湿地水文模型

湿地水文模型

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Initial contribute: 2018-12-04

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岳天祥编著
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yue@lreis.ac.cn
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Method-focused categoriesData-perspectiveGeoinformation analysis
Method-focused categoriesData-perspectiveGeostatistical analysis
Method-focused categoriesProcess-perspectivePhysical process calculation

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湿地水文模型

 

(1)水文水动力学模型:

连续性方程:

动量方程:

能量方程:

式中,V为流体流速场矢量;ρ为流体的密度;P为流体的应力张量,它是一个有9个分量的物理量,用它可以完全描述场内任一点的应力状况;S为流体的变形速度张量;P:S为流体变形消耗的能量;F为单位流体质点所受到的质量力;U为单位质量流体的内能,是温度的函数;T为流体的温度分布场;k为各方向上的导热率;q为辐射传热率。

地球环境水体运动的描述在许多情况下是通过求解Navier-stocks(简记为N-S)方程来实现。对地面流动的精确描述方法的方程可表示为:

             

式中,v为空间速度矢量;μ为流体动力黏滞系数,其他变量定义同前。

对地下水流动的描述,采用多孔介质水流运动的达西公式:

                  

式中,φ为水头的势函数,K为达西函数,v为渗透速度。

如果介质是吸水性的物质,则介质的含水量和渗透速度有关,相应方程为:

                

式中,θ为渗透水量。

(2)泥沙冲淤模型:

对于河流以悬移为主的输运过程,泥沙运动及其床面冲淤变化的基本方程为:

泥沙连续方程:

          

水流挟沙力方程:

           

河床变形方程:

               

对于浅水平面流中的泥沙运动可以采取下列方程描述:

           

以上各式中,S为含沙量;S为泥沙冲淤平衡是对应的含沙量;ω为泥沙沉降速度;h和H分别为河流和浅水流动水深;z0为河床高程;DxDy为沿纵向(x向)和横向(y向)的扩散系数。

(3)潮流湿地水动力学模型:

        

式中,ξ为潮位,h为水底距离坐标平面的距离,即平均水深;H(=h+ξ),为实际水深;u和v分别为沿x和y方向上深度平均流速,其定义可表达为f为科氏力系数,f=2ΦRcosΦsinΦ/86400Φ为所在点的纬度;R为地球的半径;g为重力加速度;R’为底面切应力系数;W为风速;θ为风应力系数;φ为风速方向和y轴正方向的夹角;ρ为水的密度;ρa为空气密度;k为垂向的紊动交换系数。

由于切应力梯度造成的作用力包括底摩擦应力、自由表面应力和紊动应力,底摩擦应力(R’uR’v)可通过底摩擦应力系数R’来确定,如常用的底摩擦二次方率公式:

               

式中,C为谢才系数。

(4)潮流湿地水质模型:

           

式中,P为污染物沿垂向平均浓度;u,v分别为水体垂向平均后沿x,y方向的流速;H为水深;DxDy分别为x和y方向的分散系数;K为污染物的降解率;S为污染强度。

一般的,计算的初始条件可以根据现状监测资料给出:

            

闭边界条件为:

               

式中,n为闭边界外法线方向。

在开边界处,第一边值的实测资料很难获得。因此,可以认为在海湾涨潮入流阶段,流入的是纯净海水(或污染浓度不变的海水);落潮出流阶段,假定只有平流运输,边界无污染源,即开边界条件为:

 

分散系数DxDy通常可以采用经验公式确定(如Elder公式等)。

(5)潮流湿地的泥沙模型:

对于不考虑异重流的简单情形,在波浪和潮流共同作用下的泥沙冲淤基本方程包括:

泥沙连续方程:

       

海底变形方程:

                   

式中,Fs为海底泥沙冲淤函数,其可表达式为Fs=ωs-εzδS/δz);ε为悬沙在水流中的扩散系数;ωs为泥沙的沉降速度;εx,εyεz分别为泥沙在x,y和z方向上的紊动扩散系数:ΔS为泥沙的源汇项;ξb为海底床面坐标;γc为泥沙干容量。

结合水动力学方程,给定适当的边界条件,即可求解未知量ξbFsS。

殷康前,倪晋仁:湿地综合分类研究:Ⅱ.模型,自然资源学报,1998,13(4)

 

模型元数据

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《资源环境数学模型手册》 (2018). 湿地水文模型, Model Item, OpenGMS, https://geomodeling.njnu.edu.cn/modelItem/ea93c3ab-280f-4de3-9d5c-9f36340a2656
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