[发明专利]一种提高环抱式港池水体交换能力的设计方法

摘要

本发明涉及一种提高港池水体交换能力的设计方法，其特征在于主要包括：步骤一，建立平面二维对流扩散数学模型；步骤二，对港区水体交换能力进行评价；步骤三，环抱式港池水体交换机理分析；步骤四，工程方案计算及影响水体交换功能改善主要因素分析；步骤五，形成提高环抱式港池水体交换能力的工程改善方案。本发明能够通过计算港区Peclet数分布，得出对流与扩散之间的关系及影响港区水体交换的主要因素，从而揭示提高环抱式港区水体交换能力的机理，可对设置水体交换通道的方案进行优化设计，进而提高港池水体交换能力。

主权项

1.一种提高环抱式港池水体交换能力的设计方法，其特征在于包括如下具体步骤：步骤一，建立平面二维对流扩散数学模型：在已建立并经验证的二维潮流数学模型基础上，增加对流扩散模块，利用潮流模型的水动力结果计算物质传输过程；在进行潮流数值计算时，对于开边界，由东中国海潮波数学模型提供；对于闭边界，取法向流速为0，同时采用干湿判别方法进行动边界处理，利用实测水文资料对模型参数进行率定，验证达到精度要求后，再进行潮流数值模拟，所述二维平面潮流数学模型的控制方程见式（1）连续方程、式（2）和式（3）运动方程：∂h∂t+∂hu‾∂x+∂hv‾∂y=0---(1)]]>∂hu‾∂t+∂hu‾2∂x+∂hvu‾∂y=fv‾h-gh∂η∂x-τbxρ0+∂∂x(hTxx)+∂∂y(hTxy)---(2)]]>∂hv‾∂t+∂hv‾2∂y+∂huv‾∂x=-fu‾h-gh∂η∂y-τbyρ0+∂∂y(hTyy)+∂∂x(hTxy)---(3)]]>以上式（1）至式（3）中：x、y为笛卡尔坐标；t为时间变量；η为水位；h代表总水深，且有h=d+η，d为静水深；为x、y方向深度平均速度；τ_bx、τ_by为x、y方向底部应力；ρ₀为水的密度；f为科氏力系数，且g为当地重力加速度；T_xx、T_yy、T_xy为水平粘滞应力项；在已验证的二维平面潮流数学模型的基础上，耦合对流扩散模块，建立对流扩散模型；对流扩散方程见式（4）和式（5）：∂hC‾∂t+∂hu‾C‾∂x+∂hv‾C‾∂y=hFC---(4)]]>FC=[∂∂x(Dh∂∂x)+∂∂y(Dh∂∂y)]C---(5)]]>以上式（4）和式（5）中：为垂线平均标量；F_C为水平扩散项；D_h为水平扩散系数；步骤二：对港区水体交换能力进行评价：以水体半交换周期为评价指标，设水体浓度为均匀分布、给定初始港区污染物浓度为G₀=1、港区外水体浓度为G₁=0，在潮流作用下，使港湾内外水体产生交换，在交换过程中，湾内水质不断更新，浓度逐渐减小，湾内平均浓度变为：0<G<1，当湾内的平均浓度降低到0.5时所用的时间即为水体的半交换周期；以半交换周期短来表明水体交换能力强；以半交换周期长来表明水体交换能力弱；步骤三，确定环抱式港池水体交换关系：港区水体交换能力主要与对流及扩散作用相关，且对流与扩散的作用各不相同，两者关系采用Peclet数表示，当P_e≥2时，水流表征为对流占优；当P_e<2时，水流表征为扩散占优；Peclet数计算见式（6）至式（10）：vt=cs2l22SijSij---(6)]]>Sij=12(∂u∂y+∂v∂x)---(7)]]>l=2ΔxΔy---(8)]]>D_h=v_t/σ_t    （9）pe=UlDh---(10)]]>以上式（6）至式（7）中：c_s为Samagorinsky常数；l为特征长度，具体为2倍的网格特征尺度；S_ij为变形率；△x、△y为x、y方向上网格长度；D_h为水平扩散系数；v_t为水平涡流粘度；σ_t为湍流施密特数；P_e为无量纲Peclet数；U为网格内平均流速；l为特征长度；通过计算港区的Peclet数分布，得到港区对流与扩散之间的关系；若对流占优，表明港区水体交换能力与水流流速相关；如扩散占优，则表明港区水体交换能力与水平涡流粘度相关；由于环抱式港池的Pelect数大于2，则表明港区水体交换能力与水流流速相关；利用模型中潮流模块计算港区的水流流速分布，对于流速较小的区域，则表明该区域水体交换能力较弱；步骤四，工程方案计算及影响水体交换功能改善主要因素分析：在上述建立的对流扩散模型基础上，对水体交换能力较弱的区域设置水体交换通道，通道断面为矩形，根据水体交换通道断面尺寸的不同，设计不同工程方案，分别进行潮流运动和对流扩散模拟；通过对各方案数值模拟结果的处理和分析，得出影响环抱式港池水体交换功能改善的主要因素；步骤五，形成提高环抱式港池水体交换能力的工程改善方案：综合考虑影响港区水体交换的主要因素及工程方案效果，确定一种改善环抱式港池水体交换能力的具体方案，即根据环抱式港池水体交换中对流占优的特性，对港区水体交换能力较弱的区域设置水体交换通道；又根据水体交换通道断面尺寸对水体交换的影响，并结合工程实际需求，确定合理工程方案，最终满足港区水体交换要求。