一种基于MIKE21水动力模型人工湖优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于MIKE 21水动力模型人工湖优化方法，该方法通过建立人工湖模型、构建Navier

【技术实现步骤摘要】
一种基于MIKE 21水动力模型人工湖优化方法


[0001]本专利技术属于人工湖模拟
，尤其涉及到一种基于MIKE 21水动力模型人工湖优化方法。

技术介绍

[0002]随着生活水平的提高，人们越来越渴望亲近自然，因此国内很多城市在巿区内或在近郊建设人工湖泊，人工湖泊不仅可改善城巿生态环境，同时可为巿民提供休闲娱乐场所，提高国民的生活品质。
[0003]然而在人工湖泊的设计过程中，一般都是由景观或者风景园林专业来完成，设计人员为了达到一定的景观效果，他们的关注点往往在于湖泊的“形态”，忽略了湖泊内水体的水动力问题，因此导致人工湖泊的富营养化现象。由于人工湖缺少与外界天然水源的连通，湖内水动力条件较差，不利于污染物的稀释与扩散，不仅没有达到改善城市生态环境的目的，反而造成了新的污染，这与修建人工湖泊的初衷背道而驰。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服上述现有技术中存在的不足，提供一种基于MIKE 21水动力模型人工湖优化方法，本专利技术的方法通过MIKE 21对人工湖进行水动力和水质进行模拟建立人工湖模型，并对人工湖模型进行测试优化；避免了从景观的单一角度进行设计，使得人工湖在完工后，因水动力不足等因素造成水质差等问题。
[0005]为了实现上述专利技术目的，本专利技术专利提供的技术方案如下：
[0006]一种基于MIKE 21水动力模型人工湖优化方法，该方法具体包括如下步骤：
[0007]第一步，根据待处理的人工湖选取模型建立人工湖模型，所述人工湖模型包括水动力模型和水质模型；
[0008]第二步，将三维水体控制方程沿垂直方向进行积分，获得沿垂向平均的平面二维不可压缩流体的Navier
‑
Stokes方程；
[0009]第三步，建立水动力模型，通过网格划分和地形插值、初始条件和边界条件和水动力模型参数建立水动力模型；
[0010]第四步，通过水质参数的选取建立水质模型；
[0011]第五步，水动力模型和水质模型建立后，对人工湖模型进行运行优化，测试不同工况下人工湖模型的水动力和水质情况，并对人工湖模型进行优化，获得优化后的人工湖模型。
[0012]上述Navier
‑
Stokes方程具体为：所述Navier
‑
Stokes方程不但包括连续性方程，且服从于布辛涅斯克近似和静水压力假定，
[0013][0014]运动方程：
[0015][0016][0017]式中：
[0018]h＝η+d，η和d分别表示河底高程和静止水深；t为时间；分别为x、y方向上基于水深平均的流速；f为科氏力系数，f＝2ωsinψ，ω为地球自转角速度，ψ为当地纬度；g为重力加速度；ρ为水的密度；ρ0为水的相对的密度；p
a
为当地大气压强；s
xx
、s
xy
、s
yx
、s
yy
为辐射应力的分量；S为点源流量大小；u
s
、v
s
为源项在x、y方向上的水流流速；T
ij
为水平粘滞应力项，根据沿水深平均流速的梯度计算；通过MIKE 21计算与分析软件对人工湖模型进行模拟计算获得人工湖模型。
[0019]上述第三步中网格划分和地形插值具体为：根据人工湖模型确定地形网格的分辨率，定义人工湖陆地边界和开边界以及网格剖分和地形插值，对人工湖模型进行网格划分时，采用非结构三角形网格贴合湖泊边界。
[0020]上述初始条件和边界条件具体包括人工湖泊的设计常水位、人工湖泊的出入口流量、出入口流速和入口水源的污染因子浓度。
[0021]上述水动力参数包括求解格式、干湿水深、涡粘系数、底床糙率和风的作用；所述求解格式包括低阶运算和高阶运算，保证CFL数小于1，所述CFL为模型收敛性指标；当人工湖模型中的水流速度为低流速时，选取低阶运算计算人工湖模型参数；当人工湖模型中的水流速度为湍流速时，选取高阶运算计算人工湖模型参数；所述低流速水流和湍急流速通过雷诺数Re判断水流，当雷诺数Re<2000为低流速水流状态，当雷诺数Re＞4000为湍流速水流状态，当雷诺数Re在2000～4000时为过渡状态也使用高阶运算进行计算。
[0022]上述涡粘系数包括水平涡粘系数和垂直涡粘系数，所述人工湖模型采用平面二维数学模型，只通过水平涡粘系数计算人工湖模型涡粘系数，所述人工湖模型涡粘系数采用Smagorinsky公式计算水平涡粘系数，所述Smagorinsky公式采用默认值0.28。
[0023]上述底床糙率为反映水流阻力的综合系数，所述人工湖模型的底床糙率采用曼宁系数计算底床糙率，所述底床糙率采用默认值32m
1/3
/s。
[0024]上述风的作用具体为对待处理的人工湖泊地区进行风向监测，并对监测的风速选取平均值作为人工湖模型的风速。
[0025]上述第四步中的水质参数选取TN、TP、NH3因子作为判断人工湖模型中水质指标，所述水质模型通过ECO Lab建立，所述水质模型包括状态变量，作用力，变化过程，以及常量，辅助变量和衍生变量；所述水质模型模拟人工湖模型中水质参数因子的浓度变化过程。
[0026]基于上述技术方案，本专利技术专利一种基于MIKE 21水动力模型人工湖优化方法经过实践应用取得了如下技术优点：
[0027]1.本专利技术一种基于MIKE 21水动力模型人工湖优化方法通过MIKE21对人工湖进行水动力和水质进行模拟建立人工湖模型，并对人工湖模型进行测试优化；避免了从景观的单一角度进行设计，使得人工湖在完工后，因水动力不足等因素造成水质差等问题。
[0028]2.本专利技术一种基于MIKE 21水动力模型人工湖优化方法通过建立流体运动方程为基础，结合物质在流体中的迁移变化规律，建立数学模型，对水环境系统的所有信息进行模拟计算建立人工湖模型，模拟结果能够较真实地反映水体的水流运动和水质状况，从而分析水环境的变化趋势，为水污染防治及水环境保护提供指导性的理论支持。
附图说明
[0029]图1是本专利技术一种基于MIKE 21水动力模型人工湖优化方法中的人工湖流程图。
具体实施方式
[0030]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实例来描述本专利技术。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本专利技术的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本专利技术的概念。
[0031]如图1所述，本专利技术属于一种基于MIKE 21水动力模型人工湖优化方法，该方法具体包括如下步骤：
[0032]第一步，根据待处理的人工湖选取模型建立人工湖模型，所述人工湖模型包括水动力模型和水质模型；
[0033]第二步，将三维水体控制方程沿垂直方向进行积分，获得沿垂向平均的平面二维不可压缩流体的Navier
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于MIKE 21水动力模型人工湖优化方法，其特征在于，该方法具体包括如下步骤：第一步，根据待处理的人工湖选取MIKE 21水动力模型建立人工湖模型，所述人工湖模型包括水动力模型和水质模型；第二步，将三维水体控制方程沿垂直方向进行积分，获得沿垂向平均的平面二维不可压缩流体的Navier
‑
Stokes方程；第三步，建立水动力模型，通过网格划分和地形插值、初始条件和边界条件和水动力模型参数建立水动力模型；第四步，通过水质参数的选取建立水质模型；第五步，水动力模型和水质模型建立后，对人工湖模型进行运行优化，测试不同工况下人工湖模型的水动力和水质情况，并对人工湖模型进行优化，获得优化后的人工湖模型。2.根据权利要求1所述的一种基于MIKE 21水动力模型人工湖优化方法，其特征在于，所述Navier
‑
Stokes方程具体为：所述Navier
‑
Stokes方程不但包括连续性方程，且服从于布辛涅斯克近似和静水压力假定，运动方程：运动方程：式中：h＝η+d，η和d分别表示河底高程和静止水深；t为时间；分别为x、y方向上基于水深平均的流速；f为科氏力系数，f＝2ωsinψ，ω为地球自转角速度，ψ为当地纬度；g为重力加速度；ρ为水的密度；ρ0为水的相对的密度；p
a
为当地大气压强；s
xx
、s
xy
、s
yx
、s
yy
为辐射应力的分量；S为点源流量大小；u
s
、v
s
为源项在x、y方向上的水流流速；T
ij
为水平粘滞应力项，根据沿水深平均流速的梯度计算；通过MIKE 21计算与分析软件对人工湖模型进行模拟计算获得人工湖模型。3.根据权利要求1所述的一种基于MIKE 21水动力模型人工湖优化方法，其特征在于，所述第三步中网格划分和地形插值具体为：根据人工湖模型确定地形网格的分辨率，定义人工湖陆地边界和开边界以及网格剖分和地形插值，对人工湖模型进行网格划分时，采用非结构三角形网格贴合湖泊边界。
4.根据权利要求1所述的一种基于MIKE 21水动力模型人工湖优化方法，其特征在于，所述初始条件和边界条件具体包括人工湖泊的设计常水位、人工湖泊的出入口流量、出入口流速和入口水源的污染因子浓度。5.根据权利要求1所述的一种基于MIKE 21水动力模型人工湖优化方法，其特征在于，所述水动力参数包括求解格式、干湿水深、涡粘系数、底床糙率和风的作用；所述求解格式包括低阶运算和高阶运算，保证CFL数小于1...

【专利技术属性】
技术研发人员：但孝香，唐利，何晓颖，
申请(专利权)人：上海琸源水生态环境工程有限公司，
类型：发明
国别省市：