一种基于内波分析的分层水库混合程度评估预测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于内波分析的分层水库混合程度评估预测方法，包括：根据目标水库底部环境，选取水温及水位监测点位，同时结合目标水库周边地形选取电子气象站布设位置；采集目标水库水温数据和高频水位变化数据，采集高频气象水文数据及库区轮廓与长度数据；基于目标水库的水温数据，计算水体混合层深度，初步评估水库水体在不同热分层时期水体分层情况及混合程度；调整参数评估预测气象水文条件变化对水库热分层状态的影响。本发明专利技术方法可以系统的评价湖库水体混合程度、水库水体内波变化并预测水库可能出现的分层情况，为湖库水体水动力改善和水体热分层而导致水质恶化治理提供依据应对参考指标。提供依据应对参考指标。提供依据应对参考指标。

【技术实现步骤摘要】
一种基于内波分析的分层水库混合程度评估预测方法


[0001]本专利技术涉及水环境综合治理技术，尤其是涉及一种基于内波分析的分层水库混合程度评估预测方法。

技术介绍

[0002]水库和湖泊通常被归类为静水或死水，但这些生态系统中的水并不是静止不动的。有许多力量可以产生水的运动。水体热分层广泛存在于自然界中，其形成主要受湖库水体深度、水体流动性以及湖库所在区域气象水文条件因素的协同影响。而在水体热分层形成与消亡的过程中，水体内部由于上下层水温变化引起的密度变化会引起水体的上下交换流动。水面上的风应力可以激发传播的表面波和近表面漂移流。地表冷却导致对流流动，不同温度的水的流入可能促进重力流的形成和传播。湖泊和水库中的水流和混合过程与垂直密度分层相互作用，这可能是由于地表加热和具有不同温度或盐度的流入而发展起来的。稳定密度分层抑制了垂直湍流混合以及不同密度层之间的热量和溶质交换，但它产生了另一种流动类型。斜压流依赖于水密度的垂直变化，通常以内波的形式出现，引起不同密度层的周期性位移。内波由风切变产生，是驱动分层湖泊和水库内部水流的最重要现象之一。夏季强烈热分层会阻碍水体上下层物质交换的能力，加速沉积物溶解氧的消耗以及重金属、有机盐等物质的还原溶解，冬季气象条件骤变会导致表层水体密度增大和对流运动，水体垂直混合(湍流混合)可以改变溶解态重金属等在沉积物
‑
水界面的释放速率，进而引发水质恶化。

技术实现思路

[0003]专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种基于内波分析的分层水库混合程度评估预测方法；通过对目标湖库的水体水温数据及气象水文条件进行实地监测，对水温数据及气象水文数据进行分析，计算目标湖库水体混合层深度并结合interwave analyzer软件进行内波计算分析分层水体混合程度，同时可以调整参数得出内波分析结果预测气象水文条件变化对水库热分层状态的影响。
[0004]技术方案：本专利技术的一种基于内波分析的分层水库混合程度评估预测方法，包括以下步骤：
[0005]S1、根据目标水库底部环境，选取水温及水位监测点位，同时结合目标水库周边地形选取电子气象站布设位置；
[0006]S2、在监测点位采集目标水库水温数据和高频水位变化数据；在电子气象站布设位置采集高频气温、风速、风向和辐射数据，同时根据水库管理站提供资料确定库区轮廓与长度数据；
[0007]S3、基于目标水库的水体水温数据，计算水体混合层深度，初步评估水库水体在不同热分层时期水体分层情况及混合程度；
[0008]S4、利用interwave analyzer软件进行内波模型分析，同时基于目标水库的水温、
水位、风速、风向、辐射、库区长度、温度传感器位置数据制作输入文件，调整参数评估预测气象水文条件变化对水库热分层状态的影响。
[0009]进一步的，步骤S1具体为：
[0010]利用走航式无人船携带的多普勒流速仪测量水库底部高程及地形数据，为避免异重流对评估结果造成影响，结合所监测到的地形数据选取库底地势平坦区域作为水位及水位监测点位，进行后期设备的安装及监测；同时结合周边地形选取目标水库管理处楼顶作为电子气象站布设位置。
[0011]进一步的，步骤S2包括以下步骤：
[0012]S21、根据步骤S1中选取的监测点位布设钢丝链，利用安装在钢丝链上不同深度处的温度传感器和水位传感器分别收集高频垂向水温数据和水位数据，并根据钢丝链上安装的温度传感器间隔距离确定不同水位处的水温数据；其中，水文数据的采集周期为15min/次；
[0013]S22、根据步骤S1中选取的位置搭建电子气象站，收集高频的气温、风速、风向、辐射的气象数据，用于评估水体混合程度受风速及辐射的影响程度，同时结合库区轮廓确定监测设备安装区域距库区边缘的距离；其中，气象数据的采集周期为5min/次；
[0014]S23、在库区出入流及坝前位置安装水位计，通过水位计收集库区高频水位变化数据，并结合钢丝链上安装的温度传感器位置确定不同水位处的水温，便于后期内波分析数据的输入；其中，水位编号数据的采集周期为15min/次。
[0015]进一步的，步骤S3中利用上下层水库水温数据进行线性插值并计算水体混合层深度，进一步观察水体混合区域所在位置，具体包括以下步骤：
[0016](1)设定温差ΔT，层数n＝1，T
ref
＝T
n
；
[0017](2)判断|T
n
‑
T
n+1
|>0.1ΔT是否成立，若成立，则令T
ref
＝T
n
，执行步骤(3)；否则执行步骤(5)；
[0018](3)判断T
n
>T
n+1
是否成立，若成立，则令T
b
＝T
ref
‑
ΔT；否则令T
b
＝T
ref
+ΔT；
[0019](4)判断(T
n
‑
T
b
)(T
n+1
‑
T
b
)<0是否成立，若成立，则根据上下层湖水温度线性插值，计算得到混合层深度为：h＝(T
b
‑
T
n
)/(T
n+1
‑
T
n
)
×
(T
n+1
‑
T
n
)+h
n
；否则令n＝n+1，并返回步骤(4)执行；
[0020](5)判断n＝n
max
是否成立，若不成立，则令n＝n+1，并返回步骤(2)继续执行；否成立，则整层水体温差较小，完全混合，混合层深度为湖水深度。
[0021]进一步的，步骤S4具体包括以下步骤：
[0022]S41、根据收集到的目标水库的水温、水位、风速、风向、辐射、库区长度、温度传感器位置数据制作输入文件：水温文件为.tem格式、水位文件为.niv格式、温度传感器位置文件为.sen格式、气象数据中的风速、风向、辐射文件为.met格式。
[0023]S42、将步骤S41制作的输入文件导入interwave analyzer软件进行分析，分层流体中的内波用具有特征周期的有限特征值来近似表征，不同的周期具有不同的驻波模式，通过相应的周期运动采用傅里叶和小波变换进行求解，进而输出内波周期及水温分层情况数据；
[0024]S43、将S42中计算输出的内波周期及水温分层情况数据进行整理并导入绘图软件中绘制折线图及等高线图，便于评估分层水库混合程度及预测。
[0025]进一步的，该方法还包括：根据步骤S4的评估及预测结果调控水库水位和取水运营方式，并通过调控减少由于热分层形成与消亡带来的水库水质问题。
[0026]本专利技术的另一实施例中，一种基于内波本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于内波分析的分层水库混合程度评估预测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据目标水库底部环境，选取水温及水位监测点位，同时结合目标水库周边地形选取电子气象站布设位置；S2、在监测点位采集目标水库水温数据和高频水位变化数据；在电子气象站布设位置采集高频气温、风速、风向和辐射数据，同时根据水库管理站提供资料确定库区轮廓与长度数据；S3、基于目标水库的水体水温数据，计算水体混合层深度，初步评估水库水体在不同热分层时期水体分层情况及混合程度；S4、利用interwave analyzer软件进行内波模型分析，同时基于目标水库的水温、水位、风速、风向、辐射、库区长度、温度传感器位置数据制作输入文件，调整参数评估预测气象水文条件变化对水库热分层状态的影响。2.根据权利要求1所述的一种基于内波分析的分层水库混合程度评估预测方法，其特征在于，步骤S1具体为：利用走航式无人船携带的多普勒流速仪测量水库底部高程及地形数据，为避免异重流对评估结果造成影响，结合所监测到的地形数据选取库底地势平坦区域作为水位及水位监测点位，进行后期设备的安装及监测；同时结合周边地形选取目标水库管理处楼顶作为电子气象站布设位置。3.根据权利要求1所述的一种基于内波分析的分层水库混合程度评估预测方法，其特征在于，步骤S2包括以下步骤：S21、根据步骤S1中选取的监测点位布设钢丝链，利用安装在钢丝链上不同深度处的温度传感器和水位传感器分别收集高频垂向水温数据和水位数据，并根据钢丝链上安装的温度传感器间隔距离确定不同水位处的水温数据；其中，水文数据的采集周期为15min/次；S22、根据步骤S1中选取的位置搭建电子气象站，收集高频的气温、风速、风向、辐射的气象数据，用于评估水体混合程度受风速及辐射的影响程度，同时结合库区轮廓确定监测设备安装区域距库区边缘的距离；其中，气象数据的采集周期为5min/次；S23、在库区出入流及坝前位置安装水位计，通过水位计收集库区高频水位变化数据，并结合钢丝链上安装的温度传感器位置确定不同水位处的水温，便于后期内波分析数据的输入；其中，水位编号数据的采集周期为15min/次。4.根据权利要求1所述的一种基于内波分析的分层水库混合程度评估预测方法，其特征在于，步骤S3中利用上下层水库水温数据进行线性插值并计算水体混合层深度，进一步观察水体混合区域所在位置，具体包括以下步骤：(1)设定温差ΔT，层数n＝1，T
ref
＝T
n
；(2)判断|T
n
‑
T
n+1
|>0.1ΔT是否成立，若成立，则令T
ref
＝T
n
，执行步骤(3)；否则执行步骤(5)；(3)判断T
n
>T
n+1
是否成立，若成立，则令T
b
＝T
ref
‑
ΔT；否则令T
b
＝T
ref
+ΔT；(4)判断(T
n
‑
T
b
)(T
n+1
‑
T
b
)<0是否成立，若成立，则根据上下层湖水温度线性插值，计算得到混...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈宇，李一平，朱雅，王璨，魏尧，鲍航通，王楚尔，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：