[发明专利]基于分裂算法的湖泊三维水动力-水温-水质模拟预测方法

说明书

技术领域

本发明属于湖泊水环境数值模拟技术领域，更具体地，涉及一种基于分裂算法的湖泊三维水动力-水温-水质模拟预测方法。本发明提出的湖泊三维水动力-水温-水质模拟预测方法，可用于河湖连通工程、引水调度、湖泊水体富营养化、湖泊水环境修复和管理等方面，为湖泊生态环境的治理和保护提供有效的技术手段和科学的决策分析。

背景技术

湖泊作为陆地水资源的重要载体，是地球水圈的关键组成单元，是人类赖以生存和可持续发展的自然依托，但目前我国湖泊却遭受着湖泊水资源萎缩、水污染和富营养化等水环境问题，已给我国社会经济发展和人民的生活环境带来了严重的影响。湖泊水环境保护和综合治理已经成为资源、环境、生态领域亟需解决的关键科学问题。本发明所提出的湖泊三维水动力-水温-水质模拟预测方法，对于促进我国水生态文明建设，打造天蓝、地绿、水美的“美丽中国”和实现“中国梦”具有重要的科学意义。

原型观测和数值模拟是湖泊水环境研究的主要技术手段，但由于湖流运动在时间和空间上呈现出高度复杂性，原型观测往往受条件限制，无法做到同步监测，而数值模拟，由于费用低、物理意义明确，并能较真实地反映湖泊水体的水动力、水温和水质状况和理化生过程，已经成为支持水环境研究的重要技术手段。合适的湖泊水环境模型和稳定高效的模型求解算法是湖泊水环境数值模拟技术的关键。目前，湖泊水环境数值模拟技术存在以下不足：

1.传统湖泊水环境模型求解方法通常采用单一的数值格式对模型进行离散求解，导致计算要求的稳定条件无法满足或计算工作量大、计算效率低等问题。例如，采用纯显格式对模型进行离散，可能因不满足CFL稳定判据而造成计算结果发散的现象；而采用纯隐格式对模型进行离散，虽然保证了计算稳定性，但是必须在整个求解区域上解大规模非线性代数方程组，导致计算效率低；

2.在实际问题中，模型的数学控制方程往往被简化成二维甚至是一维，虽然合理的简化易于求解，但是自然水体是三维的，简化的一、二维模型并不能真实地反映水体在纵向、横向、垂向上的变化过程；

3.湖泊水环境中物质输移、能量转换等物理过程联系紧密、相辅相成，湖泊水动力过程是水温热量传递过程和污染物质输移过程的驱动条件。而某些研究基于过于简单的假设，将水温、水质过程视为孤立的单一过程，并未考虑它们与水动力等过程的耦合效应，导致模拟的结果与真实的湖体情况存在较大差异。

随着科研人员对湖泊水体复杂过程更深刻的认识，国内外近年来发表的与本发明相关的主要研究成果有：

《水力发电学报》2005年第1期《非静压假定的σ坐标下垂向二维浅水模型的应用研究》对非静压假定的σ坐标下垂向二维浅水模型进行了应用研究。该文采用的是垂向二维的浅水模型，而本发明构建的是三维水动力-水温-水质模型。

《水动力学研究与进展A辑》2009年第24卷3期《基于非结构化网格上的三维微幅表面流动非静压数值模型》建立了基于非结构化网格求解三维微幅自由表面流动非静压数值模型，一种有限差分法和有限体积法相结合的方法被用来在非结构化网格上离散控制方程。该文建立的非静压三维模型是解决微幅自由表面的流动问题，而本发明解决的是湖泊水动力-水温-水质模拟预测问题。

《环境科学学报》2012年第32卷12期《湖泊水质模型SALMO在太湖梅梁湾的应用》对水质模型在太湖梅梁湾的运用做出了细致的研究。该文的湖泊水质模型SALMO并没有考虑水动力等过程对水质过程的影响，而本发明构建的水动力-水温-水质模型体现了水动力过程对水温及水质过程的影响。

《昆明理工大学学报》杂志2013年38卷第一期《洱海湖泊及湖湾三维水动力模型构建及特征分析》针对洱海湖泊及湖湾建立了三维水动力模型，对其流场、水温进行了研究。虽然该文建立的模型适合描述湖泊三维水动力过程，但是该文的模型求解方法并未涉及本发明的分裂算法思想。

《InternationalJournalforNumericalMethodsinFluids》杂志2008年56卷第六期《Athree-dimensionalnon-hydrostaticverticalboundaryfittedmodelforfree-surfaceflows》建立了三维非静压有限体积模型，用来模拟在垂向边界适应网格上的自由水面流动，而本发明是为了解决湖泊水动力-水温-水质模拟预测问题。