究時段區(qū)域內(nèi)各點干支流示蹤劑濃度與初始值之比的和大于O. 9時，并存儲示蹤劑分布的計算結(jié)果。按發(fā)明所述方法對支流沿河道中心線上各點長江示蹤劑的時空分布進行分析，可知，在距河口 8km處，其下游點在選定的分析時段80%的時間內(nèi)都不小于60%，上游點在選定的分析時段80%的時間內(nèi)都小于60%，該點可視為干流影響區(qū)的上邊界；同理，依發(fā)明所述方法對對支流沿河道中心線上各點平均流速進行統(tǒng)計，可知，在距河口 16km處，在該點下游，所有河段處于湖泊區(qū)，而在該河段上游，不滿足60%以上的點處于湖泊區(qū)的條件，則該點為研究期間湖泊區(qū)的上游邊界線；在距河口 22km處，在該點上游，所有河段處于天然河道區(qū)，平均流速80%時間內(nèi)大于O. 05m/s，而在該點下游河段，不滿足60%以上的點處于天然河道區(qū)的條件，則該點為研究期間天然河道區(qū)的下游邊界線；在天然河道區(qū)的下游邊界線及湖泊區(qū)的上游邊界線之間為過渡區(qū)。綜上分析結(jié)果可知，在三峽蓄水初期春季，香溪河庫灣支流水動力特性分區(qū)如下表所示
權利要求
1.一種河道型水庫支流庫灣水體水動力特性分區(qū)方法，其特征在于包括以下步驟(-)采用數(shù)值方法獲得研究區(qū)域內(nèi)的水動力場，并存儲水動力場的計算結(jié)果；(二)分別在干支流上游入流邊界上設置單位密度的守恒物質(zhì)為示蹤劑，利用存儲的水動力場計算結(jié)果分析示蹤劑在庫灣內(nèi)的時空分布，若在研究時段計算區(qū)域內(nèi)各點干支流示蹤劑濃度與初始值之比的和不大于O. 9，則說明選擇計算初始時段與研究時段起始時間間隔過短，需將計算初始時段向前推移，當在研究時段區(qū)域內(nèi)各點干支流示蹤劑濃度與初始值之比的和大于O. 9時，存儲示蹤劑時空分布結(jié)果，進行下一步分析；曰讀取存儲的示蹤劑時空分布結(jié)果，統(tǒng)計計算區(qū)域內(nèi)各點干流示蹤劑在指定時段內(nèi)的濃度分布，若研究區(qū)域內(nèi)某一點的干流示蹤劑濃度與干流示蹤劑濃度初始值之比，在指定時段80%的時間內(nèi)都大于60%，則該點在研究時段內(nèi)處于干流影響區(qū)，否則該點在研究時段內(nèi)不在干流影響區(qū)；(E)若該點不在干流影響區(qū)，讀取水動力場的計算結(jié)果，統(tǒng)計該點平均流速的時間分布，若在指定時段80%的時間內(nèi)都小于O. Olm/s，則該點在研究時段內(nèi)處于湖泊區(qū)；若該點平均流速在指定時段80%的時間內(nèi)都大于O. Olm/s且不大于O. 05m/s，則在研究時段內(nèi)處于過渡區(qū)；若該點平均流速在指定時段80%的時間內(nèi)都大于O. 05m/s，則該點在研究時段內(nèi)處于天然河道區(qū)； 根據(jù)各點的分析結(jié)果，將各點水力特性歸類，若在Ikm的河段內(nèi)，有60%以上的點都處于一水力特性區(qū)，則可認為該河段都處于該水力特性區(qū)，逐段統(tǒng)計即可得到研究區(qū)域在研究時段內(nèi)的水力特性分區(qū)結(jié)果。
2.如權利要求I所述的河道型水庫支流庫灣水體水動力特性分區(qū)方法，其特征在于計算區(qū)域應包括河道型水庫干流及支流庫灣；水庫的計算范圍可在與支流庫灣交匯處上下游各選一段，并且長度應大于五十倍水深，從而提高計算效率。
3.如權利要求I所述的河道型水庫支流庫灣水體水動力特性分區(qū)方法，其特征在于干流與支流的示蹤劑所用的守恒物質(zhì)應不同。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種河道型水庫支流庫灣水體水動力特性分區(qū)方法。具體來說，本發(fā)明是根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果對多種因素共同作用下河道型水庫支流庫灣水動力特性分區(qū)進行合理劃分的方法。在用數(shù)值方法得利水動力場后，首先分別在干支流入流邊界條件上給定守恒物質(zhì)輸入作為示蹤劑，通過分析研究區(qū)域內(nèi)示蹤劑濃度可確定出干流影響區(qū)的合理范圍，在干流影響區(qū)外，可從上游到下游依流速大小分別劃分出河道區(qū)，過渡區(qū)，湖泊區(qū)。采用該方法可在不過多依賴現(xiàn)場監(jiān)測的情況下，得到可靠的結(jié)果，在河道型水庫支流庫灣的前期區(qū)域規(guī)劃中對區(qū)域的水動力特性進行分區(qū)，結(jié)合各分區(qū)的特點對區(qū)域進行合理規(guī)劃，充分利用區(qū)域內(nèi)的自然特性，有效提高規(guī)劃的可行性。
文檔編號G06F19/00GK102930157SQ20121042642
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月30日 優(yōu)先權日2012年10月30日
發(fā)明者蔣定國, 戴會超, 劉偉, 毛勁喬 申請人:中國長江三峽集團公司