【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于水利工程，涉及水庫水溫-泥沙-冰情反演及預測，尤其涉及一種水庫泥沙和溫度雙重異重流的反演及預測方法。
技術介紹
1、含沙水流進入水庫后與庫內水體存在較大的密度差而產生泥沙異重流現象。泥沙異重流不僅會改變水庫的淤積情勢，也會影響水庫的水溫分層特征，使得其水溫分布有別于低含沙河流上的水庫，這些變化直接影響到水庫及其上下游河道的熱力過程。在北緯30°以北的河流及水庫(簡稱寒區水庫)上，每年均會出現不同程度的冰情，凌汛期河道中易形成冰塞、冰壩，引起河道過水斷面面積減小，水位上漲，從而能引發凌汛洪水，由于凌汛期最大流速點位置的下移，會造成強烈的河底沖刷，進而使得凌汛期河流含沙量較高，水庫庫區冬季垂向水溫一般為逆溫分布，挾帶較多泥沙的入流低溫水由于密度較大，可能會潛入高溫水底部，改變原有的浮力模式，間接影響水庫冰情的時空分布規律。
2、值得注意的是，目前水利水電工程的開發在寒冷高海拔河源區較為集中，例如黃河上游水電開發為西北地區提供了大量清潔能源，有助于緩解能源短缺問題。然而在含沙量較高的河流中修建水庫必然會面臨泥沙、冰情與水溫的耦合問題，如入庫含沙量較高時庫區形成水溫倒溫分布、泥沙異重流加速庫底滯溫層水體出庫、庫區或庫尾結冰和解凍延遲、結冰空間范圍縮小等。
3、水庫冰-水-沙的相互作用，主要體現在泥沙異重流對水庫熱狀態的影響，由于泥沙異重流本身運動就較為復雜，再加上水溫分層的影響，使得水溫、泥沙耦合的雙重異重流的運動更加復雜。高含沙水體進入水庫后，不僅既有的水溫分層結構具有破壞作用，同時對水庫的分層流
4、水溫是影響魚類繁殖產卵的關鍵因素之一。不同魚類在其繁殖過程中對水溫有著特定的要求，適宜的水溫能刺激魚類性腺發育成熟，促使它們進入繁殖狀態。此外，泥沙中攜帶了豐富的生源物質，泥沙的運動分布改變了水體的物理環境以及水體中的物質通量，進而對浮游動植物以及魚類產生影響。因此，準確預測水溫的變化過程以及泥沙的運動過程，可以為河庫水生生態保護和管理提供科學依據。
5、綜上所述，高含沙量以及冰情等現象的存在給水庫水溫冰情反演帶來了巨大挑戰，也對模型的適用性提出了更高要求。同時，對高含沙河流水庫水溫、泥沙的準確預測也具有重要意義。因此，開展水-冰-沙耦合模型的研究，反演寒區多沙河流水庫水溫與冰情具有重要的科學意義和工程實用價值，可為寒區多沙河流上的水庫水溫調控、泥沙調控、防凌減災以及生態保護提供科學依據。
技術實現思路
1、本專利技術的目的是為了克服現有技術中的不足，提供一種水庫泥沙和溫度雙重異重流反演及預測方法，對水庫的水溫、冰情及含沙量進行準確高效的模擬，反演、預測和評估高含沙河流水庫的水溫、冰情的熱力時空變化與泥沙對水溫、冰情的影響程度和范圍。
2、本專利技術中的關鍵環節是同通過泥沙分組計算沉速實現對泥沙異重流的準確模擬。泥沙異重流在水中潛行過程中，受到上層清水的阻力作用，因此異重流在運動過程中也會帶動一部分上層清水向前，同時異重流在與清水混合的過程中，也會侵占原來清水的位置，由此在異重流上方會形成清水環流，如圖2所示，異重流潛入點附近表層水體運動方向與渾水相反，也稱作反向的補償流。來流含沙量高是會下潛形成底層異重流，靠近庫尾的上層清水會形成漩渦，而壩前區域由于取水口的抽吸作用，紊動較強，流態較為復雜，近壩區異重流的流向與上方出水口水流的流向雖然相同，但是存在較大的流速差，使得中層水體受力不平衡，對庫區流場擾動作用較大，水庫熱狀態進一步改變。
3、本專利技術提供了一種水庫泥沙和溫度雙重異重流的反演及預測方法，其包括以下步驟：
4、步驟1建立水溫-泥沙-冰耦合模型；所述水溫-泥沙-冰耦合模型包括水動力模塊、沙模塊、水溫模塊和冰模塊；
5、所述水動力模塊包括水流連續方程、動量方程、紊流方程、關于水體密度的水體狀態方程、由連續方程沿垂向積分得到的自由水面方程；
6、所述沙模塊包括考慮泥沙沉降后的懸移質對流擴散方程；
7、所述水溫模塊包括熱量輸移方程；
8、所述冰模塊包括初始冰蓋生成方程和冰蓋熱力生消方程；
9、步驟2構建水庫沿水流和水深方向的剖面模型，劃分成若干網格單元，并設置邊界條件和初始條件；
10、步驟3對水溫-泥沙-冰耦合模型進行求解，獲得水庫的庫區含沙量時空分布、水溫時空分布和冰情時空分布；該步驟包括以下分步驟：
11、步驟3.1依據前一時刻的水力、含沙量、冰情空間分布，通過水力模塊初步獲取當前時刻的水力空間分布；
12、步驟3.2依據前一時刻的含沙量空間分布以及當前時刻的水力空間分布，通過含沙量模塊獲取當前時刻的含沙量空間分布；
13、步驟3.3依據前一時刻的水溫空間分布以及當前時刻的水力空間分布，通過水溫模塊獲取當前時刻的水溫空間分布；
14、步驟3.4遍歷水庫表層網格單元，判斷當前時刻表層網格單元水溫是否降至冰點以下，若是，則通過冰蓋初始生成方程確定初始冰蓋厚度，并設定表層水溫為冰點和該表層網格單元屬性由無冰狀態轉變為有冰狀態，然后進入步驟3.5，否則直接進入步驟3.5；
15、步驟3.5遍歷水庫表層網格單元，計算已存在冰厚的表層網格單元冰厚變化值，判斷冰蓋的生消過程；如冰厚變化值為正，則冰厚發生生長過程；若冰厚變化值為負，則冰厚發生消融過程，當前一時刻冰厚小于消融的冰厚變化值時，當前表層網格單元狀態由有冰狀態轉變為無冰狀態；
16、增加時間步長，重復上述步驟s3.1-3.5，直至達到設定時間段上限，得到水庫的庫區水力時空分布、含沙量時空分布、水溫時空分布和冰情時空分布。
17、本專利技術核心思想是在考慮高濃度含沙水流對水庫水動力、水溫影響計算的基礎上，進一步開展冰情的計算。本專利技術提出了水溫-泥沙-冰耦合模型，如圖1所示，其包括水動力模塊、沙模塊、水溫模塊和冰模塊。泥沙模塊采用分組中值粒徑確定群體泥沙沉降速度，模擬溫差異重流與泥沙異重流的耦合效應，進而實現水庫水-冰-沙的時空變化規律的反演與預測。
18、本專利技術中的關鍵環節是通過泥沙分組計算沉速實現對泥沙異重流的準確模擬。泥沙異重流在水中潛行過程中，受到上層清水的阻力作用，因此異重流在運動過程中也會帶動一部分上層清水向前，同時異重流在與清水混合的過程中，也會侵占原來清水的位置，由此在異重流上方會形成清水環流，如圖2所示，異重流潛入點附近表層水體運動方向與渾水相反，也稱作反向的補償流。來流含沙量高是會下潛形成底層異重流，靠近庫尾的上層清水會形成漩渦，而壩前區域由于取水口的抽吸作用，紊動較強，流態較為復雜，近壩區異重流的流向與上方出水口水流的流向雖然相同，但是存在較大的流速差，使得中層水體受力不平衡，對庫區流場擾動作用較大，水本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種水庫泥沙和溫度雙重異重流的反演及預測方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的水庫泥沙和溫度雙重異重流的反演及預測方法，其特征在于，步驟1中，水流連續方程為：
3.根據權利要求1或2所述的水庫泥沙和溫度雙重異重流的反演及預測方法，其特征在于，將懸移質泥沙分為i個級別，各級別的懸移質對流擴散方程為：
4.根據權利要求3所述的水庫泥沙和溫度雙重異重流的反演及預測方法，其特征在于，熱量輸移方程為：
5.根據權利要求4所述的水庫泥沙和溫度雙重異重流的反演及預測方法，其特征在于，初始冰蓋厚度通過下式求得：
6.根據權利要求1所述的水庫泥沙和溫度雙重異重流的反演及預測方法，其特征在于，步驟2中，所述水庫邊界條件包括入流流量、入流水溫、入流沙量及級配情況、氣象條件、出庫流量，所述初始條件為給定的流場、溫度場和泥沙場，初始冰厚為0，即水庫表層不存在冰蓋。
7.根據權利要求1所述的水庫泥沙和溫度雙重異重流的反演及預測方法，其特征在于，水力時空分布包括流速、水面高程隨時間變化過程；含沙量時空分布即為庫區含
8.根據權利要求1所述的水庫泥沙和溫度雙重異重流的反演及預測方法，其特征在于，時間步長滿足以下公式條件：
9.根據權利要求1至8所述的水庫泥沙和溫度雙重異重流的反演及預測方法，其特征在于，步驟3.2中，通過懸移質對流擴散方程，對不同級別的泥沙分別計算并得到相應的含沙量分布，進一步對水體密度進行更新。
...【技術特征摘要】
1.一種水庫泥沙和溫度雙重異重流的反演及預測方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的水庫泥沙和溫度雙重異重流的反演及預測方法，其特征在于，步驟1中，水流連續方程為：
3.根據權利要求1或2所述的水庫泥沙和溫度雙重異重流的反演及預測方法，其特征在于，將懸移質泥沙分為i個級別，各級別的懸移質對流擴散方程為：
4.根據權利要求3所述的水庫泥沙和溫度雙重異重流的反演及預測方法，其特征在于，熱量輸移方程為：
5.根據權利要求4所述的水庫泥沙和溫度雙重異重流的反演及預測方法，其特征在于，初始冰蓋厚度通過下式求得：
6.根據權利要求1所述的水庫泥沙和溫度雙重異重流的反演及預測方法，其特征在于，步驟2中，所述水庫邊界條件包括入流流量、入流水溫...
【專利技術屬性】
技術研發人員：脫友才，何智娟，鄧云，郭丹陽，賈云霄，郝方，劉海濤，喬亮，
申請(專利權)人：四川大學，
類型：發明
國別省市：
還沒有人留言評論。發表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。