水體表面漂浮物遷移、堆積和清漂過程的數(shù)值模擬方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種水體表面漂浮物遷移、堆積和清漂過程的數(shù)值模擬方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1. 漂浮物遷移過程模擬：基于漂浮物集合F中各個(gè)漂浮物在水體運(yùn)動(dòng)過程中的受力情況，將每個(gè)漂浮物都分別概化為具有一個(gè)質(zhì)心的實(shí)體，求取每個(gè)漂浮物實(shí)體的六個(gè)屬性的變化的過程；步驟2. 漂浮物堆積過程模擬：將具有相同離散網(wǎng)格編號(hào)Qij的漂浮物合并為一個(gè)新的漂浮物，重新求取該新的漂浮物的質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)速度和質(zhì)心坐標(biāo)，并將新的漂浮物納入漂浮物集合中；步驟3. 清漂過程模擬：根據(jù)漂浮物清理計(jì)劃，將漂浮物進(jìn)行剔除。本方法能夠快速、準(zhǔn)確地模擬漂浮物在水體中的遷移規(guī)律，從而能夠提高海水體漂浮物的綜合管理效率。
【專利說明】
水體表面漂浮物遷移、堆積和清漂過程的數(shù)值模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于水力學(xué)、環(huán)境管理和環(huán)境模擬領(lǐng)域，具體涉及一種水體表面漂浮物迀 移、堆積和清漂過程的數(shù)值模擬方法。 技術(shù)背景
[0002] 漂浮物是依賴于浮力漂浮在水體表面的固體廢棄物，包括原木、樹枝、稻草、桔桿、 塑料制品和人畜尸體等。漂浮物的存在，對(duì)水體水質(zhì)，水面景觀，供水，水產(chǎn)，航運(yùn)等構(gòu)成不 利影響，不僅破壞生態(tài)環(huán)境，還會(huì)威脅飲水安全。尤其是在具有發(fā)電功能的水庫區(qū)域，漂浮 物順流而下，易于聚集在河道凹岸、攔河壩前，不僅影響發(fā)電水頭，減小水電樞紐的發(fā)電效 益，對(duì)樞紐運(yùn)行安全構(gòu)成威脅。漂浮物的存在對(duì)水體正常功能的發(fā)揮造成了極大的影響，開 展漂浮物的監(jiān)測、清理和排除，是減少漂浮物危害的重要手段。而開展漂浮物的治理，需要 對(duì)水體中漂浮物的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有全面的把握。漂浮物在水體表面的迀移模擬技術(shù)，能提供漂 浮物運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)信息，有助于漂浮物治理方案的構(gòu)建?；谄∥锬M技術(shù)提供的實(shí)時(shí)信 息，在合適的位置和時(shí)間開展清漂工作，進(jìn)行漂浮物監(jiān)控，有助于快速有效的清理流域漂浮 物、降低排漂清漂的費(fèi)用，節(jié)省人力物力。
[0003] 近年來，隨著漂浮物對(duì)水質(zhì)、水生態(tài)、水工建筑的不利影響逐漸受到重視，針對(duì)漂 浮物的研究不斷發(fā)展。目前，主要在海洋區(qū)域針對(duì)漂浮物的相關(guān)研究較多，國外學(xué)者通過拉 格朗日和空間建模技術(shù)，構(gòu)建了漂浮物預(yù)測模型，模型能夠模擬海洋中漂浮物的運(yùn)移路徑 和軌跡，但對(duì)漂浮物的堆積以及質(zhì)量缺乏量化和考慮，且缺少對(duì)河流、水庫等水體漂浮物的 迀移運(yùn)動(dòng)過程的模擬研究。我國學(xué)者在對(duì)漂浮物的研究中，主要采用采樣和實(shí)驗(yàn)分析方法， 包括研究漂浮物的豐度、粒徑、空間分布及其組成成分，研究漂浮物對(duì)水工建筑的影響以及 漂浮物的治理措施等。關(guān)于漂浮物的定量研究較少，如通過分析漂浮物的水流特性，提出漂 浮物模擬的相似條件，應(yīng)用正態(tài)模型或小變率的變態(tài)模型來模擬漂浮物的堆積形態(tài);通過 假定漂浮物與水流質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡一致，基于平面二維水流數(shù)值模型用水流速度模擬漂浮 物運(yùn)動(dòng)，分析漂浮物的堆積問題。目前已有的研究在一定程度上為漂浮物數(shù)值模擬的進(jìn)一 步開展提供了技術(shù)借鑒，但現(xiàn)有研究仍然不能快速、準(zhǔn)確的模擬漂浮物從產(chǎn)生到堆積或清 理的過程。
[0004] 漂浮物在水體中受水和風(fēng)的雙重動(dòng)力作用，單純用水的流速代替漂浮物的速度進(jìn) 行模擬，考慮不夠全面，且水流數(shù)學(xué)模型采用離散化的網(wǎng)格形式，模擬的是網(wǎng)格的速度，格 點(diǎn)的速度與漂浮物質(zhì)心的速度存在一定的差別；而在漂浮物的堆積問題中，清漂措施會(huì)極 大的影響漂浮物的總量和運(yùn)移情況。因此，在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，通過合理概化漂浮物受水 流、風(fēng)速的影響，綜合考慮漂浮物的入?yún)R、堆積以及清漂過程，模擬漂浮物的運(yùn)移過程。為了 更加有效的進(jìn)行漂浮物治理，建立漂浮物模型，快速、準(zhǔn)確地模擬漂浮物在水體中的迀移規(guī) 律，對(duì)大尺度流域的產(chǎn)漂量進(jìn)行定量研究，對(duì)漂浮物的去除，提高海水體漂浮物的綜合管理 有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明是為了解決上述問題而進(jìn)行的，目的在于提供一種能夠快速、準(zhǔn)確地模擬 漂浮物在水體中的迀移規(guī)律的體表面漂浮物迀移、堆積和清漂過程的數(shù)值模擬方法。
[0006] 本發(fā)明為了實(shí)現(xiàn)上述目的，采用了以下方案：
[0007] 本發(fā)明提供一種水體表面漂浮物迀移、堆積和清漂過程的數(shù)值模擬方法，其特征 在于，包括以下步驟：
[0008] 步驟1.漂浮物迀移過程模擬：
[0009] 基于漂浮物集合F中各個(gè)漂浮物在水體運(yùn)動(dòng)過程中的受力情況，將每個(gè)漂浮物都 分別概化為具有一個(gè)質(zhì)心的實(shí)體，求取每個(gè)漂浮物實(shí)體的六個(gè)屬性的變化的過程，這六個(gè) 屬性分別為質(zhì)量Qf，正東方向流速uf，正北方向流速vf，質(zhì)心在正東和正北方向的大地坐標(biāo) Xf和yf，以及質(zhì)心所在的離散網(wǎng)格編號(hào)Qij;
[0010] 步驟2.漂浮物堆積過程模擬:將具有相同離散網(wǎng)格編號(hào)Qu的漂浮物合并為一個(gè)新 的漂浮物，重新求取該新的漂浮物的質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)速度和質(zhì)心坐標(biāo)，并將新的漂浮物納入漂浮 物集合中；
[0011] 步驟3.清漂過程模擬：
[0012] 根據(jù)水體的漂浮物清理計(jì)劃，將處于清理計(jì)劃所在的清漂時(shí)間段和清理區(qū)域的漂 浮物進(jìn)行剔除:求取當(dāng)前時(shí)刻下漂浮物的六個(gè)屬性，對(duì)比漂浮物所在的網(wǎng)格是否處于清漂 區(qū)域，若是，則進(jìn)一步對(duì)比當(dāng)前時(shí)刻是否處于清漂時(shí)間段內(nèi)，若是，則將漂浮物清理出漂浮 物集合F。
[0013] 進(jìn)一步地，本發(fā)明提供的水體表面漂浮物迀移、堆積和清漂過程的數(shù)值模擬方法 中，步驟1.漂浮物迀移過程模擬，還包括以下子步驟：
[0014] 步驟1-1.漂浮物入?yún)R條件給定:漂浮物入?yún)R條件是漂浮物計(jì)算的前提，給定在時(shí) 亥|Jt所匯入的漂浮物的質(zhì)量Qf 0，排放位置xf 0和yf 0，流速uf 0 = 0和vf 0 = 0，以及排放處的網(wǎng)格 編號(hào)Q_，設(shè)漂浮物實(shí)體為float，漂浮物組成的漂浮物集合為F={float| float為漂浮物實(shí) 體}，則每排入一個(gè)漂浮物，F(xiàn)中的漂浮物的數(shù)量增加1個(gè)；
[0015] 步驟1-2.水動(dòng)力模型構(gòu)建:基于二維規(guī)則網(wǎng)格構(gòu)建技術(shù)，構(gòu)建用于漂浮物模擬的 二維規(guī)則網(wǎng)格體系G[ij]及其水動(dòng)力模型，該水動(dòng)力模型基于二維圣維南方程，如下：
[0021]式中：h為水深，u為正東方向的流速，v為正北方向的流速，X為正東方向的投影坐 標(biāo)，y為正北方向的投影坐標(biāo)，t為時(shí)間，g為重力加速度，p為水體密度，c為謝才系數(shù)，f為柯 氏力常數(shù)，/ = 2flsin供，?>為煒度，Ω為地轉(zhuǎn)角速度，約為2π/(24Χ3600)弧度每秒，ξχ、Cy為 分別為X、y方向上的渦動(dòng)粘滯系數(shù)；；τ χ、τ y為分別為X、y方向上的風(fēng)切應(yīng)力， 其表達(dá)形式為：

[0024]式中：Ca為風(fēng)阻力系數(shù);pa為空氣密度;Wx，W y為分別為x、y方向上的風(fēng)速；
[0025]通過二維水動(dòng)力模型，模擬任意時(shí)刻每個(gè)網(wǎng)格上的正東方向和正北方向的表面流 速，Uij 和 Vij;
[0026]步驟1-3.氣象插值:構(gòu)建二維規(guī)則網(wǎng)格內(nèi)及其周邊的氣象站集合W，W中包括有每 個(gè)氣象站的位置(xw，yw)，該氣象站t時(shí)刻監(jiān)測到的正東方向的風(fēng)速wu和正北方向的風(fēng)速 wv，通過反距離權(quán)重法，將集合W中所有氣象站的風(fēng)速插值到每個(gè)二維規(guī)則網(wǎng)格，得到t時(shí)刻 每個(gè)網(wǎng)格上的正東方向和正北方向的風(fēng)速為WUij，WVi j;反距離權(quán)重插值的方程如下：
[0030] 式中，Μ為第Si個(gè)氣象站所占權(quán)重，wu(Si)，wv( Si)為第Si個(gè)氣象站實(shí)測的正東和正 北方向的風(fēng)速值，di〇為網(wǎng)格ij與其第si個(gè)氣象站之間的距離，N為氣象站個(gè)數(shù)；
[0031] 步驟1-4.漂浮物運(yùn)移速度計(jì)算:漂浮物在水體中受水和風(fēng)的作用力而發(fā)生變化， 將漂浮物所受的力概化成流速和風(fēng)速對(duì)漂浮物運(yùn)動(dòng)速度的影響，漂浮物質(zhì)心所在位置的運(yùn) 動(dòng)速度uf和vf通過下式求?。?br>[0032] uf = cw X wub+Ca X ub,
[0033] vf = cw X wvb+Ca X vb,
[0034] 式中，cw為漂浮物運(yùn)動(dòng)的水阻系數(shù)，ca為漂浮物運(yùn)動(dòng)的風(fēng)阻系數(shù)， WUb，WVb，Ub，vb* 別為漂浮物質(zhì)心所在位置正東和正北方向的風(fēng)速和流速;在所述步驟1-2和所述步驟1-3 中，求取到的速度為網(wǎng)格的流速(Uij和Vij)與風(fēng)速(WUij和WVij) #1113，'\￥￥13，1113，￥13通過漂浮物 所在網(wǎng)格1及其相鄰網(wǎng)格2~9的流速和風(fēng)速，利用反距離權(quán)重法插值獲得：
[0036]其中，i為與漂浮物相關(guān)的網(wǎng)格編號(hào)，1為漂浮物質(zhì)心所在的網(wǎng)格，2,3,4,5分別為1 的西、東、南、北方向的網(wǎng)格，6,7為4號(hào)網(wǎng)格的西、東方向的網(wǎng)格、8,9為5號(hào)網(wǎng)格的西、東方向 的網(wǎng)格，cU溈漂浮物的質(zhì)心(xf，yf)到網(wǎng)格質(zhì)心ij(x，y)的距離；
[0037]步驟1-5.漂浮物位置計(jì)算:漂浮物在時(shí)刻t所處的位置為xf，yf，則其位置滿足：
[0038] xft = xf(t-i)+ufX At
[0039] yft = yf(t-i)+vfX At,
[0040] 其中，xft，yft為漂浮物當(dāng)前時(shí)刻t的位置，xft-i，yft-i為上一時(shí)刻的位置，Δ t為當(dāng) 前時(shí)刻與上一時(shí)刻的時(shí)間差，等于一個(gè)計(jì)算時(shí)間步長;若t-i時(shí)刻為漂浮物排入的時(shí)刻， xft-i - xfo 7 yft-i - yfo ；
[0041] 步驟1-6,漂浮物所在網(wǎng)格計(jì)算：
[0042] 在漂浮物模擬計(jì)算中，一個(gè)計(jì)算時(shí)間步長內(nèi)，漂浮物運(yùn)移的速度可能超過一個(gè)網(wǎng) 格的范圍，采用模式分離法，通過動(dòng)步長模式，計(jì)算漂浮物所在的網(wǎng)格;設(shè)定當(dāng)前漂浮物所 在的網(wǎng)格為i j，網(wǎng)格的X方向的長度為dx，y方向的長度為dy，模型模擬步長為dt，則用于計(jì) 算漂浮物運(yùn)移的步長為dtf=max(dt/(dx/uf)，dt/(dy/vf));
[0043] 在一個(gè)漂浮物模擬步長后，漂浮物的移動(dòng)距離為dxf和dyf，其當(dāng)前的位置為xft = xft-i+dxf，yft = yft-i+dyf，設(shè)運(yùn)動(dòng)前漂浮物所在的網(wǎng)格號(hào)為i j (i，j)，在i j網(wǎng)格的東西南北 方向外擴(kuò)至少1層網(wǎng)格進(jìn)行搜索；
[0044] 若漂浮物質(zhì)心所在的位置Q與網(wǎng)格ijN四個(gè)頂點(diǎn)(A，B，C，D)所組成的向量及網(wǎng)格四 條邊的向量，滿足關(guān)系式：
[0045] ABXAQ>0
[0046] BCXBQ>0
[0047] CDXCQ>0
[0048] DAXDQ>0，
[0049] 則Q在網(wǎng)格i jN(AB⑶)的范圍內(nèi)，且有漂浮物所在的網(wǎng)格編號(hào)Qij = i jN。
[0050] 進(jìn)一步地，本發(fā)明提供的水體表面漂浮物迀移、堆積和清漂過程的數(shù)值模擬方法 中，步驟2.漂浮物堆積過程模擬，包括以下子步驟：
[0051] 步驟2-1.判斷漂浮物集合中是否存在具有相同編號(hào)的漂浮物：
[0052]在完成一個(gè)步長dt的計(jì)算后，檢索漂浮物集合F中所有漂浮物所在的網(wǎng)格編號(hào)，在 集合F中，從第1個(gè)漂浮物向第N個(gè)漂浮物依次掃描，這里N為F中，漂浮物的總數(shù)，以當(dāng)前編號(hào) 為ne[l，N]的漂浮物的所在網(wǎng)格編號(hào)Qij(n)為判斷依據(jù)，從編號(hào)為第N的漂浮物向第n+1個(gè) 漂浮物，編號(hào)nk依次減1進(jìn)行掃描，判斷Qi j (η)與Qi j (nk)的大??；
[0053]若不存在網(wǎng)格編號(hào)相同的漂浮物，則繼續(xù)下一個(gè)步長的計(jì)算；
[0054]若存在具有相同編號(hào)的漂浮物，則轉(zhuǎn)入步驟2-2;
[0055]步驟2-2.合并相同網(wǎng)格內(nèi)的漂浮物：
[0056] 在漂浮物體系F中，當(dāng)如」（1〇=〇〇_(111〇時(shí)，合并漂浮物11與1^為新的漂浮物，并將 該新的漂浮物的編號(hào)設(shè)為η，它的坐標(biāo)與速度滿足：
[0058] 新的漂浮物的質(zhì)量為兩個(gè)合并的漂浮物質(zhì)量之和:〇以11)=〇以11)+〇以111〇;
[0059] 步驟2-3.對(duì)漂浮物集合F進(jìn)行重新排列：
[0060] 在將漂浮物η和漂浮物nk合并后，重新排列漂浮物體系，漂浮物1~nk-ι保持序號(hào) 不變，漂浮物nk+Ι~N序號(hào)依次減1，得到合并后總數(shù)為N-1的漂浮物集合F;
[0061] 重復(fù)執(zhí)行步驟2-1~步驟2-3,直到具有相同ij號(hào)的漂浮物都被合并并且新的漂浮 物都被重新排列完成為止。
[0062] 進(jìn)一步地，本發(fā)明提供的水體表面漂浮物迀移、堆積和清漂過程的數(shù)值模擬方法 中，步驟3.清漂過程模擬，還包括以下子步驟：
[0063]步驟3-1.定義清漂方案：按照水體中清漂的規(guī)劃方案，定義清漂的時(shí)間段為TC [七1，〖2]，清漂位置集為?0=作1_|?1_為清漂的網(wǎng)格編號(hào)};
[0064]步驟3-2.清理滿足條件的漂浮物：
[0065]在模擬過程中，若滿足條件：當(dāng)前所模擬的時(shí)間t滿足且當(dāng)前漂浮物所 在的網(wǎng)格Qi j (n) e FC，則將編號(hào)為η的漂浮物清理出漂浮物集合F;
[0066] 并將漂浮物1~η保持不變，漂浮物η+1~Ν序號(hào)依次減1，得到清出漂浮物編號(hào)為η 后的新的漂浮物集合F;
[0067] 重復(fù)執(zhí)行步驟3-1至步驟3-2,直到所有滿足條件的漂浮物都被清理完為止。
[0068] 進(jìn)一步地，本發(fā)明提供的水體表面漂浮物迀移、堆積和清漂過程的數(shù)值模擬方法 還可以具有這樣的特征:在步驟1-6中，是在網(wǎng)格的東西南北方向外擴(kuò)3層網(wǎng)格進(jìn)行搜索。 [0069]發(fā)明的作用與效果
[0070] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果：
[0071] (1)將漂浮物概化為具有6個(gè)屬性的實(shí)體，漂浮物移動(dòng)、堆積和清理的過程，即是對(duì) 漂浮物6個(gè)屬性的定量求解的過程。本技術(shù)相比于現(xiàn)有漂浮物的相關(guān)技術(shù)，具有明顯的創(chuàng)新 性，技術(shù)可行，計(jì)算速度快。
[0072] (2)基于水力學(xué)領(lǐng)域成熟的平面二維水動(dòng)力模擬技術(shù)，以離散網(wǎng)格的形式獲得水 體表面的流速。分析漂浮物在水體所受的水流作用力和風(fēng)作用力，通過流速和風(fēng)速的概化 模式，基于漂浮物的質(zhì)心與網(wǎng)格體系的距離關(guān)系，利用反距離權(quán)重法，獲得漂浮物的運(yùn)移速 度。通過該方法的處理，避免了對(duì)漂浮物的形態(tài)，在水體中所受復(fù)雜的力學(xué)結(jié)構(gòu)的解析，具 有更好的可行性。
[0073] (3)利用模式分裂法，通過構(gòu)建模型模擬步長和漂浮物運(yùn)移計(jì)算步長的方式，進(jìn)行 漂浮物移動(dòng)的模擬，確保漂浮物在移動(dòng)的過程中，每次計(jì)算步長內(nèi)其運(yùn)移的距離不會(huì)超過 一個(gè)網(wǎng)格的邊長，從而確保對(duì)漂浮物所在網(wǎng)格的搜索更準(zhǔn)確和可靠。
[0074] (4)基于構(gòu)建的漂浮物迀移模擬技術(shù)，能對(duì)任何水體中浮在水面的漂浮物進(jìn)行模 擬和預(yù)測，確定漂浮物在任意時(shí)刻所處的位置以及水體中任意位置所含有的漂浮物質(zhì)量， 分析漂浮物的運(yùn)移軌跡，為漂浮物的監(jiān)控、清理、處置提供數(shù)據(jù)支撐。
[0075] 綜上所述，本發(fā)明的體表面漂浮物迀移、堆積和清漂過程的數(shù)值模擬方法，能夠快 速、準(zhǔn)確地模擬漂浮物在水體中的迀移規(guī)律，對(duì)大尺度流域的產(chǎn)漂量進(jìn)行定量研究，對(duì)漂浮 物的去除，從而能夠切實(shí)提高海水體漂浮物的綜合管理效率。
【附圖說明】
[0076] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例的模擬范圍網(wǎng)格體系的示意圖；
[0077] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例的漂浮物入?yún)R位置和過程的示意圖；
[0078] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例中通過氣象站插值獲得網(wǎng)格上的風(fēng)速的示意圖；
[0079] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例中漂浮物質(zhì)心與周邊9個(gè)網(wǎng)格的反距離權(quán)重插值的示意圖；
[0080] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例中漂浮物運(yùn)移后搜索其所在網(wǎng)格ij號(hào)的示意圖；
[0081] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例中合并具有相同網(wǎng)格號(hào)的漂浮物的流程圖；
[0082] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例中模擬2天后漂浮物運(yùn)移狀態(tài)的效果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0083] 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明涉及的水體表面漂浮物迀移、堆積和清漂過程的數(shù)值模擬 方法的具體實(shí)施方案進(jìn)行詳細(xì)地說明。
[0084] 實(shí)施例
[0085] 本實(shí)施例的水體表面漂浮物迀移、堆積和清漂過程的數(shù)值模擬方法包括以下步 驟：
[0086]步驟1.漂浮物迀移過程模擬
[0087] 1-1.漂浮物水動(dòng)力模型構(gòu)建:利用規(guī)則網(wǎng)格繪制軟件，如delft3d等軟件繪制要模 擬區(qū)域的二維規(guī)則網(wǎng)格體系G[ij]，如圖1所示?；诙S圣維南方程，構(gòu)建水動(dòng)力模型，水 動(dòng)力模型基于二維圣維南方程，如下：
[0088] 連續(xù)方程：
[0090] 動(dòng)量方程：
[0093]式中：式中:h為水深;u為正東方向的流速;v為正北方向的流速，X為正東方向的投 影坐標(biāo)，y為正北方向的投影坐標(biāo);g為重力加速度;P為水體密度;C為謝才系數(shù);f為柯氏力 常數(shù)，/__:=_2?.Ηη魯,P為煒度，Ω為地轉(zhuǎn)角速度，約為2π/(24 X 3600)弧度每秒；ξχ、ξγ為分別 為X、y方向上的渦動(dòng)粘滯系數(shù)
;τχ、"^為分別為X、y方向上的風(fēng)切應(yīng)力，其表 達(dá)形式為：
[0094] Tr^CapaWx{W； + W；f2 (4)
[0095] r, =Capjrv(fr；+fFl2)h2 (5)
[0096] 式中：Ca為風(fēng)阻力系數(shù);pa為空氣密度;Wx，Wy為分別為x、y方向上的風(fēng)速。通過二維 水動(dòng)力模型，模擬任意時(shí)刻每個(gè)網(wǎng)格上的正東方向和正北方向的表面流速，uu和 Vlj。在本 實(shí)施例中，設(shè)定模擬時(shí)間為30天，模擬步長為360秒，模擬的第1天的流速如附圖1所示。
[0097] 1-2.給定入?yún)R條件:在漂浮物的計(jì)算中，漂浮物入?yún)R條件是漂浮物計(jì)算的前提，在 本實(shí)施例中給定從時(shí)刻〇到第30天的漂浮物的入?yún)R量。如圖2中，為30天內(nèi)在入?yún)R點(diǎn)SI，S2處 的漂浮物的入?yún)R位置及其入?yún)R過程線。
[0098] 1-3.氣象插值:構(gòu)建二維規(guī)則網(wǎng)格內(nèi)及其周邊的氣象站集合W，在本實(shí)施例中W包 括有2個(gè)氣象站，分別W1和W2。其中，W1的位置為(x wl，ywl)，W2的位置為(xw2，yw2)。每個(gè)氣象站 t時(shí)刻監(jiān)測到的正東方向的風(fēng)速(wu)和正北方向的風(fēng)速(wv)。通過反距離權(quán)重法，將集合W 中所有氣象站的風(fēng)速插值到每個(gè)二維規(guī)則網(wǎng)格，得到t時(shí)刻每個(gè)網(wǎng)格上的正東方向和正北 方向的風(fēng)速為WUij，WVij。反距離權(quán)重插值的方程如下：
[0101] 式中，Ai為第Si個(gè)氣象站所占權(quán)重，Xij，yij為網(wǎng)格ij的x，y值;wu(Si)，wv(Si)為第Si 個(gè)氣象站實(shí)測的正東和正北方向的風(fēng)速值;dlQ為網(wǎng)格ij與其第Sl個(gè)氣象站之間的距離。插 值獲得的第1天的網(wǎng)格上的風(fēng)速如圖3所示。
[0102] 1-4.漂浮物運(yùn)移速度計(jì)算:漂浮物在水體中受水和風(fēng)的作用力而發(fā)生變化。將漂 浮物所受的力概化成流速和風(fēng)速對(duì)漂浮物運(yùn)動(dòng)速度的影響。漂浮物質(zhì)心所在位置的運(yùn)動(dòng)速 度uf，vf通過下式求?。?u\ -c x wuh +c xuh
[0103] ' . '' . , (8) V1 =Γ xuvb +c, XW
[0104] 其中，cw為漂浮物運(yùn)動(dòng)的水阻系數(shù)，ca為漂浮物運(yùn)動(dòng)的風(fēng)阻系數(shù);在本例中，水阻系 數(shù)為〇. 8，風(fēng)阻系數(shù)為0.2。wub，wvb，ub，vb分別為漂浮物質(zhì)心所在位置正東和正北方向的風(fēng) 速和流速。利用漂浮物所在的位置與周邊9個(gè)網(wǎng)格ijl~ij9的距離，通過反距離權(quán)重法，獲 得漂浮物質(zhì)心到9個(gè)網(wǎng)格的權(quán)重（如圖4所示），將9個(gè)網(wǎng)格的流速(Uij和vij)與風(fēng)速(wuij和 wVlj)插值到漂浮物所在的位置，通過公式(8)求取到漂浮物所在位置的速度uf，wf。
[0105] 1-5.漂浮物位置計(jì)算:漂浮物在時(shí)刻t所處的位置為Xf，yf，則其位置滿足： xf, =xfu_h+ufxAi
[0106] f f (9) = +vfxAt
[0107]其中，xft，yft為漂浮物當(dāng)前時(shí)刻t的位置，xft-i，yft-i為上一時(shí)刻的位置，Δ t為當(dāng) 前時(shí)刻與上一時(shí)刻的時(shí)間差，等于一個(gè)計(jì)算時(shí)間步長。若t-Ι時(shí)刻為漂浮物排入的時(shí)刻，則 xft-i - xfo 7 yft-i - yfo 〇
[0108] 1-6.漂浮物所在網(wǎng)格計(jì)算:在漂浮物模擬計(jì)算中，一個(gè)時(shí)間步長60秒內(nèi)，漂浮物運(yùn) 移的速度可能超過一個(gè)網(wǎng)格的范圍，采用模式分離法，通過動(dòng)步長模式，計(jì)算漂浮物所在的 網(wǎng)格。設(shè)定當(dāng)前漂浮物所在的網(wǎng)格為i j，網(wǎng)格的X方向的長度為dx，y方向的長度為dy，模型 模擬步長為dt，貝lj用于計(jì)算漂浮物運(yùn)移的步長為dtf=max(dt/(dx/uf)，(11:/((17八;〇)。在一 個(gè)漂浮物模擬步長后，漂浮物的移動(dòng)距離為dxf和dyf，其當(dāng)前的位置為xf t = xft-i+dxf^yft =yft-i+dyf。設(shè)運(yùn)動(dòng)前漂浮物所在的網(wǎng)格號(hào)為i j (i，j)，在i j網(wǎng)格的東西南北方向外擴(kuò)3層 網(wǎng)格，g卩[i-3，i+3]與[j-3，j+3]的范圍內(nèi)搜索。若漂浮物質(zhì)心所在的位置Q與網(wǎng)格ij N四個(gè) 頂點(diǎn)(A，B，C，D)所組成的向量及網(wǎng)格四條邊的向量，滿足關(guān)系式：
[0110] 貝1JQ在網(wǎng)格i jN( ABCD)的范圍內(nèi)，且有漂浮物所在的網(wǎng)格編號(hào)Qi j = i jN。漂浮物由i j 處運(yùn)移到Q處過程中，網(wǎng)格搜索的范圍和確定漂浮物所在網(wǎng)格的ij如圖5所示。
[0111] 步驟2.漂浮物堆積過程模擬
[0112] 2-1.漂浮物集合中，判斷所有漂浮物所在網(wǎng)格:在完成一個(gè)步長dt的計(jì)算后，檢索 漂浮物集合F中，所有漂浮物所在的網(wǎng)格編號(hào)。在集合F中，從第1個(gè)漂浮物向第N個(gè)漂浮物依 次掃描(N為F中，漂浮物的總數(shù)），以當(dāng)前編號(hào)為ne[l，N]的漂浮物的所在網(wǎng)格編號(hào)Qij(n) 為判斷依據(jù)，從編號(hào)為第N的漂浮物向第n+1個(gè)漂浮物，編號(hào)nk依次減1進(jìn)行掃描，判斷Qij (η)與Qij(nk)的大小。若不存在若不存在網(wǎng)格編號(hào)相同的漂浮物，則繼續(xù)下一個(gè)步長的計(jì) 算。若存在具有相同編號(hào)的漂浮物，則轉(zhuǎn)入步驟2-2。
[0113] 2-2.合并相同網(wǎng)格內(nèi)的漂浮物：當(dāng)漂浮物體系F中，Qi j (n) = Qi j (nk)時(shí)，合并漂浮 物n與nk為新的漂浮物，其編號(hào)為η，其坐標(biāo)與速度滿足：
[0115] 漂浮物質(zhì)量為兩個(gè)合并的漂浮物質(zhì)量之和，Qf(n)=Qf(n)+Qf(nk)
[0116] 2-3.漂浮物體系F重新排列：在將漂浮物η和漂浮物nk合并后，重新排列漂浮物體 系，漂浮物1~nk-Ι保持序號(hào)不變，漂浮物nk+Ι~N序號(hào)依次減1，得到合并后總數(shù)為N-1的漂 浮物集合F。重復(fù)執(zhí)行步驟2-1~步驟2-3,直到具有所有相同ij號(hào)的漂浮物合并完成為止。 漂浮物堆積的計(jì)算流程如圖6所示。
[0117]步驟3.漂浮物清理過程模擬
[0118] 3-1.定義清漂方案:按照水體中清漂的規(guī)劃方案，定義清漂的時(shí)間段為TC[tl，t2] 和清漂位置集FC = {Fi j | Fi j為清漂的網(wǎng)格編號(hào)}。
[0119] 3-2.清理滿足條件的漂浮物:在模擬過程中，若當(dāng)前所模擬的時(shí)間t滿足 t2,且當(dāng)前漂浮物所在的網(wǎng)格Qij(n)eFC，則將編號(hào)為η的漂浮物清理出F。將漂浮物1~η保 持不變，漂浮物η+1~Ν序號(hào)依次減1，則得到清出漂浮物編號(hào)為η后的漂浮物體系F。重復(fù)執(zhí) 行，直到所有滿足條件的漂浮物被清理完為止。經(jīng)過計(jì)算，模擬的2天后計(jì)算范圍內(nèi)漂浮物 的狀態(tài)如圖7所示，從圖中可以看出，漂浮物的移動(dòng)軌跡與水流流場的軌跡相似。
[0120] 實(shí)施例的作用與效果：
[0121] (1)將漂浮物概化為具有6個(gè)屬性的實(shí)體，漂浮物移動(dòng)、堆積和清理的過程，即是對(duì) 漂浮物6個(gè)屬性的定量求解的過程，技術(shù)可行，計(jì)算速度快。
[0122] (2)基于水力學(xué)領(lǐng)域成熟的平面二維水動(dòng)力模擬技術(shù)，以離散網(wǎng)格的形式獲得水 體表面的流速。分析漂浮物在水體所受的水流作用力和風(fēng)作用力，通過流速和風(fēng)速的概化 模式，基于漂浮物的質(zhì)心與網(wǎng)格體系的距離關(guān)系，利用反距離權(quán)重法，獲得漂浮物的運(yùn)移速 度。通過該方法的處理，避免了對(duì)漂浮物的形態(tài)，在水體中所受復(fù)雜的力學(xué)結(jié)構(gòu)的解析，具 有更好的可行性。
[0123] (3)利用模式分裂法，通過構(gòu)建模型模擬步長和漂浮物運(yùn)移計(jì)算步長的方式，進(jìn)行 漂浮物移動(dòng)的模擬，確保漂浮物在移動(dòng)的過程中，每次計(jì)算步長內(nèi)其運(yùn)移的距離不會(huì)超過 一個(gè)網(wǎng)格的邊長，從而確保對(duì)漂浮物所在網(wǎng)格的搜索更準(zhǔn)確和可靠。
[0124] (4)基于構(gòu)建的漂浮物迀移模擬技術(shù)，能對(duì)任何水體中浮在水面的漂浮物進(jìn)行模 擬和預(yù)測，確定漂浮物在任意時(shí)刻所處的位置以及水體中任意位置所含有的漂浮物質(zhì)量， 分析漂浮物的運(yùn)移軌跡，為漂浮物的監(jiān)控、清理、處置提供數(shù)據(jù)支撐。
[0125]以上實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案所做的舉例說明。本發(fā)明所涉及的水體表面 漂浮物迀移、堆積和清漂過程的數(shù)值模擬方法并不僅僅限定于在以上實(shí)施例中所描述的內(nèi) 容，而是以權(quán)利要求所限定的范圍為準(zhǔn)。本發(fā)明所屬領(lǐng)域技術(shù)人員在該實(shí)施例的基礎(chǔ)上所 做的任何修改或補(bǔ)充或等效替換，都在本發(fā)明的權(quán)利要求所要求保護(hù)的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種水體表面漂浮物遷移、堆積和清漂過程的數(shù)值模擬方法，其特征在于，包括w下 步驟： 步驟1.漂浮物遷移過程模擬： 基于漂浮物集合F中各個(gè)漂浮物在水體運(yùn)動(dòng)過程中的受力情況，將每個(gè)漂浮物都分別 概化為具有一個(gè)質(zhì)屯、的實(shí)體，求取每個(gè)漂浮物實(shí)體的六個(gè)屬性的變化的過程，運(yùn)六個(gè)屬性 分別為質(zhì)量Qf，正東方向流速uf，正北方向流速vf，質(zhì)屯、在正東和正北方向的大地坐標(biāo)xf和 yf，W及質(zhì)屯、所在的離散網(wǎng)格編號(hào)化j; 步驟2.漂浮物堆積過程模擬： 將具有相同離散網(wǎng)格編號(hào)化北勺漂浮物合并為一個(gè)新的漂浮物，重新求取該新的漂浮物 的質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)速度和質(zhì)屯、坐標(biāo)，并將新的漂浮物納入漂浮物集合中； 步驟3.清漂過程模擬： 根據(jù)水體的漂浮物清理計(jì)劃，將處于清理計(jì)劃所在的清漂時(shí)間段和清理區(qū)域的漂浮物 進(jìn)行剔除:求取當(dāng)前時(shí)刻下漂浮物的六個(gè)屬性，對(duì)比漂浮物所在的網(wǎng)格是否處于清漂區(qū)域， 若是，則進(jìn)一步對(duì)比當(dāng)前時(shí)刻是否處于清漂時(shí)間段內(nèi)，若是，則將漂浮物清理出漂浮物集合 F。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水體表面漂浮物遷移、堆積和清漂過程的數(shù)值模擬方法，其特 征在于： 步驟1.漂浮物遷移過程模擬，包括W下子步驟： 步驟1-1.漂浮物入?yún)R條件給定:給定在時(shí)刻t所匯入的漂浮物的質(zhì)量Qfo,排放位置xfo 和yfo,流速uf〇 = 0和vf日=0, W及排放處的網(wǎng)格編號(hào)化j日，設(shè)漂浮物實(shí)體為f loat，漂浮物組 成的漂浮物集合為F= {float I float為漂浮物實(shí)體}，則每排入一個(gè)漂浮物，F(xiàn)中的漂浮物的 數(shù)量增加1個(gè)； 步驟1-2.水動(dòng)力模型構(gòu)建:基于二維規(guī)則網(wǎng)格構(gòu)建技術(shù)，構(gòu)建用于漂浮物模擬的二維 規(guī)則網(wǎng)格體系G[ij]及其水動(dòng)力模型，該水動(dòng)力模型基于二維圣維南方程，如下： 連續(xù)方程：式中：h為水深，U為正東方向的流速，V為正北方向的流速，X為正東方向的投影坐標(biāo)，y 為正北方向的投影坐標(biāo)，g為重力加速度，t為時(shí)間，P為水體密度，C為謝才系數(shù)，f為柯氏力 常數(shù)，/ = 2nsinp，口為締度，Ω為地轉(zhuǎn)角速度，約為2V(24X3600)弧度每秒，ξχ、ξy為分別 為X、y方向上的滿動(dòng)粘滯系數(shù)：Tx、Ty為分別為x、y方向上的風(fēng)切應(yīng)力，其表 達(dá)形式為：式中：Ca為風(fēng)阻力系數(shù);Pa為空氣密度;Wx，Wy為分別為X、y方向上的風(fēng)速； 通過二維水動(dòng)力模型，模擬任意時(shí)刻每個(gè)網(wǎng)格上的正東方向和正北方向的表面流速， IHj和 VU; 步驟1-3.氣象插值:構(gòu)建二維規(guī)則網(wǎng)格內(nèi)及其周邊的氣象站集合W，W中包括有每個(gè)氣 象站的位置(xw，yw)，該氣象站t時(shí)刻監(jiān)測到的正東方向的風(fēng)速WU和正北方向的風(fēng)速WV，通 過反距離權(quán)重法，將集合W中所有氣象站的風(fēng)速插值到每個(gè)二維規(guī)則網(wǎng)格，得到t時(shí)刻每個(gè) 網(wǎng)格上的正東方向和正北方向的風(fēng)速為WUij，WVij，反距離權(quán)重插值的方程如下：式中，λ功第Si個(gè)氣象站所占權(quán)重，WU(Si)，WV(Si)為第Si個(gè)氣象站實(shí)測的正東和正北方 向的風(fēng)速值，dio為網(wǎng)格ij與其第Si個(gè)氣象站之間的距離，N為氣象站個(gè)數(shù)； 步驟1-4.漂浮物運(yùn)移速度計(jì)算:漂浮物在水體中受水和風(fēng)的作用力而發(fā)生變化，將漂 浮物所受的力概化成流速和風(fēng)速對(duì)漂浮物運(yùn)動(dòng)速度的影響，漂浮物質(zhì)屯、所在位置的運(yùn)動(dòng)速 度uf和vf通過下式求取： uf = Cw X WUb+Ca X ub, vf = Cw X Wvb+Ca X vb， 式中，Cw為漂浮物運(yùn)動(dòng)的水阻系數(shù)，Ca為漂浮物運(yùn)動(dòng)的風(fēng)阻系數(shù)，^16，群13，油，乂6分別為 漂浮物質(zhì)屯、所在位置正東和正北方向的風(fēng)速和流速;在所述步驟1-2和所述步驟1-3中，求 取到的速度為網(wǎng)格的流速(Uij和Vij)與風(fēng)速(WUij和WVij) ;*址)，群13，1113，￥13通過漂浮物所在網(wǎng) 格1及其相鄰網(wǎng)格2~9的流速和風(fēng)速，利用反距離權(quán)重法插值獲得：其中，i為與漂浮物相關(guān)的網(wǎng)格編號(hào)，1為漂浮物質(zhì)屯、所在的網(wǎng)格，2,3,4,5分別為1的 西、東、南、北方向的網(wǎng)格，6，7為4號(hào)網(wǎng)格的西、東方向的網(wǎng)格、8，9為5號(hào)網(wǎng)格的西、東方向的 網(wǎng)格，di功漂浮物的質(zhì)屯、(xf，yf倒網(wǎng)格質(zhì)屯、U (X，y)的距離； 步驟1-5.漂浮物位置計(jì)算:漂浮物在時(shí)刻t所處的位置為xf，yf，則其位置滿足： xft = xf(t-i)+ufX At yft = yf(t-i)+vf X Δ t， 其中，為漂浮物當(dāng)前時(shí)刻t的位置，為上一時(shí)刻的位置，Δ t為當(dāng)前時(shí) 刻與上一時(shí)刻的時(shí)間差，等于一個(gè)計(jì)算時(shí)間步長，若t-1時(shí)刻為漂浮物排入的時(shí)刻，xft-i = xfo，yft-i = yfo; 步驟1-6，漂浮物所在網(wǎng)格計(jì)算： 在漂浮物模擬計(jì)算中，一個(gè)計(jì)算時(shí)間步長內(nèi)，漂浮物運(yùn)移的速度可能超過一個(gè)網(wǎng)格的 范圍，采用模式分離法，通過動(dòng)步長模式，計(jì)算漂浮物所在的網(wǎng)格;設(shè)定當(dāng)前漂浮物所在的 網(wǎng)格為ij，網(wǎng)格的X方向的長度為dx，y方向的長度為dy，模型模擬步長為dt，則用于計(jì)算漂 浮物運(yùn)移的步長為化f=max(化/(dx/uf)，化/(dy/vf)); 在一個(gè)漂浮物模擬步長后，漂浮物的移動(dòng)距離為dxf和dyf，其當(dāng)前的位置為xft = xft-i+ dxf，yf t =州*-1+(1州，設(shè)運(yùn)動(dòng)前漂浮物所在的網(wǎng)格號(hào)為ij(ij)，在ij網(wǎng)格的東西南北方向 外擴(kuò)至少1層網(wǎng)格進(jìn)行捜索； 若漂浮物質(zhì)屯、所在的位置Q與網(wǎng)格ijN四個(gè)頂點(diǎn)(A，B，C，D)所組成的向量及網(wǎng)格四條邊 的向量，滿足關(guān)系式： ABXAQ>0 BCXBQ>0 CDXCQ>0 DAXDQ>0， 貝化在網(wǎng)格Un (ABCD)的范圍內(nèi)，且有漂浮物所在的網(wǎng)格編號(hào)Qi j = Un。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水體表面漂浮物遷移、堆積和清漂過程的數(shù)值模擬方法，其特 征在于： 步驟2.漂浮物堆積過程模擬，包括W下子步驟： 步驟2-1.判斷漂浮物集合中是否存在具有相同編號(hào)的漂浮物： 在完成一個(gè)步長dt的計(jì)算后，檢索漂浮物集合F中所有漂浮物所在的網(wǎng)格編號(hào)，在集合 F中，從第1個(gè)漂浮物向第N個(gè)漂浮物依次掃描，運(yùn)里N為F中，漂浮物的總數(shù)，W當(dāng)前編號(hào)為η e[l，N]的漂浮物的所在網(wǎng)格編號(hào)Qij(n)為判斷依據(jù)，從編號(hào)為第Ν的漂浮物向第η+1個(gè)漂 浮物，編號(hào)nk依次減1進(jìn)行掃描，判斷Qi j (η)與Qi j (nk)的大?。? 若不存在網(wǎng)格編號(hào)相同的漂浮物，則繼續(xù)下一個(gè)步長的計(jì)算； 若存在具有相同編號(hào)的漂浮物，則轉(zhuǎn)入步驟2-2; 步驟2-2.合并相同網(wǎng)格內(nèi)的漂浮物： 在漂浮物體系F中，當(dāng)Qij(n)=Qij(nk)時(shí)，合并漂浮物η與nk為新的漂浮物，并將該新 的漂浮物的編號(hào)設(shè)為η，它的坐標(biāo)與速度滿足：新的漂浮物的質(zhì)量為兩個(gè)合并的漂浮物質(zhì)量之和:Qf(n)=Qf(n)+Qf(nk); 步驟2-3.對(duì)漂浮物集合F進(jìn)行重新排列： 在將漂浮物η和漂浮物nk合并后，重新排列漂浮物體系，漂浮物1~nk-1保持序號(hào)不變， 漂浮物nk+1~N序號(hào)依次減1，得到合并后總數(shù)為N-1的漂浮物集合F; 重復(fù)執(zhí)行步驟2-1~步驟2-3,直到具有相同ij號(hào)的漂浮物都被合并并且新的漂浮物都 被重新排列完成為止。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水體表面漂浮物遷移、堆積和清漂過程的數(shù)值模擬方法，其特 征在于： 步驟3.清漂過程模擬，包括W下子步驟： 步驟3-1.定義清漂方案：按照水體中清漂的規(guī)劃方案，定義清漂的時(shí)間段為TC[tl， *2]，清漂位置集為?！?{。。'巾。'為清漂的網(wǎng)格編號(hào)}; 步驟3-2.清理滿足條件的漂浮物： 在模擬過程中，若滿足條件：當(dāng)前所模擬的時(shí)間t滿足且當(dāng)前漂浮物所在的 網(wǎng)格Qij(n)eFC，則將編號(hào)為η的漂浮物清理出漂浮物集合F; 并將漂浮物1~η保持不變，漂浮物η+1~Ν序號(hào)依次減1，得到清出漂浮物編號(hào)為η后的 新的漂浮物集合F; 重復(fù)執(zhí)行步驟3-1至步驟3-2,直到所有滿足條件的漂浮物都被清理完為止。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的水體表面漂浮物遷移、堆積和清漂過程的數(shù)值模擬方法，其特 征在于： 其中，在步驟1-6中，是在網(wǎng)格的東西南北方向外擴(kuò)3層網(wǎng)格進(jìn)行捜索。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK106096212SQ201610570763
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年7月19日
【發(fā)明人】張萬順, 王永桂, 彭虹
【申請(qǐng)人】武漢大學(xué)