一种城市河流水温预测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开一种城市河流水温预测方法及系统，涉及河流水温模拟领域，所述预测方法包括：获取河道地形数据以及当前断面、当前时刻的水文水动力数据和河流外源入流水温数据；基于连续方程和圣维南方程组构建水动力模型；基于水动力模型和对流

【技术实现步骤摘要】
一种城市河流水温预测方法及系统


[0001]本专利技术涉及河流水温模拟领域，特别是涉及一种城市河流水温预测方法及系统。

技术介绍

[0002]水温是评价河流生态系统健康的重要指标。水温一方面对水生生物的生存、栖息、繁殖等生态过程有直接影响，另一方面会通过影响水体环境中有机物的分解速度、溶解氧含量和化学反应速率影响河流的生物化学循环。为此，精准模拟各种复杂因素影响下的河流水温特征并分析其主要影响因子，全面了解不同水文条件和人类影响水平下的水温变化对于河流生态系统的保护与修复至关重要。
[0003]城市河流水温通常受到各种环境变量的影响，包括通过空气
‑
水体和河流
‑
河床的热交换、来自支流的热平流、地下水热交换和人为取水/排放等。因此水温在时空尺度上有较强的变异性，准确量化水温变化是一项挑战。研究人员开发了许多模型，用于分析各种环境变量对水温变化的影响，这些模型可以分为回归模型、随机模型和确定性模型。回归模型和随机模型通常采用统计学方法，假定水温与一系列输入参数存在相关关系，输入参数如空气温度、太阳辐射以及径流过程等。以往的研究表明，回归模型和随机模型等方法计算过程相对简单、模型需要数据较少，然而这类方法普遍缺乏底层物理过程的描述，难以准确捕捉水温特征的短期快速变化、难以确定河段水温变化的主要影响因子、量化各类因素的相对贡献，限制了此类模型的泛在应用。相比之下，确定性模型采用一系列数学方程描述河流和周围环境之间的热交换过程，已广泛应用于水库建设、植被改变、引水、废水排放等自然条件、人为因素变动下的水温模拟。
[0004]已有确定性水温模型通常将空气
‑
水体界面热交换作为主要的环境变量，部分模型考虑了支流汇入、河流
‑
河床热交换以及地表
‑
地下水热交换等过程；然而，对于流经高度城市化地区的城市河流，人类的热排放对于水温的影响往往起到决定性的作用。面对复杂地形、气象、水文条件下的城市河流水温模拟预测，目前的确定性预测方法通常在考虑水
‑
气界面的热交换基础上，加入支流汇入、地下水交换等单一影响，尚缺乏综合考虑水
‑
气、水
‑
河床以及人类热排放的通用城市河流水温预测模型。通用模型的研发将为城市河流热传输的准确模拟和预测提供可行手段，为河流水生态环境健康保育提供技术支撑。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种城市河流水温预测方法及系统，可综合考虑多种水热因素以预测城市河流水温。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0007]一种城市河流水温预测方法，所述预测方法包括：
[0008]获取河道地形数据；所述河道地形数据包括纵向距离；不同的纵向距离表示不同的河流长度对应的河流断面；
[0009]获取当前断面、当前时刻的水文水动力数据和河流外源入流水温数据；所述水文
水动力数据包括废水排放量、支流汇入量、上游边界流量和下游边界流量；所述河流外源入流水温数据包括地表水水温和地下水水温二者中任一个，以及废水排放水温和支流汇入水温；
[0010]基于连续方程和圣维南方程组构建水动力模型；
[0011]基于水动力模型和对流
‑
扩散方程构建热传输模型；
[0012]基于所述热传输模型根据当前断面、当前时刻的水文水动力数据和河流外源入流水温数据，得到河流当前断面的当前时刻水温数据。
[0013]可选地，所述预测方法还包括：
[0014]根据水温数据和实测水温数据得到水温模拟精度；
[0015]将水温模拟精度与模拟精度阈值对比；
[0016]当所述水温模拟精度大于模拟精度阈值，则结束执行；
[0017]当所述水温模拟精度小于模拟精度阈值，则更改模型参数，重新执行“基于水动力模型和对流
‑
扩散方程构建热传输模型”；所述模型参数包括垂向扩散系数、纵向扩散系数、热传输恒定系数。
[0018]可选地，所述连续方程具体为：
[0019][0020]式中，Q为河流断面流量；x为纵向距离；A为过水断面面积；t为当前时间；q为外源入流量；所述外源入流量包括废水排放量、支流汇入量和地表水
‑
地下水交换量；其中，根据所述废水排放量、支流汇入量、上游边界流量和下游边界流量得到地表水
‑
地下水交换量。
[0021]可选地，所述圣维南方程组具体为：
[0022][0023][0024]式中，Q为河流断面流量；x为纵向距离；A为过水断面面积；t为当前时间；q为外源入流量；β为动量校正系数；g为重力加速度；S0为河床比降；S
f
为摩阻比降；n为曼宁粗糙系数；R为水力半径；h为河流水深。
[0025]可选地，所述水力半径具体为：
[0026]R＝A/W；
[0027]式中，W为河流湿周。
[0028]可选地，所述对流
‑
扩散方程具体为：
[0029][0030]式中，T为河流模拟水温；η为热通量校正因子；D
L
为纵向扩散系数；B为水面宽度；Q为河流断面流量；x为纵向距离；A为过水断面面积；q为外源入流量；H
r
为空气
‑
水体热交换；ρ
w
为水的密度；W河流湿周；C
w
为水的比热；H
bed
为河床与河流水体的热交换通量；T0为河流外
源入流水温。
[0031]可选地，所述空气
‑
水体热交换具体为：
[0032]H
r
＝R
net
‑
J
s
‑
J
t
；
[0033]式中，R
net
为净太阳辐射量；J
s
为显热通量；J
t
为潜热通量。
[0034]可选地，所述净太阳辐射量具体为：
[0035]R
net
＝S
wat
+S
wat2
+L
d
‑
L
u
＝b
wat
[1+al
bed
(1
‑
b
wat
)](1
‑
al
wat
)S
d
+L
d
‑
L
u
；
[0036]式中，S
wat
为入射太阳辐射到达河床前水体吸收的辐射量；S
wat2
为入射太阳辐射经河床反射后水体吸收的辐射量；L
d
为大气向下长波辐射；L
u
为地面长波辐射；S
d
为太阳总辐射；al
bed
为河床反射本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种城市河流水温预测方法，其特征在于，所述预测方法包括：获取河道地形数据；所述河道地形数据包括纵向距离；不同的纵向距离表示不同的河流长度对应的河流断面；获取当前断面、当前时刻的水文水动力数据和河流外源入流水温数据；所述水文水动力数据包括废水排放量、支流汇入量、上游边界流量和下游边界流量；所述河流外源入流水温数据包括地表水水温和地下水水温二者中任一个，以及废水排放水温和支流汇入水温；基于连续方程和圣维南方程组构建水动力模型；基于水动力模型和对流
‑
扩散方程构建热传输模型；基于所述热传输模型根据当前断面、当前时刻的水文水动力数据和河流外源入流水温数据，得到河流当前断面的当前时刻水温数据。2.根据权利要求1所述的城市河流水温预测方法，其特征在于，所述预测方法还包括：根据水温数据和实测水温数据得到水温模拟精度；将水温模拟精度与模拟精度阈值对比；当所述水温模拟精度大于模拟精度阈值，则结束执行；当所述水温模拟精度小于模拟精度阈值，则更改模型参数，重新执行“基于水动力模型和对流
‑
扩散方程构建热传输模型”；所述模型参数包括垂向扩散系数、纵向扩散系数、热传输恒定系数。3.根据权利要求1所述的城市河流水温预测方法，其特征在于，所述连续方程具体为：式中，Q为河流断面流量；x为纵向距离；A为过水断面面积；t为当前时间；q为外源入流量；所述外源入流量包括废水排放量、支流汇入量和地表水
‑
地下水交换量；其中，根据所述废水排放量、支流汇入量、上游边界流量和下游边界流量得到地表水
‑
地下水交换量。4.根据权利要求1所述的城市河流水温预测方法，其特征在于，所述圣维南方程组具体为：为：式中，Q为河流断面流量；x为纵向距离；A为过水断面面积；t为当前时间；q为外源入流量；β为动量校正系数；g为重力加速度；S0为河床比降；S
f
为摩阻比降；n为曼宁粗糙系数；R为水力半径；h为河流水深。5.根据权利要求4所述的城市河流水温预测方法，其特征在于，所述水力半径具体为：R＝A/W；式中，W为河流湿周。6.根据权利要求1所述的城市河流水温预测方法，其特征在于，所述对流
‑
扩散方程具体为：
式中，T为河流模拟水温；η为热通量校正因子；D
L
为纵向扩散系数；B为水面宽度；Q为河流断面流量；x为纵向距离；A为过水断面面积；q为外源入流量；H
r
为空气
‑
水体热交换；ρ
w
为水的密度；W为河流湿周；C
w
为水的比热；H
bed
为河床与河流水体的热交换通量；T0为河流外源入流水温。7.根据权利要求6所述的城市河流水温预测方法，其特征在于，所述空气
‑
水体热交换具体为：H
r
＝R
net
‑
J
s
‑
J
t
；式中，R
n...

【专利技术属性】
技术研发人员：辛卓航，刘志红，宋长春，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：