一种热分层水库溶解氧预测方法

技术领域

本发明属于热分层水库溶解氧的技术领域，具体涉及一种热分层水库溶解氧预测方法。

背景技术

热分层水库，一般是调节能力强、库容大、流速小的深水水库，每年会出现明显的热分层现象。随着流域污染负荷的大量增加，水体富营养化现象时有发生，热分层水库水体缺氧问题严重，水体缺氧已成为严重的全球性生态环境问题。由于热分层水库内部能质体系的多样性和复杂性，热分层水库溶解氧的演化成因目前尚不完全清楚，研究其演变机制对制定水库水质保护和管理策略至关重要。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种热分层水库溶解氧预测方法，以解决现有技术仍然对热分层水库溶解氧演化成因不清楚的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种热分层水库溶解氧预测方法，其包括：

S1、基于水库水动力特征，分析得到水库水动力过程作用下溶解氧演化的空间特征；

S2、基于水库热分层溶解氧的层化结构特征，分析得到热分层作用下水库溶解氧演化的空间特征；

S3、根据水库生物和化学作用，分析得到水库生物和化学过程作用下溶解氧演化的空间特征；

S4、根据水库水动力特征、水库热分层溶解氧的层化结构特征以及水库生物和化学作用，构建热分层水库溶解氧的预测模型；

S5、预测模型计算包括短波辐射、大气及水面的长波辐射、水面蒸发、大气和水体的热传导的水面热交换方程；

S6、预测模型计算包括水体化学过程、生物过程以及沉降的水质反应方程：

S7、预测模型进行BOD平衡模拟、氮平衡模拟和叶绿素a的平衡模拟，并给定预测模型的边界条件，得到对水库热分层溶解氧的预测。

优选地，S1中基于水库水动力特征，分析得到水库水动力过程作用下溶解氧演化的空间特征，包括：

水库水动力特征包括水体溶解氧的物质随着水体运动而迁移到其他位置，水力输运过程包括对流和扩散，其中，基于Fick定律计算水动力扩散中的分子扩散：

其中，F为物质在水中沿作用面法线方向n的通量；C为物质的浓度；D为物质在水体中的分子扩散系数。

优选地，S2中基于水库热分层溶解氧的层化结构特征，并根据非线性关系计算得到的纯水密度，采用施密特稳定性指数、APE潜在势能指数、梯度理查森数、水体浮力频率的平方或无量纲韦德伯恩数计算热稳定性度量指标，包括：

根据水体温度的变化将引起密度的变化，计算水体水温和密度之间的非线性关系，并根据所述非线性关系，进行水库热分层的划分，其中，非线性关系为：

ρ

其中，T为水温；ρ

基于施密特稳定性指数，判断水库热稳定性：

其中，S为稳定性；Z为水体总深度；A

计算水体完全混合时外部施加的动能：

其中，APE为水体潜在的势能总量，Z为水体总深度；ρ为不同水层处水体密度；ρ

基于梯度理查森数，计算浮力对水体垂向稳定作用与混合的非稳定作用之间的关系：

其中，R

根据水体稳定性、风力、混合层状况比率参数，确定温跃层的倾斜程度以及倾斜而产生的导致水体扰动和混合的上升流：

其中，W为无量纲韦德伯恩数；R

优选地，S2中热分层水库溶解氧演化的空间特征包括：

根据表水层厚度Z

当Z

当0.5＜Z

当1＜Z

当Z

优选地，S3根据水库生物和化学作用，分析得到水库生物和化学过程作用下溶解氧演化的空间特征，包括：

水库生物和化学过程包括生物的光合作用、呼吸作用和分解作用，并直接或间接驱动氧、氮、铁、锰、硫、磷的循环；

其中，光合作用、呼吸作用中氧循环过程为：

CO

(CH

其中，氮循环过程为：

水体有机颗粒沉降过程中分解作用耗氧，计算水体中有机颗粒的沉降速度：

其中，v

可得有机颗粒沉降速率小，10μm的颗粒沉降10m需要40天，沉降过程中有机颗粒被异养细菌利用，表水层有大量有机颗粒下沉，并消耗大量氧气。

优选地，S6中根据预测模型计算包括短波辐射、大气及水面的长波辐射、水面蒸发、大气和水体的热传导的水面热交换方程为：

Δq＝q

其中，Δ

优选地，S7根据预测模型计算包括水体化学过程、生物过程以及沉降的水质反应方程为：

其中，C为物质的浓度；u、v、w分别为x、y、z三个方向的流速；D

本发明提供的热分层水库溶解氧预测方法，具有以下有益效果：

本发明根据热分层水库的层化空间特征、水动力特征和生化特征，构建水库的预测模型，并根据预测模型实现对水库热分层溶解氧的预测。

附图说明

图1为热分层水库溶解氧演化的外部因素及作用强度仿真示意图。

图2为热分层水库溶解氧演化的内部因素和作用强度仿真示意图。

图3为水库水质模型主要物理、化学和生物过程。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

根据本申请的一个实施例，参考图1，本方案的热分层水库溶解氧预测方法，包括：

S1、基于水库水动力特征，分析得到水库水动力过程作用下溶解氧演化的空间特征；

S2、基于水库热分层溶解氧的层化结构特征，分析得到热分层作用下水库溶解氧演化的空间特征；

S3、根据水库生物和化学作用，分析得到水库生物和化学过程作用下溶解氧演化的空间特征；

S4、根据水库水动力特征、水库热分层溶解氧的层化结构特征以及水库生物和化学作用，构建热分层水库溶解氧的预测模型；

S5、预测模型计算包括短波辐射、大气及水面的长波辐射、水面蒸发、大气和水体的热传导的水面热交换方程；

S6、预测模型计算包括水体化学过程、生物过程以及沉降的水质反应方程：

S7、预测模型，进行BOD平衡模拟、氮平衡模拟和叶绿素a的平衡模拟，并给定预测模型的边界条件，得到对水库热分层溶解氧的预测。

根据本申请的一个实施例，以下将对上述步骤进行详细说明。

步骤S1、基于水库水动力特征，分析得到水库水动力过程作用下对溶解氧演化的空间特征，其具体包括：

水库水动力过程包括水库的入流和出流过程，能够引起水位的快速升降，有利于水体的混合。不同季节水库入流水体的密度不同，进入之后将以表层流、内部流和底部流的形式成为密度流，驱动水库环流。水库出流过程和排水口的垂向位置对水库水动力影响很大，水库出流流量的大小决定了水体在水库中的平均滞留时间，也就是水力停留时间，它反映水库水体交换能力的强弱，是水库水动力特征的重要指标，故计算水力停留时间为：

其中τ为水力停留时间，V为水库体积，Q为水库出流流量。水力停留时间越长，水库水体流动性越差；反之，则水库流动性大，水流运动对水库水动力影响越大。

计算水库水动力过程对溶解氧的影响：

其中，F为物质在水中沿作用面法线方向n的通量；C为物质的浓度；D为物质在水体中的分子扩散系数；F为分子扩散的主要判断指标，在快速流动过程中溶解氧等物质垂向和横向均匀混合，浓度均匀分布。随着水库流速变缓、水深增大，水库中对流和扩散作用相当，水温和溶解氧在垂向上均表现出分层作用。

步骤S2、基于水库热分层溶解氧的层化结构特征，得到热分层作用下水库溶解氧演化的空间特征，并根据热稳定性度量指标分别判断水库热稳定性，其具体包括：

根据水体温度的变化将引起密度的变化，计算水体水温和密度之间的非线性关系，并根据所述非线性关系，进行水库热分层的划分，其中，非线性关系为：

ρ

其中，T为水温；ρ

水库表层吸收太阳能后水温升高，在风浪不足于将整个水体扰动的情况下，水体不能维持垂向均一的水温，产生温度差，继而导致垂向的密度分层，密度分层又会很大程度的抑制垂向混合。当垂向温度差小、密度差异小时，垂向混合的阻力小于风浪产生的扰动时，垂向分层被打破，发生垂线混合。

基于施密特稳定性指数，判断水库热稳定性：

其中，S为稳定性；Z为水体总深度；A

计算水体完全混合时外部施加的动能：

其中，APE为水体潜在的势能总量，表示水体完全混合时需外部施加的动能，Z为水体总深度；ρ为不同水层处水体密度；ρ*为水库垂直方向的平均密度；g为重力加速度。

基于梯度理查森数，计算浮力对水体垂向稳定作用与混合的非稳定作用之间的关系：

其中，R

根据水体稳定性、风力、混合层状况比率参数，确定温跃层的倾斜程度以及倾斜而产生的导致水体扰动和混合的上升流：

其中，W为无量纲韦德伯恩数；R

根据表水层厚度Z

当Z

当0.5

当1

当Z

步骤S3、根据水库生物和化学作用，分析得到水库生物和化学过程时对溶解氧演化的空间特征，其具体包括：

水库中溶解氧等物质的循环与生物的光合作用、呼吸作用和分解作用紧密联系，这些过程中伴随碳的氧化还原过程，直接驱动氧、氮、铁、锰、硫的循环，间接驱动磷的循环。生物的光合作用将简单分子(CO

水库中的氮主要的存在形式有以阴离子硝酸盐(NO3

热分层水库滞温层溶解氧浓度控制沉积物的内源负荷量，进而影响水体氮、磷的滞留效应。对于长期以来缺乏垂向DO监测的热分层水库，水库的氮磷滞留计算可得滞温层溶解氧浓度变化。

水体有机颗粒沉降过程中分解作用耗氧，计算水体中有机颗粒的沉降速度：

其中，v

可得有机颗粒沉降速率小，10μm的颗粒沉降10m需要40天，沉降过程中有机颗粒被异养细菌利用，或矿化分解，消耗大量氧气。

步骤S4、根据水库水动力特征、水库热分层溶解氧的层化结构特征以及水库生物和化学作用，构建热分层水库溶解氧的预测模型，其具体包括：

本发明的预测模型为根据热分层水库溶解氧的内部影响因素和外部影响因素而构建的溶解氧演化的概念模型。

其中，定义溶解氧演化的外部影响因素为：

水-气界面物质和能量的交换、沉积物-水界面物质和能量的交换、出入流交换等，并根据外部影响因素进行热分层水库溶解氧演化的外部因素及作用强度仿真，如图1所示。

定义溶解氧演化的内部影响因素为：

水体的垂向混合、水温和热分层等水库动力场和温度场的周期性变化，以及光合作用、呼吸作用、有机物分解作用、无机物氧化作用、反硝化作用等生化过程引起的浓度场周期性变化等，并根据内部影响因素，进行热分层水库溶解氧演化的内部因素和作用强度的仿真，如图2所示。

步骤S5、根据预测模型的溶解氧演化的外部影响因素，计算包括短波辐射、大气及水面的长波辐射、水面蒸发、大气和水体的热传导的水面热交换方程：

Δq＝q

其中，Δ

计算大气和水面的热传导：

其中，q

步骤S7、根据预测模型溶解氧演化的内部影响因素，计算包括水体化学过程、生物过程以及沉降的水质反应方程，用于模拟水体溶解氧等物质浓度的变化：

其中，C为物质的浓度；u、v、w分别为x、y、z三个方向的流速；D

本发明的模拟模型如图3所示，以热分层水库溶解氧演化概念模型为基础，以溶解氧为核心，包含与热分层水库溶解氧演化密切相关的BOD-DO动态过程、氮循环转化以及藻类的相关过程。模型中溶解氧的模拟包括溶解氧的补给、消耗、缓冲等，具体有大气复氧、水生植物光合作用等补给过程，呼吸作用、有机物分解、沉积物耗氧、硝化反应(还原性无机物氧化)等消耗过程，以及反硝化反应等缓冲过程等15个生化反应过程，具体过程如图3所示。模型共包含溶解氧、BOD、叶绿素a、氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐等6个状态变量。

S8、根据预测模型，进行BOD平衡模拟、氮平衡模拟和叶绿素a的平衡模拟，并根据预测模型的边界条件，得到对水库热分层溶解氧的预测。

其中，还包括溶解氧平衡模拟计算：

溶解氧净变化量＝补给量-消耗量+缓解量

具体的生化过程包括：

溶解氧净变化量＝大气复氧+光合作用-呼吸作用-硝化反应

-生化需氧量-沉积物需氧+反硝化反应+外负荷

其中，计算发生在水体表面的大气复氧为F

F

C

其中，K

计算光合作用氧气产量P：

F

其中，F

计算呼吸作用消耗氧气R：

其中，K

计算生化需氧量S

其中，K

计算硝化过程氨氮氧化耗氧N1和N2：

其中，Y

计算沉积物需要量：

其中，Y

计算反硝化过程：

其中，Y

进行BOD平衡模拟，水体中可生物降解的有机物的降解伴随着溶解氧的消耗，这个过程的需氧量(BOD)在平衡模拟中包括悬浮态BOD降解、悬浮态BOD沉降以及沉积物BOD的再悬浮等过程。BOD的降解过程伴随着溶解氧的消耗。其计算过程与溶解氧平衡模拟原理相同，故不再赘述。

进行氮平衡模拟

水体溶解氧浓度变化驱动氮的转化，氮在水体中存在的主要形式有氨氮、硝酸盐、亚硝酸等无机氮以及有机氮化合物，它们之间可以互相转化。

其中氨氮的平衡包括有机物降解产生氨氮、硝化反应消耗、植物吸收等过程，具体计算公式如下：

氨氮净变化量＝BOD降解产生量-硝化反应消耗量-植物吸收量

+沉积物降解产生量

BOD降解产生量＝Y

植物吸收量＝UP

沉积物降解产生量＝Y

其中，Y

亚硝酸盐不稳定，是氮循环的中间产物，其平衡过程主要为氨氮转化产生量和转化成硝酸盐的消耗量，前者的计算公式如下：

硝酸盐的平衡包括亚硝酸盐转换成硝酸盐的产生量，以及反硝化反应的消耗量，反硝化过程在溶解氧低于4mg/L的条件下发生，具体计算公式如下：

叶绿素a的平衡模拟

模型中用叶绿素a表征浮游植物的量，水体中叶绿素a浓度变化受到浮游植物产生、呼吸、死亡和沉降等过程影响，这些过程伴随溶解氧浓度的变化。

浮游植物沉降与水体密度、流速、湍流强度等密切相关，热分层对水体的垂向密度分布产生影响，水体密度影响浮游植物的垂向沉降速率，因此水库垂向热分层对浮游植物的沉降产生显著影响。因而本次模拟中叶绿素a的沉降过程考虑热分层对浮游植物沉降的影响，具体公式如下：

叶绿素a净变化量＝产生量-呼吸消耗量-死亡量-沉降量

叶绿素a产生量：P_CHL＝P·K

叶绿素a呼吸消耗量：R_CHL＝R·K

叶绿素a死亡量：D_CHL＝K

叶绿素a沉降量：

其中，K

其中，边界条件为水位、水温、水质过程，下游边界条件为水库实际调度流量，模型的边界条件均根据水文水质实测数据给定。模型上边界的日水位数据也可根据水位实测数据给定，模型的下边界根据水库实际运行调度数据设定。

最后，根据溶解氧平衡模拟、BOD平衡模拟、氮平衡模拟和叶绿素a的平衡模拟进行水库溶解氧的预测，定义产生氧气为正效应，消耗氧气为负效应，将溶解氧平衡模拟、BOD平衡模拟、氮平衡模拟和叶绿素a的平衡模拟中氧气的产生和消耗进行算数叠加，即可得到对水库热分层溶解氧的预测。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。