本发明涉及水库甲烷排放监测,更具体地说,涉及一种水库甲烷气泡排放建模方法、系统、终端及存储介质。
背景技术:
1、甲烷是一种强效的温室气体,约占温室气体对全球变暖总贡献率的四分之一,水库是重要的甲烷排放源。水库中的甲烷主要通过水面扩散和气泡排放两种形式排入大气,其中气泡排放是最重要的排放途径,平均占到水库甲烷排放总量的70%。然而,甲烷气泡排放存在高度的时空异质性,且排放过程存在偶发性,给场地监测和排放估算带来很大挑战。
2、现有的水库甲烷排放模型均为观测数据驱动的经验模型,经验模型主要体现各物理量间的相关关系,缺乏各因素间内在联系以及甲烷从产生到排放整个过程机理层面的认识,预测结果也存在很大的不确定性,需要一种能够更好的对水库甲烷排放通量进行估算和预测的方式方法。
技术实现思路
1、本发明要解决的技术问题在于,针对现有技术的上述缺陷,提供一种水库甲烷气泡排放建模方法,还提供了一种水库甲烷气泡排放建模系统、一种水库甲烷气泡排放建模终端及一种计算机可读存储介质。
2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
3、构造一种水库甲烷气泡排放建模方法,其包括以下步骤:
4、构建考虑沉积过程的水库甲烷气泡排放模型,水库甲烷气泡排放模型包括传热模块、甲烷产生-迁移-排放模块和泥沙沉积模块;
5、利用经典偏微分方程模块描述水库传热过程与甲烷产生-迁移-排放过程;
6、利用移动网格模块描述泥沙沉积过程;
7、导入水库几何模型,并定义水库沉积物-水体连续体传热参数、甲烷产生-迁移-排放参数和沉积速率;
8、对考虑沉积过程的水库甲烷气泡排放模型进行边界条件和初始条件设置;
9、对水库几何模型进行网格剖分;
10、计算水库甲烷气泡排放通量。
11、本发明所述的水库甲烷气泡排放建模方法,其中,水库传热过程包括水库水体中传热过程和水库沉积物中传热过程。
12、本发明所述的水库甲烷气泡排放建模方法,其中,水库水体中传热过程采用热传导方程进行描述:
13、;
14、式中:表示水体温度,表示水体中的热扩散系数,表示计算点相对初始水-沉积物界面的高程,初始水-沉积物界面坐标为0,表示模拟时间。
15、本发明所述的水库甲烷气泡排放建模方法,其中,水库沉积物中传热过程采用热传导方程进行描述:
16、;
17、式中:表示沉积物温度,表示沉积物中的热扩散系数,表示计算点相对初始水-沉积物界面的高程,初始水-沉积物界面坐标为0,表示模拟时间。
18、本发明所述的水库甲烷气泡排放建模方法,其中,甲烷产生-迁移-排放过程包括水库水体中甲烷的迁移及氧化过程和水库沉积物中甲烷的迁移及产生过程。
19、本发明所述的水库甲烷气泡排放建模方法,其中,水库水体中甲烷的迁移及氧化过程采用反应性扩散方程进行描述:
20、;
21、式中:表示水体中溶解的甲烷浓度,表示水体中甲烷扩散系数,表示甲烷的氧化量。
22、本发明所述的水库甲烷气泡排放建模方法,其中,甲烷的氧化量使用米氏方程表示:
23、;
24、式中:表示甲烷氧化速率,表示甲烷半饱和常数,表示氧气半饱和常数,表示水体中的溶解氧浓度。
25、本发明所述的水库甲烷气泡排放建模方法,其中,水库沉积物中甲烷的迁移及产生过程采用反应性扩散方程进行描述:
26、;
27、式中:表示沉积物孔隙度,表示沉积物中的甲烷浓度,表示沉积物中甲烷扩散系数,表示沉积物中甲烷的产生,表示沉积物中甲烷气泡的产生。
28、本发明所述的水库甲烷气泡排放建模方法,其中,甲烷的产生项使用下式表示:
29、;
30、式中:表示产甲烷系数,表示沉积物中有机碳含量,表示产甲烷速率衰减系数,表示泥沙沉积时间,表示产甲烷菌对温度的敏感系数,表示产甲烷参考温度。
31、本发明所述的水库甲烷气泡排放建模方法,其中,沉积时间表示为:
32、;
33、式中:表示泥沙沉积速率。
34、本发明所述的水库甲烷气泡排放建模方法,其中,甲烷气泡的产生项使用临界浓度模型表示:
35、;
36、式中:表示气泡生成速率,表示阶跃函数,表示气泡产生的相对饱和度,甲烷气泡产生的临界浓度。
37、本发明所述的水库甲烷气泡排放建模方法,其中,临界浓度使用下式表示:
38、;
39、式中:表示水-气相亨利系数,表示大气压强,表示水的密度,表示重力加速度,表示水体深度,表示氮气分压。
40、本发明所述的水库甲烷气泡排放建模方法,其中,水库甲烷气泡排放通量表示为:
41、;
42、式中:表示气泡在水体浮升过程中的溶解比例,表示沉积物可产生甲烷部分的底部位置,表示水-沉积物界面当前位置,表示甲烷的摩尔质量。
43、本发明所述的水库甲烷气泡排放建模方法,其中,所述泥沙沉积过程的模拟为:
44、水库泥沙沉积过程使用移动网格方法来描述,水-沉积物界面网格结点的移动速率设定为水库泥沙沉积速率。
45、本发明所述的水库甲烷气泡排放建模方法,其中,考虑沉积过程的水库甲烷气泡排放模型在comsol软件中构建;所述经典偏微分方程模块和所述移动网格模块均源自comsol数学模块。
46、一种水库甲烷气泡排放建模系统,应用于如上述的水库甲烷气泡排放建模方法,其中,包括建模模块、经典偏微分方程模块、移动网格模块、数据录入模块和数据处理模块;
47、所述建模模块,用于构建考虑沉积过程的水库甲烷气泡排放模型,水库甲烷气泡排放模型包括传热模块、甲烷产生-迁移-排放模块和泥沙沉积模块;
48、所述经典偏微分方程模块,用于描述水库传热过程与甲烷产生-迁移-排放过程;
49、所述移动网格模块,用于描述泥沙沉积过程;
50、所述数据录入模块,用于水库几何模型导入,水库沉积物-水体连续体传热参数、甲烷产生-迁移-排放参数和沉积速率定义,以及对考虑沉积过程的水库甲烷气泡排放模型进行边界条件和初始条件设置;
51、所述数据处理模块,用于对水库几何模型进行网格剖分,计算水库甲烷气泡排放通量。
52、一种水库甲烷气泡排放建模终端,包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序,其中,所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述方法的步骤。
53、一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储有计算机程序,其中,所述计算机程序被处理器执行时实现如上述方法的步骤。
54、本发明的有益效果在于:应用本技术的方法,通过对水库甲烷气泡排放的生物地球化学过程进行了动态的数值模拟,模型中考虑了水库泥沙沉积过程对甲烷产生及气泡排放的影响,以有限元数值求解反应性扩散及热传导的耦合方程,通过实验测定对水库甲烷气泡排放通量进行验证,验证结果表明了本模型可以较好地应用于水库甲烷气泡排放通量的估算和预测。