一种基于热力耦合模型的结冰水库水温-冰情反演及预测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于热力耦合模型的结冰水库水温‑冰情反演及预测方法，通过对由水动力学模块、水温模块和冰模块构建的热力耦合模型进行处理，将水动力‑水温‑冰耦合作用考虑在内，能够实现高寒不同类型结冰水库的水温、冰情的热力演变过程，从而实现对结冰水库水温及冰情分布情况的反演及预测，进而为水库修建提供有效的数据支持。

【技术实现步骤摘要】
一种基于热力耦合模型的结冰水库水温-冰情反演及预测方法
本专利技术属于水利工程
，涉及结冰水库水温-冰情反演及预测，尤其涉及一种基于热力耦合模型的结冰水库水温-冰情反演及预测方法。
技术介绍
冰是水资源重要的存在形式，普遍存在于寒冷或高纬度区域，在水文循环中担任着举足轻重的角色。在我国30°N以北的地区每年冬季都会有不同程度的冰情现象发生，约占全国国土面积的70％。众所周知，水库的修建使河流的水力学和水文学特征发生显著变化，与此同时，这些变化直接影响到水库及其上下游河道的热力过程。值得注意的是，随着社会的发展，水利水电工程的开发正逐渐向寒冷高海拔、高纬度的河源区推进，例如：雅鲁藏布江中上游、雅砻江上游、澜沧江上游等，在这些地方修建水库必然会面临冰情问题，如库区结冰和解冻延迟、冰下水温增加、水库下游产生不封冻河段等。水库冰水的相互作用，主要体现在结冰前的水库蓄热量、水内冰与冰盖的热力生消、水内冰与冰盖的转化、冰下水温变化、“气-雪-冰-水”的热量传递过程等。在本领域内，已有的对水库冰水研究主要集中在经验公式和简化的数学模型上本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于热力耦合模型的结冰水库水温-冰情反演及预测方法，所述热力耦合模型包括水动力学模块、水温模块和冰模块；所述水温模块包括常规水温模型和水体过冷却模型；所述冰模块包括水内冰输移模型、静态冰盖生成判断模型和冰盖热力生消模型；对于给定的时间段，所述结冰水库水温-冰情反演及预测方法包括以下步骤：/nS1依据水库边界条件以及当前时刻的水库流场参数、水温分布、水内冰浓度和冰盖厚度各变量初始值，利用水动力学模块、常规水温模型和水内冰输移模型获取当前时刻的水库流场参数、水温分布、水内冰浓度值；/nS2遍历水库表层，识别遍历位置是否已存在冰盖，若已存在冰盖，进入步骤S7；若不存在冰盖，则进入步骤S3；/...

【技术特征摘要】
1.一种基于热力耦合模型的结冰水库水温-冰情反演及预测方法，所述热力耦合模型包括水动力学模块、水温模块和冰模块；所述水温模块包括常规水温模型和水体过冷却模型；所述冰模块包括水内冰输移模型、静态冰盖生成判断模型和冰盖热力生消模型；对于给定的时间段，所述结冰水库水温-冰情反演及预测方法包括以下步骤：
S1依据水库边界条件以及当前时刻的水库流场参数、水温分布、水内冰浓度和冰盖厚度各变量初始值，利用水动力学模块、常规水温模型和水内冰输移模型获取当前时刻的水库流场参数、水温分布、水内冰浓度值；
S2遍历水库表层，识别遍历位置是否已存在冰盖，若已存在冰盖，进入步骤S7；若不存在冰盖，则进入步骤S3；
S3遍历水库表层，判断遍历位置水温是否小于零，若遍历位置水温小于零，进入步骤S4；若遍历位置水温不小于零，进入步骤S6；
S4通过水体过冷却模型获取遍历位置的水内冰生成情况，进而对遍历位置水温进行修正；
S5根据遍历位置水内冰浓度大小，判断是否由水内冰转化为冰盖；若转化为冰盖，进入步骤S7；若没有转化为冰盖，进入步骤S8；
S6通过遍历位置流速及冰盖生成判断模型判断静态冰盖是否生成，若生成静态冰盖进入步骤S7，若没有生成静态冰盖进入步骤S8；
S7通过冰盖热力生消模型获取冰盖厚度，之后进入步骤S8；
S8在当前时刻基础上，增加时间步长；若增加后的时间不大于设定时间，进入步骤S9；若增加后的时间大于设定时间，进入步骤S10；
S9将当前时刻得到的水库流场参数、水温分布、水内冰浓度和冰盖厚度各变量值作为下一时刻的水库流场参数、水温分布、水内冰浓度和冰盖厚度初始值，在当前时刻基础上增加时间步长后的时间作为下一时刻，返回步骤S1；
S10当前程序结束，得到水温分布情况以及冰盖分布情况。


2.根据权利要求1所述基于热力耦合模型的结冰水库水温-冰情反演及预测方法，其特征在于所述水动力学模块为结冰水库宽度平均的水库立面二维水动力学模型，包括时均连续模型、动量模型和k-ε紊流模式模型组；
所述时均连续模型为：



所述动量模型为：






所述k-ε紊流模式模型组为：






其中：B为河宽，m；u和w分别为结冰水库水流x方向和结冰水库水深z方向上的速度分量，m/s；νe为分子粘性系数ν和紊动涡粘系数νt之和，m2/s；νt＝Cμk2/ε；ρw为水体参考温度下的密度，kg/m3；p为压强，Pa；β为水的热膨胀系数，℃-1；ΔT为水温初始值与参考温度的差异，℃；g为重力加速度；k为紊动动能；ε紊动动能耗散率；σk和σε分别为紊动动能和耗散率的普朗特数；Cμ、Cε1和Cε2为经验常数；Gk为紊动动能生成项，Gb为浮力生成项，


3.根据权利要求2所述基于热力耦合模型的结冰水库水温-冰情反演及预测方法，其特征在于
所述常规水温模型为：



所述水体过冷却模型为：



其中，Tw为水温，℃；Cp为水的比热容，J/kg·℃；φz为透过水体表层，穿过z平面的太阳短波辐射通量，W/m2；σT为温度的普朗特数；ρice为冰的密度，kg/m3；Lice为冰的潜热，J/kg；...

【专利技术属性】
技术研发人员：脱友才，邓云，李嘉，杨颜菁，杨小倩，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川;51