河道型水库支流库湾水体水动力特性分区方法

摘要

本发明涉及一种河道型水库支流库湾水体水动力特性分区方法。具体来说，本发明是根据数值计算结果对多种因素共同作用下河道型水库支流库湾水动力特性分区进行合理划分的方法。在用数值方法得利水动力场后，首先分别在干支流入流边界条件上给定守恒物质输入作为示踪剂，通过分析研究区域内示踪剂浓度可确定出干流影响区的合理范围，在干流影响区外，可从上游到下游依流速大小分别划分出河道区，过渡区，湖泊区。采用该方法可在不过多依赖现场监测的情况下，得到可靠的结果，在河道型水库支流库湾的前期区域规划中对区域的水动力特性进行分区，结合各分区的特点对区域进行合理规划，充分利用区域内的自然特性，有效提高规划的可行性。

说明书

技术领域

本发明属于环境保护与资源综合利用的技术领域，特别是涉及一 种河道型水库支流库湾水动力特性分区的方法。

背景技术

随着我国水电开发目标的转变，近年来，国家相关部门提出了在 保护环境的前提下大力发展水电，水电开发逐步由经济技术制约阶段 转变的环境制约阶段，因此在水电开发前期，需要针对拟开发的水电 库区进行调查，评价水电开发的合理性，并根据库区的经济发展条件 制定合理的区域发展政策。水库成库后，由于水体输移能力减弱，在 库区一些支流库湾，如果氮、磷等营养源充足，在光照比较充分的情 况下，会在部分区域产生“水华”现象，影响库区人民的生产生活，因 此对水库支流库湾沿岸进行合理的规划，避免“水华”现象对人民群众 产生较在影响显得尤为重要。

现有研究表明，水动力场的分布对湖库内“水华”的生消有较大的 影响，在其它条件基本相同的情况下，由于水动力特性的不同，在湖 库内可产生较为明显的生态分区，特别是对于河道型水库支流库湾而 言，表现更为突出。如蔡庆华等（湖泊科学，2012）分析了三峡库区 水环境动态的时空异质性、水库纵向分区与群落组成、垂向分布及藻 类水华的成因和动态后指出，三峡水库干流与香溪河库湾水力学特征 的差异是驱动其水环境动态的关键因素，其干支流水力条件是研究重 点。因此对于河道型水库支流库湾而言，对其水动力特性进行合理划 分，是区域水环境治理和规划的主要依据。

就现有文献来看，目前相关文献仅是比较笼统的指出河道型水库 支流库湾应当被分为干流影响区、湖泊区、过渡区及天然河道，但并 无相关文献对库湾水动力特性分区提出明确的划分方法。现有文献及 专利依据监测结果对湖库的营养物进行生态分区，如公开号为 CN102496067A的一种湖泊营养物分区控制技术方法发明专利及公开 号为CN102495877A的一种湖泊营养物生态分区边界识别的技术方法， 给出了湖泊营养物及生态分区的相关方法，可提供比较好的借鉴。但 应指出，这种方法需依靠大量的现场长时间序列的监测数据，对于拟 修建的水库，无法依据这些方法掌握库区支流库湾的生态分区，因此 需要提供一种合理的预测方法，为库湾支流区域内的规划和发展提供 参考。

公开于该发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般 背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成 已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供河道 型水库支流库湾水体水动力特性分区方法。

为了达到上述目的，本发明提供一种河道型水库支流库湾水体水 动力特性分区方法，其包括以下步骤：

㈠采用数值方法获得研究区域内的水动力场，并存储水动力场的 计算结果；

㈡分别在干支流上游入流边界上设置单位密度的守恒物质为示踪 剂，利用存储的水动力场计算结果分析示踪剂在库湾内的时空分布， 若在研究时段计算区域内各点干支流示踪剂浓度与初始值之比的和不 大于0.9，则需将计算初始时段向前推移，当在研究时段区域内各点干 支流示踪剂浓度与初始值之比的和大于0.9时，存储示踪剂时空分布结 果，进行下一步分析；

㈢读取存储的示踪剂时空分布结果，统计计算区域内各点干流示 踪剂在指定时段内的浓度分布，若研究区域内某一点的干流示踪剂浓 度与干流示踪剂浓度初始值之比，在指定时段80%的时间内都大于 60%，则该点在研究时段内处于干流影响区，否则该点在研究时段内不 在干流影响区；

㈣若该点不在干流影响区，读取水动力场的计算结果，统计该点 平均流速的时间分布，若在指定时段80%的时间内都小于0.01m/s，则 该点在研究时段内处于湖泊区；若该点平均流速在指定时段80%的时 间内都大于0.01m/s且不大于0.05m/s，则在研究时段内处于过渡区； 若该点平均流速在指定时段80%的时间内都大于0.05m/s，则该点在研 究时段内处于天然河道区；

㈤根据各点的分析结果，将各点水力特性归类，若在1km的河段 内，有60%以上的点都处于一水力特性区，则可认为该河段都处于该 水力特性区，逐段统计即可得到研究区域在研究时段内的水力特性分 区结果。

上述的河道型水库支流库湾水体水动力特性分区方法中，计算区 域应包括河道型水库干流及支流库湾；水库的计算范围可在与支流库 湾交汇处上下游各选一段，并且长度应大于五十倍水深，从而提高计 算效率。

上述的河道型水库支流库湾水体水动力特性分区方法中，干流与 支流的示踪剂所用的守恒物质应不同。

本发明的有益效果是：实现一种河道型水库支流库湾水体水动力 特性的准确分区，为支流库湾水环境问题的监测、预报、分析及治理 提供了分区对待的依据，有效提高规划的可行性，为人类更合理利用 水资源提供了方法。

附图说明

图1为本发明所提供的方法的流程图。

图2为计算区域示意图。

图3为水动力特性分区与水华时空分布对应图。

具体实施方式

图1为根据本发明的河道型水库支流库湾水体水动力特性分区方 法的流程图。

根据本发明的河道型水库支流库湾水体水动力特性分区方法，可 以先确定研究区域及研究时段的范围，然后根据研究区域的大小选择 需要进行数值计算的区域，数值计算的区域应大于研究区域，数值模 拟的时段也应包含研究时段。为在数值模拟时考虑河道型水库干流对 库湾支流的影响，数值模拟的区域应包含部分水库干流区，且干流区 的范围应能包含干支流交汇处，同时上、下游边界距干支流交汇处的 距离应超过50倍水深，若不考虑计算效率，模拟区域选择范围越大越 好。模拟区域选定后，对区域进行网格划分，划分的网格需满足正交 性要求。在数值模拟时，选定模拟时段后，需要给定边界条件及初始 条件，边界条件包含上游边界条件、下游边界条件、壁面边界条件三 大类，其中上游边界条件包括干流流量边界及库湾支流流量边界，下 游边界条件通常给定水位边界条件；上游流量边界及下游水位边界可 根据分析工况的不同，通过历史水文资料分析确定。壁面边界给定为 无滑移边界；初始条件应与模拟时选用的边界条件相适应，以保证数 值模拟的稳定性。模拟完成后，对水动力场的模拟结果进行存储。

此外，采用数值方法获得水动力场是本领域技术人员公知的技术， 因此不再过多赘述。

在得到水动力场的模拟结果后，分别在干流上游入流边界条件及 库湾支流上游入流边界条件分别加入守恒物质A和守恒物质B作为示 踪剂，利用存储的水动力场计算结果分析示踪剂在库湾内的时空分布， 若在研究时段计算区域内各点干支流示踪剂浓度与初始值之比的和小 于0.9，则说明选择计算初始时段与研究时段起始时间间隔过短，需将 计算初始时段向前推移，当在研究时段区域内各点干支流示踪剂浓度 与初始值之比的和大于0.9时，存储示踪剂时空分布结果，进行下一步 分析；

得到示踪剂的时空分布后，选定分析时段（需要重点关注的时段， 如春未夏初水华高发期），研究沿库湾支流河道中心线上示踪剂浓度 的时空分布，若研究区域内中心线上某点沿垂向干流示踪剂平均浓度 与干流示踪剂浓度初始值之比，在选定的分析时段80%的时间内都大 于60%，则认为该点在分析时段内处于干流影响区；若恰有相邻两点， 下游点在选定的分析时段80%的时间内都不小于60%，上游点在选定 的分析时段80%的时间内都小于60%，则两点中的下游点所处位置可 视为干流影响区的上边界，在该边界下游至支流河口，为干流影响区；

统计干流影响区外沿库湾支流河道中心线上水动力场的计算结 果，统计某点平均流速的时间分布，若该点在分析时段80%的时间内 都小于0.01m/s，则该点在研究时段内处于湖泊区；若在1km的范围内， 有60%以上的点处于湖泊区，则该河段处于湖泊区；若有一河段存在， 在该河段下游，有60%以上的点处于湖泊区，而在该河段上游，不满 足60%以上的点处于湖泊区的条件，则该河段中点可作为湖泊区的上 游边界线，在该边界下游至干流影响区上边界为湖泊区；

同样，统计干流影响区及湖泊区外沿库湾支流河道中心线上水动 力场的计算结果，统计某点平均流速的时间分布，若该点在分析时段 80%的时间内都大于0.05m/s，则该点在研究时段内处于天然河道区； 若在1km的范围内，有60%以上的点在研究时段内处于天然河道区， 则该河段在天然河道区；若有一河段存在，在该河段上游，有60%以 上的点在研究时段内处于天然河道区，而在该河段下游，不满足有60% 以上的点在研究时段内处于天然河道区的条件，则该河段中点可作为 天然河道的下游边界线，在该边界上河段为天然河道区；

库湾支流介于天然河道的下游边界线与湖泊区的上游边界线之间 的区域为过渡区。

下面，按照本发明的方法提供一个更为具体的实施例。

应用本发明的方法对三峡库区支流香溪河库湾选取三峡蓄水初期 春季为研究时段的水动力特性分区进行判别。首先按发明所述步骤对 计算区域进行选择：对支流库湾而言，支流计算范围选择为高阳镇到 河口；在河口与长江交汇段，长江水深约为120m，50倍水深为6km， 根据所述方法长江干流在交汇处上游段的计算范围应大于6km，实际 选择为9km，交汇处下游段的计算范围应大于6km，实际选择为9km， 计算范围选取如图2所示；以某一年的实测流量资料在香溪河上游边 界给定入流边界条件，在长江上游边界给定入流边界条件，在长江下 游边界给定水位边界条件；初始条件通过计算初始时刻相对应的香溪 河上游流量、长江上游流量及长江下游水位所共同确定的恒定流时稳 定的水动力场获得；初始条件及边界条件确定后，采用数值方法计算 研究区域在研究时段内的水动力场并存储；然后在得到的水动力动力 场的基础上，在长江上游流量边界给定单位密度的守恒物质A作为长 江示踪剂，在香溪河上游流量边界给定单位密度的守恒物质B作为香 溪河示踪剂，计算研究时段内示踪剂的时空分布情况，若在研究时段 计算区域内各点干支流示踪剂浓度与初始值之比的和小于0.9，则需将 计算初始时段向前推移，当在研究时段区域内各点干支流示踪剂浓度 与初始值之比的和大于0.9时，并存储示踪剂分布的计算结果。

按发明所述方法对支流沿河道中心线上各点长江示踪剂的时空分 布进行分析，可知，在距河口8km处，其下游点在选定的分析时段80% 的时间内都不小于60%，上游点在选定的分析时段80%的时间内都小 于60%，该点可视为干流影响区的上边界；

同理，依发明所述方法对对支流沿河道中心线上各点平均流速进 行统计，可知，在距河口16km处，在该点下游，所有河段处于湖泊区， 而在该河段上游，不满足60%以上的点处于湖泊区的条件，则该点为 研究期间湖泊区的上游边界线；在距河口22km处，在该点上游，所有 河段处于天然河道区，平均流速80%时间内大于0.05m/s，而在该点下 游河段，不满足60%以上的点处于天然河道区的条件，则该点为研究 期间天然河道区的下游边界线；在天然河道区的下游边界线及湖泊区 的上游边界线之间为过渡区。

综上分析结果可知，在三峡蓄水初期春季，香溪河库湾支流水动 力特性分区如下表所示：

水动力特性分区名称 河口区 湖泊区 过渡区 天然河道区 位置（距河口距离） 8km以下 8km~16km 16km~22km 22km以上

表1峡蓄水初期春季香溪河库湾支流水动力特性分区结果表

将水动力特性分区结果绘制在该时段的香溪河库湾叶绿素时空分 布图上可知（如图3所示），在不同的水动力特性分区，水华的生消 变化有明显不同，河口区及天然河道区的水华严重性明显弱于湖泊区 及过渡区，湖泊区的持续时间最长，但峰值不高；过渡区水华暴发持 续时间比湖泊区短，但暴发峰值较高。说明采用的水动力特性分区方 法可很好区分出不同区域的生态特性，可针对不同区域的特点采取不 同治理措施。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替 换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。