一种强潮海岸潟湖弱流区流路多样性分时域提升方法与流程

本发明涉及强潮海岸潟湖的湖泊水环境治理领域，可为利湖区流路多样化、整体水动力提升、水质改善提供思路方法。

背景技术：

1、强潮海岸潟湖通常水域面积宽广流路单一，边界复杂末端盲肠段众多，易形成湖区弱流区域，频发水动力弱水质差等问题。近年来，许多地方上对潟湖水动力提升水质改善方法都在做积极的探索。如何利用自然潮差动力，并辅以工程调控措施，提升湖区流路多样性，长效解决沿海潟湖水环境问题，是目前亟需解决的难题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种强潮海岸潟湖弱流区流路多样性分时域提升方法。

2、为实现上述技术目的，本发明采用如下方案：

3、一种强潮海岸潟湖弱流区流路多样性分时域提升方法，包括：

4、基于污染物浓度输运方程构建湖区水质数学模型，在模型的至少一个弱流区中心区域建立导堤，导堤起点位于固定建筑物，模拟不同导堤长度情况下的水质分布数据，获取t时间后湖区各区域染物浓度数据；

5、将某一时间段内不同空间之间的污染物总体交换比例定义为污染物浓度时域交换率，计算导堤所在弱流区域在不同导堤长度情况下的污染物浓度时域交换率，建立导堤长度与污染物浓度时域交换率的相关关系，确定适宜的导堤长度；

6、结合确定的导堤长度建立湖区水动力物理模型，设置不同导堤高程方案开展水动力物理模型试验，记录弱流区某固定断面通过的流量分布数据；

7、基于所述流量分布数据构建表征纳排潮过程中导堤下游区域固定断面过流流量分布的流路时域多样性系数，建立高程与流路时域多样性系数的相关关系，确定适宜的导堤高程。

8、作为一种优选的实施方式，水质数学模型的模型范围包括全湖区及口外海域，水质数学模型模拟采用外海实测大潮潮型，将纳潮、排潮工况组合形成恒定流工况。大潮与多年平均潮型下湖区流场变化过程基本相同，仅对比不同方案下的流场与污染物输运对比时，可采用实测大潮工况。纳潮工况受上游入流驱动，强流动区主要集中在上游；而排潮工况受下游出流驱动，强流动区主要集中在下游。将纳潮、排潮工况组合形成恒定流工况，以更为直观的剖析湖区水动力及污染物输运格局。

9、作为一种优选的实施方式，建立水质数学模型后，采用实测湖区水文数据对模型进行验证。进一步的，水质数学模型采用实测纳潮、排潮水位过程进行验证，对比试验水位与实测水位是否存在偏差，若存在偏差，通过调整数学模型糙率，直至试验水位与实测水位相吻合。

10、作为一种优选的实施方式，水质数学模型模拟时，设置导堤顶不过水，模拟的最大导堤长度保证在导堤末端处保留大于预设尺寸的通道。

11、作为一种优选的实施方式，所述导堤平面上位于弱流区中心区域，呈直线分布。

12、作为一种优选的实施方式，将导堤所在弱流区域划分为若干个统计区域后，基于下式计算污染物浓度时域交换率；

13、

14、其中，n为导堤所在弱流区划分的统计区域数目，i为各区域编号，ci为区域i冲刷后的污染物浓度，hi为区域i的平均水深，c0i为区域i初始污染物浓度、si为区域i面积。

15、作为一种优选的实施方式，水动力物理模型试验采用湖区多年平均潮型，纳潮、排潮工况为实际的非恒定流工况。

16、作为一种优选的实施方式，建立导堤长度与污染物浓度时域交换率之间相关关系曲线后，根据预设的污染物浓度时域交换率阈值，在曲线中查找对应的导堤长度，作为确定的导堤长度。进一步的，污染物浓度时域交换率阈值为90％。

17、作为一种优选的实施方式，物理模型范围包括口门外一定海域范围及全湖区范围，使得物理模型可以模拟外海涨落潮情形下湖区纳潮、排潮情况。根据纳潮排潮通道在物理模型中最小宽度大于5cm，确定物理模型的最大平面比尺；根据物理模型拟采用的场地面积，进一步确定物理模型平面比尺λl。根据物理模型中最小水深大于3cm，确定物理模型的垂向比尺λh。根据模型重力相似，确定模型流速比尺为根据模型阻力相似，确定模型糙率比为尺根据水流运动相似，确定模型时间比尺为流量比尺为

18、根据上述比尺，制作物理模型，进行人工加糙，采用纳潮、排潮的水位过程对物理模型进行验证，对比试验水位与实测水位是否存在偏差，若存在偏差，通过调整模型糙率，直至试验水位与实测水位相吻合。

19、作为一种优选的实施方式，在水动力物理模型中，所述导堤设置为潜堤形式，将导堤分为若干段，每一段导堤与前一段导堤有高程差。

20、进一步的，导堤各段长度为200-400m之间，各段高程进行连续等距离阶梯型设置，末端阶梯高程最小，朝首端递增，相邻梯级高差固定为0.06m。

21、作为一种优选的实施方式，在导堤下游弱流区选取固定断面，设置流速及水位观测仪器，记录固定断面上各点水流流经该断面时流速、水深数据，从而获取流量分布数据。

22、作为一种优选的实施方式，将所述固定断面划分为若干小段，基于下式计算流路多样性时域系数：

23、

24、式中，m为断面划分的数目；i为断面序号；t为一次纳潮、排潮的总时间；hi为断面中i段的平均水深；li为断面中i段的长度。

25、作为一种优选的实施方式，建立高程与流路时域多样性系数的相关关系曲线后，根据预设的流路时域多样性系数阈值，在曲线中查找对应的导堤高程，确定适宜的导堤高程。一次纳潮、排潮过程中，湖区水位会随着时间先涨后落。当水位较低时，水流沿着导堤流动；当水位较高时，水流越过导堤形成新的水流路径。所以水流可在不同的时间段经不同的区域流，使流路多样性分时域得到了提升。进一步的，流路时域多样性系数阈值为50％。当流路多样性时域系数λ＝0.5时，湖区各区域流经水量相等，湖区流路多样性得到最大的提升，确定此时导堤高程为适宜的导堤高程。

26、本发明针对强潮海岸潟湖中湖区面积一般较大且流路单一、常存在多处弱流区等问题，提出一种提升湖区流路多样性，改善湖区水动力的方法，利用水质数学模型和水动力物理模型，通过定义污染物浓度时域交换率和流路时域多样性系数，确定适宜的导堤长度和导堤高程，由此得到了导堤设计的全部参数，该过程经过了严密的模型试验与相关关系论证，结果可靠。该方法可应用于强潮海岸潟湖区域中，通过自然潮动力对潟湖弱流区流路多样性分时域进行提升，解决湖区整体水动力和水质条件无法长效保障的难题，对长效改善湖区整体水动力与水质条件有重要意义。

技术特征：

1.一种强潮海岸潟湖弱流区流路多样性分时域提升方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，水质数学模型的模型范围包括全湖区及口外海域，水质数学模型模拟采用外海实测大潮潮型，将纳潮、排潮工况组合形成恒定流工况。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，建立水质数学模型后，采用实测湖区水文数据对模型进行验证。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，水质数学模型模拟时，设置导堤顶不过水，模拟的最大导堤长度保证在导堤末端处保留大于预设尺寸的通道。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将导堤所在弱流区域划分为若干个统计区域后，基于下式计算污染物浓度时域交换率；

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，水动力物理模型试验采用湖区多年平均潮型，纳潮、排潮工况为实际的非恒定流工况。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，建立导堤长度与污染物浓度时域交换率之间相关关系曲线，根据预设的污染物浓度时域交换率阈值，在曲线中查找对应的导堤长度，作为确定的导堤长度。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在水动力物理模型中，所述导堤设置为潜堤形式，将导堤分为若干段，每一段导堤与前一段导堤有高程差。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述固定断面划分为若干小段，基于下式计算流路多样性时域系数：

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，建立高程与流路时域多样性系数的相关关系曲线，根据预设的流路时域多样性系数阈值，在曲线中查找对应的导堤高程，确定适宜的导堤高程。

技术总结
本发明涉及一种强潮海岸潟湖弱流区流路多样性分时域提升方法。包括：建立湖区水质数学模型，模拟不同导堤长度下污染物浓度数据；建立导堤长度与污染物浓度时域交换率的相关关系，确定适宜的导堤长度；基于选取的导堤长度建立湖区水动力物理模型，试验不同导堤高程下导堤下游固定断面的流量分布数据，构建不同流路时域多样性系数；建立导堤高程与不同流路时域多样性系数的相关关系，基于该相关关系确定适宜导堤高程。采用本发明方法，可分时域提升强潮海岸潟湖弱流区的流路多样性，解决湖区整体水动力和水质条件无法长效保障的难题。

技术研发人员：李寿千,周诗欢,王海鹏,刘怀湘,袁隆湖,黄廷杰,王志力,陆永军,陆彦,张芮,黄伟,王嘉君,朱文博
受保护的技术使用者：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15