專利名稱：一種流域咸潮預測方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及海洋災害監(jiān)測預警領域，特別是一種流域咸潮預測方法。
背景技術(shù)：
咸潮是三角洲特別是珠江三角洲最復雜的現(xiàn)象之一，它受到徑流、潮汐、地形等諸 多因素的驅(qū)動、影響和制約，表現(xiàn)出極為復雜的時空變化特征。近十幾年來，珠江三角洲冬 春季咸潮頻繁發(fā)生，使當?shù)厣a(chǎn)及生活用水受到影響，對國民經(jīng)濟的發(fā)展影響極大。廣東省 位于珠江流域的下游，省內(nèi)降水的多少直接影響珠江的徑流量，而珠江流域徑流變化是珠 江口咸潮發(fā)生的主要原因之一。只有能夠精確預測徑流量，才能達到精確預測咸潮發(fā)生的 程度與范圍。因此，需要一個能夠根據(jù)氣象預報資料預測珠江徑流量的模式，并將預測得到 的珠江徑流量提供給河網(wǎng)_河口三維一體化數(shù)學模式，模擬和預測珠江三角洲冬季咸潮的 動態(tài)，從而為有關職能部門建立珠江三角洲咸潮預警體系及實施應對措施提供技術(shù)支持。Xue et al曾運用高分辨率無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的有限體積近岸海洋模型FVC0M模擬了長 江口 的咸潮入侵，并研究了其物理機制(P.Xue，C.Chen，P. Ding, et al，2009 Saltwater intrusion into the Changjiang River :A model-guidedmechanism study. JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, VOL. 114，C02006, doi :10. 1029/2008JC004831)。Liu et al 曾使 用一個三維斜壓水動力鹽度模型研究了在不同徑流條件對臺灣Danshuei River estuary 余流與鹽度入侵的影響(W. -C. Liu, ff. -B. Chen, R. T. Cheng, et al，2007 Modeling the influenceof river discharge on salt intrusion and residual circulation in DanshueiRiver estuary, Taiwan. Continental Shelf Research 27,900-921)。這些咸潮 研究模型工作原理為提供一定外部驅(qū)動條件(外邊界、徑流、地形等)，根據(jù)一系列水動力 控制方程模擬出鹽水入侵河口的三維動態(tài)。陳水森等根據(jù)珠江口磨刀門水道長期的含氯 度、水位與流量數(shù)據(jù)推導出磨刀門水道咸潮入侵的經(jīng)驗模型(陳水森，方立剛、李紅、李宏
麗等，2007 珠江口咸潮入侵分析與經(jīng)驗模型-以磨刀門水道為例。水科學進展18(5)
751-755)，可估算出咸潮入侵的距離。上述模型均以已知徑流量為必要條件，可精確描述咸 潮入侵的動態(tài)或距離，并對其產(chǎn)生機制進行研究，但不能對咸潮的發(fā)生和程度進行預測，而 降水的多少直接影響了河口咸潮的發(fā)生。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種流域咸潮預測方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)不能對咸潮的發(fā)生和程度進 行預測的技術(shù)問題。本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種流域咸潮預測方法，所述方法的具體步驟為(11)預測所測量流域的徑流，得到徑流日平均流量、月平均流量和年平均流量；(12)以步驟(11)所獲得的徑流日平均流量、月平均流量和年平均流量作為參數(shù) 代入三維水動力模式，以模擬咸潮動態(tài)。
三維水動力模式的徑流輸入?yún)?shù)并不是已有的數(shù)據(jù)，而是根據(jù)步驟(11)預測得 到的徑流，因此通過步驟(12)得到的咸潮動態(tài)也為經(jīng)過預測而得到的咸潮動態(tài)。作為一種優(yōu)選方案，所述步驟(11)所述的具體步驟如下(21)通過如下公式計算徑流日流量D D = rniinXA+rXAXCOe，其中rmin為基本流系數(shù)，取流域枯水期平均流量除以其集 水面積的結(jié)果，A為單元面積，coe為水流至注入點過程中的損耗系數(shù)；(22)匯總一個月的徑流日流量得到該月的徑流月流量，取其平均值得到徑流月平 均流量；(23)匯總一年的徑流日流量得到該年度徑流年流量，取其平均值得到徑流年平均流量。作為進一步的優(yōu)選方案，所述基本流系數(shù)為0. 00043m/d，所述損耗系數(shù)滿足以下 不等式0. 45彡損耗系數(shù)彡0. 8。作為更進一步的優(yōu)選方案，所述步驟(12)采用的三維水動力模式為環(huán)境流體動 力學模式EFDC。作為更進一步的優(yōu)選方案，所述環(huán)境流體動力學模式的水平網(wǎng)格采用曲線正交網(wǎng) 格坐標，垂向采用sigma網(wǎng)格坐標。作為再進一步的優(yōu)選方案，所述sigma網(wǎng)絡坐標o定義為= 其中n是海
表面抬升，D = h+ n。h是相對于大地水準面的瞬時水深，z是在笛卡兒坐標系下的垂向坐 標，當0 =0時表示自由表面，而O = -1時表示海底。作為進一步的優(yōu)選方案，對于環(huán)境流體動力學模式EFDC，通過結(jié)合有限體積和有 限差分法求解運動方程，變量的交錯網(wǎng)格參考C網(wǎng)格或者MAC網(wǎng)格方法，模式計算方案是在 交錯的網(wǎng)格內(nèi)采用內(nèi)-外模分離來求解水平動量方程和連續(xù)方程。Arakawa A, V R Lamb, 1977 Computational designof the basic dynamical process of the UCLA general circulation model. Methods in Computational Physics 17 Academic Press,173-265.上述 MAC 網(wǎng)格方法采用 Peyret，R. and T. D. Taylor :ComputationalMethods for Fluid Flow. Springer-Verlag, Berlin,1983.通過預先預測流域徑流，并以徑流流量作為三維水動力模式的參數(shù)，從而預測出 咸潮動態(tài)，解決了對咸潮的發(fā)生和程度進行預測的技術(shù)問題。


圖1為珠江流域地形高程(單位m)，最長的一條紅色曲線即為珠江主干流；圖2為西江高要站實測流量與水文數(shù)字高程模型H-DEM模擬結(jié)果的比較(m3/s)， 實線為模擬結(jié)果，虛線為實測資料。(a)日平均流量(b)月平均流量(c)年平均流量；圖3為咸潮模式模擬范圍及模式網(wǎng)格；圖4為2007年12月虎門在大、小潮期間鹽度的入侵(上圖為大潮期間，下圖為小 潮期間)；圖5為2007年12月磨刀門在大、小潮期間鹽度的入侵(上圖為大潮期間，下圖為小潮期間)；圖6為預測的2009/2010冬珠三角咸潮入侵情況。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細的說明。本實施例以廣東省珠江口入?？陬I域作為測量流域。第一步，預報珠江口各入?？诘膹搅?。國際上基于地形表面的流是沿著最速下降 方向的，提出了數(shù)字地形高度模式(digital elevati on model，DEM)，該模式可以得到較 真實的流域徑流，從而使得徑流可以以較真實的、物理上可信的方式來驅(qū)動海洋環(huán)流。本 項目使用的水文數(shù)字高程模型(H-DEM)，區(qū)域選定如圖1所示為95. 00° E-120. 05° E， 20. 00° N-28. 04° N，緯向分辨率為0. 05°，經(jīng)向分辨率為0.03°。區(qū)域覆蓋了整個珠江 流域。以水流離開單元的最大坡度方向為水流方向，采用D8單流向方法予以確定。大氣強 迫主要有降水和表面氣溫。單元內(nèi)的日徑流量計算如下D(x,y, t) = rminXA+rXAXcoe(5. 1. 1)其中rmin為基本流系數(shù)，取西江高要站枯水期平均流量除以其集水面積的結(jié)果，為 0. 00043m/d。A為單元面積。coe為水流至注入點過程中的損耗系數(shù)，根據(jù)實測結(jié)果的校正， coe的上下界分別取0. 8和0. 45。r為單元內(nèi)的日水流，為與陸面高程有關的量。如圖2所示，模擬結(jié)果得到珠江口入海徑流日平均流量，月平均流量從日平均流 量計算而來，年平均流量從月平均流量計算而來。第二步，結(jié)合珠江口河網(wǎng)水動力過程，驅(qū)動珠江河口三維水動力模式模擬咸潮動 態(tài)。本技術(shù)運用的The Environmental Fluid Dynamics Code (EFDC)模式，是由美國國家 環(huán)保署資助開發(fā)，由美國弗吉尼亞州海洋研究所Hamrick教授等人于1992年開發(fā)并適時進 行發(fā)展和維護，用于模擬湖泊、水庫、海灣、濕地和河口等地表水的三維數(shù)值模型。從1997 年開始被美國國家環(huán)保局指定為WASP (水質(zhì)分析與模擬程序)水質(zhì)模型的耦合水動力模型 部分。模式水平網(wǎng)格采用曲線正交網(wǎng)格坐標，垂向采用sigma網(wǎng)格坐標。動量和連續(xù)方程 以及鹽度和溫度的輸運方程可以表達為以下的形式
+ (5. 2. 8) 在這些方程中，h和h2是方程從笛卡兒坐標轉(zhuǎn)化為曲線正交坐標使時的矩陣轉(zhuǎn)化
系數(shù)。垂向sigma坐標o定義為
a
z~n
h + r]
其中n是海表面抬升，D = h+ n。h是相對于
大地水準面的瞬時水深。z是在笛卡兒坐標系下的垂向坐標。因此，當o =0時表示自由 表面，而O =-1時表示海底。U和V表示在曲線正交坐標系I和(下的兩個水平速度分 量。《表示垂直于0面的速度，它可以用笛卡爾坐標系下的垂向速度W來表示
6 / = 2nsin p表示科氏力參數(shù)。Q = 7. zgxio、—1表示地球自轉(zhuǎn)的角速度。其中爐 表示緯度，g是重力加速度，Po是平均密度，壓力P是超出參考密度的靜力壓力Pc>gD(l+o) 部分與參考密度的比值。分別表示溫度和鹽度的源匯項。R表示太陽輻射進入水 體的大小。Km和Kh分別表示動量、溫度和鹽度混合方程中的垂向湍流粘性項和擴散項。它 們是通過由Mellor & Yamada(1982)發(fā)展的一個2. 5層湍流閉合模型來計算的。這個方 程被Galperin et al. (1988)所簡化。在這個閉合模型中，湍流強度和長度尺度運用分析 學上的決定穩(wěn)態(tài)的方法和輸運方程的解來計算。水平湍流粘性系數(shù)Am和擴散系數(shù)Ah通過 Smagorinsky(1963)方程來計算 其中Ac是經(jīng)驗系數(shù)。上層風應力和底層摩擦應力運用下面的公式來計算T w = CD P SU | U(5. 2. 15)xb = CfPbUjUb(5.2.16)其中、和表示風應力和底層摩擦應力。是表層和底層的摩擦系數(shù)。 U和ub分別表示風速和底層流速。通過結(jié)合有限體積和有限差分法可以求解運動方程(5. 1. 1-5. 1. 5)，變量的交錯 網(wǎng)格位置通常參考C網(wǎng)格或者MAC網(wǎng)格方法，模式計算方案是在交錯的網(wǎng)格內(nèi)采用內(nèi)-外 模分離來求解水平動量方程和連續(xù)方程。外模態(tài)與正壓的長波運動有關，它是通過半隱式 三次時間標準方案來計算，并伴隨著兩次時間標準的訂正。內(nèi)模態(tài)與水平速度分量的垂向 剪切有關，它的垂向剪切項是通過運用分步算法結(jié)合垂向剪切項的隱式步驟來求解，其他 部分是通過一個顯式步驟來計算。模型網(wǎng)格區(qū)域包括珠江所有河網(wǎng)，東江，西江和北江河網(wǎng)區(qū)域，以及廣海灣 (Guanghai Bay)，黃茅海，大亞灣和廣東沿岸到60-100米水深區(qū)域。經(jīng)緯度為東經(jīng)112. 6 度到115. 5度，北緯21. 1到23. 1度。西江和北江八個口門上邊界分別為虎門最上界到廣 州，磨刀門最上界到天河水位站(包括磨刀門，雞啼門和虎跳門)，橫門最上界達到小攬，焦 門和洪奇門最上界到達沙灣，崖門最上界到達譚江。東江河網(wǎng)最上界達到博羅水位站。整個 網(wǎng)格區(qū)域水平方向為263X246個網(wǎng)格，垂向分9層。如圖3所示，在河網(wǎng)區(qū)域網(wǎng)格水平分 辨率可達到100米，而在廣東近岸海域分辨率為3-5公里。模型的時間步長設為30秒。模 型開邊界分為東、南和西邊界三部分，模型河流上邊界在進行咸潮機制研究時由北江石角、 西江高要兩站日均流量根據(jù)多年統(tǒng)計平均的分流比來給出，在進行咸潮發(fā)生預測時由第一 步數(shù)字高程模式預測的徑流量作為輸入條件。
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模擬結(jié)果輸出網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的三維流場和溫鹽場，根據(jù)咸潮預警鹽度0.25psu判斷 咸潮在珠江河口與河網(wǎng)上溯的程度和距離。如圖4-5所示，在咸潮機制研究方面，采用2007. 12-2008. 1水文站日徑流量數(shù)據(jù) 為輸入條件，模擬了該段時間內(nèi)珠三角的咸潮。模擬結(jié)果與同期實測結(jié)果相比較吻合較好， 水位驗證相關系數(shù)都在0. 93以上，潮位與鹽度、流速驗證結(jié)果如下表(表1，表2)，證實模 式可用。通過設計的數(shù)值實驗，對影響咸潮上溯距離的徑流、潮汐、局地風和海平面上升等 因素進行了機制性的研究。模式結(jié)果和觀測結(jié)果都表明大潮期間，潮汐作用使得水體垂向 混合良好；而在小潮期間隨著潮汐作用的減弱，水體表現(xiàn)出較明顯的層化；此外虎門水道 大潮期間咸潮入侵較強，而磨刀門水道小潮期間咸潮入侵較強。在探討風對珠江口鹽度的 影響的敏感性數(shù)值實驗中，我們發(fā)現(xiàn)對虎門和磨刀門而言，在風速大小相同的條件下，西北 風能增加鹽水線上溯的距離，即鹽度入侵的強度達到最大，東北風和西南風對鹽度入侵的 影響與無風時相比影響很小，而東南風能使鹽水線往下推移，也就是東南風能減小咸潮入 侵的強度。此外數(shù)值結(jié)果表明海平面上升會加劇咸潮的危害，比如增加水道的平均鹽度以 及鹽度入侵的距離；冬季大潮時，當海平面上升0. 8m時，咸端可能到達廣州附近。表1為珠江口三個潮位站(九洲港、內(nèi)伶仃、桂山島)觀測(0)與模擬(M)的四個 分潮(M2、S2、N2、K1)的比較 表2為大、小潮時四個實時監(jiān)測站觀測與模擬結(jié)果的比較
當模式使用于預測時，基于氣象部門2009年華南區(qū)域冬春氣候趨勢會作出的 2009/2010年冬春連旱的天氣預測，運用本技術(shù)對2009年12月至2010年1月咸潮發(fā)生的 可能狀況進行應急預估，如圖6所示。
權(quán)利要求
一種流域咸潮預測方法，其特征在于，所述方法的具體步驟為(11)預測所測量流域的徑流，得到徑流日平均流量、月平均流量和年平均流量；(12)以步驟(11)所獲得的徑流日平均流量、月平均流量和年平均流量作為參數(shù)代入三維水動力模式。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的咸潮預測方法，其特征在于，所述步驟(11)所述的具體步驟 如下(21)通過如下公式計算徑流日流量DD = rminXA+rXAXCOe，其中rmin為基本流系數(shù)，取流域枯水期平均流量除以其集水面 積的結(jié)果，A為單元面積，coe為水流至注入點過程中的損耗系數(shù)；(22)匯總一個月的徑流日流量得到該月的徑流總量，取其平均值得到徑流月平均流量；(23)匯總一年的徑流日流量得到該年度徑流總量，取其平均值得到徑流年平均流量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的咸潮預測方法，其特征在于，所述基本流系數(shù)為 0. 00041-0. 00045m/d，所述損耗系數(shù)滿足以下不等式0. 45彡損耗系數(shù)彡0. 8。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的咸潮預測方法，其特征在于，所述步驟(12)采用的三維水動 力模式為環(huán)境流體動力學模式EFDC。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的咸潮預測方法，其特征在于，所述環(huán)境流體動力學模式的水 平網(wǎng)格采用曲線正交網(wǎng)格坐標，垂向采用sigma網(wǎng)格坐標。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的咸潮預測方法，其特征在于，所述sigma網(wǎng)絡坐標ο定義為 _ ζ~ησ = IT^ ’其中η是海表面抬升，D = h+η。h是相對于大地水準面的瞬時水深，ζ是在笛卡兒坐標系下的垂向坐標，當σ =0時表示自由表面，而ο =_1時表示海底。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的咸潮預測方法，其特征在于，對于環(huán)境流體動力學模式EFDC， 通過結(jié)合有限體積和有限差分法求解運動方程，變量的交錯網(wǎng)格參考C網(wǎng)格或者MAC網(wǎng)格 方法，模式計算方案是在交錯的網(wǎng)格內(nèi)采用內(nèi)-外模分離來求解水平動量方程和連續(xù)方程。
全文摘要
本發(fā)明涉及海洋災害監(jiān)測預警領域，特別是一種流域咸潮預測方法。所述方法的具體步驟為(11)預測所測量流域的徑流，得到徑流日平均流量、月平均流量和年平均流量；(12)以步驟(11)所獲得的徑流日平均流量、月平均流量和年平均流量作為參數(shù)代入三維水動力模式，以模擬咸潮動態(tài)。通過預先預測流域徑流，并以徑流流量作為三維水動力模式的輸入?yún)?shù)，從而預測出咸潮動態(tài)，解決了對咸潮的發(fā)生和程度進行預測的技術(shù)問題。
文檔編號G01C13/00GK101865689SQ201010195519
公開日2010年10月20日 申請日期2010年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月4日
發(fā)明者羅琳 申請人:中國科學院南海海洋研究所