基于Navier-Stokes方程的湖库碳输运动态模拟方法

专利名称：基于Navier-Stokes方程的湖库碳输运动态模拟方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202410742664.9

专利申请（专利权）人：天府永兴实验室
权利人地址：四川省成都市天府新区集萃街619号

专利发明（设计）人：何文艳,范骢骧,张红,王皓冉,陈永灿

专利摘要：本发明提供一种基于Navier‑Stokes方程的湖库碳输运动态模拟方法，涉及湖库碳输运模拟技术领域。方法包括：S1：基于Navier‑Stokes方程构建湖库水体流动的数学模型；S2：在所述数学模型的基础上，引入碳质量守恒方程，构建湖库内碳输运的源项数学化表达式；S3：对源项数学化表达式进行参数化处理；S4：求解源项数学化表达式。该方法采用多场耦合碳输运的数学模型，模拟获得典型情景下碳输运的高精度动态时空分布格局信息，结合历史原位观测的资料，开展对关键时间节点、空间位置各形态碳分布规律的监测工作，综合分析以阐明各形态碳在湖库的运输特征，揭示水库典型调度情景下湖库系统总碳浓度的源汇过程。

主权利要求：
1.一种基于Navier‑Stokes方程的湖库碳输运动态模拟方法，其特征在于，所述方法包括：
S1：基于Navier‑Stokes方程构建湖库水体流动的数学模型，所述数学模型的表达式如下：
其中，B为水体宽度；Φi为水温或总碳浓度；U为纵向流速；W为垂向流速；Dx为纵向离散系数；x为纵向长度；Dz为垂向离散系数；z为垂向长度；qi为单元控制体侧向热量或总碳出入流的速率；Si为源汇项；t为时间；
S2：在所述数学模型的基础上，引入碳质量守恒方程，构建湖库内碳输运的源项数学化表达式，所述源项数学化表达式如下：其中，STC为碳输运过程的源汇项；KLC为CO2的界面交换系数；Knetrespiration为初级生产力的净呼吸速率项；Kgrowth为初级生产力的生长速率项；δpd为初级生产力的碳化学计量系数；
Kmicro为微生物降解的CO2释放速率；Kphoto为光化学降解的CO2释放速率；Ksed为沉积物的释放速率；Asur为表面水体面积；Vsur为水体体积； 为CO2饱和浓度； 为CO2浓度；γ pd、γ micro、γ photo、γ sed分别为初级生产力作用、微生物降解、光化学降解和沉积物释放过程的温度修正项；Φpd、Φmicro、Φphoto、Φsed分别为初级生产力作用、微生物降解、光化学降解和沉积物释放过程的碳浓度；
S3：对源项数学化表达式进行参数化处理，包括：开展系列原位黑白瓶实验与室内培育实验，通过控制变量的实验方法，逐一确定初级生产力、微生物降解、光化学降解过程的关键参数，设置两组室内培育实验，一组在培育前通过高压蒸汽灭菌的形式对培育沉积物及水体进行灭活，另一组为培育活性沉积物及水体，测试计算CO2释放速率，分别记为K灭、K活，微生物降解的CO2释放速率Kmicro=K灭‑K活；设置白瓶实验组与黑瓶实验组，使用灭活沉积物及水体进行实验，测试计算CO2释放速率，分别记为K白、K黑，光化学降解的CO2释放速率Kphoto=K白‑K黑；设置白瓶实验组与黑瓶实验组，使用活性沉积物及水体进行实验，测试计算CO2释放速率，分别记为K白’、K黑’，初级生产力的CO2释放速率（Knetrespiration‑Kgrowth）=K白’‑K黑’；
S4：求解源项数学化表达式。
2.根据权利要求1所述的基于Navier‑Stokes方程的湖库碳输运动态模拟方法，其特征在于，S4包括：采用有限差分法对所述源项数学化表达式进行求解，获取碳在湖库中的输运动态，即
碳输运过程的源汇项。 说明书 : 基于Navier‑Stokes方程的湖库碳输运动态模拟方法技术领域[0001] 本发明涉及湖库碳输运模拟技术领域，具体而言，涉及一种基于Navier‑Stokes方程的湖库碳输运动态模拟方法。背景技术[0002] 湖库碳输运模拟是环境科学和地球系统科学中的一个重要领域，它涉及到碳在湖泊和水库中的吸收、释放、转化和储存。现有的湖库碳输运模拟方法可以根据其模拟目的与聚焦环节大致分为经验模型和过程模型。[0003] （1）经验模型[0004] 基于直接的观测数据，对特定系统进行参数化，计算较为简单；对于数据丰富的湖库系统，能够提供相对准确的碳通量估计。模型依赖于特定湖库的数据，难以应用于数据稀缺或未被研究的系统，即泛化能力弱；在计算过程中对一些参数进行了简化处理，往往忽略了许多影响碳输运的复杂过程。[0005] （2）过程模型[0006] 能够模拟碳循环的关键过程，如光合作用、呼吸作用、降解和沉积。但通常专注于描述系统中特定的物理或化学过程，如碳循环中的生物化学反应、随流输运、温度变化等。发明内容[0007] 本发明的目的包括提供了一种基于Navier‑Stokes方程的湖库碳输运动态模拟方法，其能够综合分析以阐明各形态碳在湖库的运输特征，揭示水库典型调度情景下湖库系统总碳浓度的源汇过程。[0008] 本发明的实施例可以这样实现：[0009] 本发明提供一种基于Navier‑Stokes方程的湖库碳输运动态模拟方法，所述方法包括：[0010] S1：基于Navier‑Stokes方程构建湖库水体流动的数学模型；[0011] S2：在所述数学模型的基础上，引入碳质量守恒方程，构建湖库内碳输运的源项数学化表达式；[0012] S3：对源项数学化表达式进行参数化处理；[0013] S4：求解源项数学化表达式。[0014] 在可选的实施方式中，在S1中，所述数学模型的表达式如下：[0015][0016] 其中，B为水体宽度；Φi为水温或总碳浓度；U为纵向流速；W为垂向流速；Dx为纵向离散系数；x为纵向长度；Dz为垂向离散系数；z为垂向长度；qi为单元控制体侧向热量或总碳出入流的速率；Si为源汇项；t为时间。[0017] 在可选的实施方式中，在S2中，所述源项数学化表达式如下：[0018][0019] 其中，STC为碳输运过程的源汇项；KLC为CO2的界面交换系数；Knetrespiration为初级生产力的净呼吸速率项；Kgrowth为初级生产力的生长速率项；δpd为初级生产力的碳化学计量系数；Kmicro为微生物降解的CO2释放速率；Kphoto为光化学降解的CO2释放速率；Ksed为沉积物的释放速率；Asur为表面水体面积；Vsur为水体体积； 为CO2饱和浓度； 为CO2浓度；γ pd、γ micro、γ photo、γ sed分别为初级生产力作用、微生物降解、光化学降解和沉积物释放过程的温度修正项；Φpd、Φmicro、Φphoto、Φsed分别为初级生产力作用、微生物降解、光化学降解和沉积物释放过程的碳浓度。[0020] 在可选的实施方式中，S3包括：[0021] 开展系列原位黑白瓶实验与室内培育实验，通过控制变量的实验方法，逐一确定初级生产力、微生物降解、光化学降解过程的关键参数。[0022] 在可选的实施方式中，S3包括：[0023] 设置两组室内培育实验，一组在培育前通过高压蒸汽灭菌的形式对培育沉积物及水体进行灭活，另一组为培育活性沉积物及水体，测试计算CO2释放速率，分别记为K灭、K活，微生物降解的CO2释放速率Kmicro=K灭‑K活。[0024] 在可选的实施方式中，S3包括：[0025] 设置白瓶实验组与黑瓶实验组，使用灭活沉积物及水体进行实验，测试计算CO2释放速率，分别记为K白、K黑，光化学降解的CO2释放速率Kphoto=K白‑K黑。[0026] 在可选的实施方式中，S3包括：[0027] 设置白瓶实验组与黑瓶实验组，使用活性沉积物及水体进行实验，测试计算CO2释放速率，分别记为K白’、K黑’，初级生产力的CO2释放速率（Knetrespiration‑Kgrowth）=K白’‑K黑’。[0028] 在可选的实施方式中，S4包括：[0029] 采用有限差分法对所述源项数学化表达式进行求解，获取碳在湖库中的输运动态，即碳输运过程的源汇项。[0030] 本发明实施例提供的Navier‑Stokes方程的湖库碳输运动态模拟方法的有益效果包括：[0031] 1）方法采用经验证后的多场耦合碳输运的数学模型，以水库实际调度运行结果为边界条件，模拟获得典型情景下碳输运的高精度动态时空分布格局信息，结合历史原位观测的资料，开展对关键时间节点、空间位置各形态碳分布规律的监测工作，综合分析以阐明各形态碳在湖库的运输特征，揭示水库典型调度情景下湖库系统总碳浓度的源汇过程。[0032] 2）碳循环研究：可用于研究全球变暖和人类活动对湖库碳循环的影响。[0033] 3）环境管理：为湖库的环境管理和生态修复提供科学依据，如评估碳减排措施的效果。[0034] 4）教育与培训：作为教育工具，帮助学生和研究人员理解湖库碳循环的复杂性。附图说明[0035] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。[0036] 图1为本发明实施例提供的基于Navier‑Stokes方程的湖库碳输运动态模拟方法的流程图；[0037] 图2为A水库的坝前垂向剖面；[0038] 图3为A水库的纵向剖面图；[0039] 图4为A水库的水位‑库容验证结果示意图；[0040] 图5为坝前碳浓度时空分布云图；[0041] 图6为坝前底层水体与下泄水体碳浓度变化的日过程示意图。具体实施方式[0042] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。[0043] 因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0044] 应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。[0045] 在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。[0046] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。[0047] 请参考图1，本实施例提供了一种基于Navier‑Stokes方程的湖库碳输运动态模拟方法（以下简称：方法），方法包括以下步骤：[0048] S1：基于Navier‑Stokes方程构建湖库水体流动的数学模型。[0049] 具体的，基于Navier‑Stokes方程构建湖库水体流动的数学模型，数学模型包括水体流速、温度等基本物理量的计算。数学模型的表达式如下：[0050][0051] 其中，B为水体宽度，m；Φi为水温或总碳浓度，℃或g/L；U为纵向流速，m/s；W为垂2 2向流速，m/s；Dx为纵向离散系数，m /s；x为纵向长度，m；Dz为垂向离散系数，m/s；z为垂向长3 3度，m；qi为单元控制体侧向热量或总碳出入流的速率，J/m/s或g/L/s；Si为源汇项，J/m/s或g/L/s；t为时间，s。[0052] S2：在数学模型的基础上，引入碳质量守恒方程，构建湖库内碳输运的源项数学化表达式。[0053] 在Navier‑Stokes方程（数学模型）基础上，引入碳质量守恒方程，模拟碳在水体中的运动过程，运动过程包括输运、扩散、释放与沉积过程。考虑到光合作用、呼吸作用及有机物分解等生物化学过程对碳循环的影响，进一步引入相关的生物化学方程。依据对湖库内碳输运所涉及的物理、化学、生物本构关系的梳理与数学化表达，最终完成对流体力学动量方程的源项数学化表达式：[0054][0055] 其中，STC为碳输运过程的源汇项，J/m3/s或g/L/s；KLC为CO2的界面交换系数，m/s；‑1 ‑1Knetrespiration为初级生产力的净呼吸速率项，s ；Kgrowth为初级生产力的生长速率项，s ；δpd‑1为初级生产力的碳化学计量系数；Kmicro为微生物降解的CO2释放速率，s ；Kphoto为光化学降‑1 ‑1 2解的CO2释放速率，s ；Ksed为沉积物的释放速率，s ；Asur为表面水体面积，m；Vsur为水体体3 3 3积，m； 为CO2饱和浓度，g/m； 为CO2浓度，g/m ；γ pd、γ micro、γ photo、γ sed分别为初级生产力作用、微生物降解、光化学降解和沉积物释放过程的温度修正项；Φpd、Φmicro、Φphoto、Φsed分别为初级生产力作用、微生物降解、光化学降解和沉积物释放过程的碳浓度，3g/m。[0056] S3：对源项数学化表达式进行参数化处理。[0057] 对于复杂的湖库地形和不同的环境条件，通过参数化方法处理边界条件和初始条件，以适应不同的模拟需求。[0058] 具体的，开展系列原位黑白瓶实验与室内培育实验，通过控制变量的实验方法，逐一确定A水库中初级生产力、微生物降解、光化学降解过程的关键参数。[0059] 微生物降解实验组：设置两组室内培育实验，一组在培育前通过高压蒸汽灭菌的形式对培育沉积物及水体进行灭活，另一组为培育活性沉积物及水体，测试计算CO2释放速率，分别记为K灭、K活，微生物降解的CO2释放速率Kmicro=K灭‑K活。[0060] 光化学降解过程：设置白瓶实验组与黑瓶实验组，使用灭活沉积物及水体进行实验，测试计算CO2释放速率，分别记为K白、K黑，光化学降解的CO2释放速率Kphoto=K白‑K黑。[0061] 初级生产力实验组：设置白瓶实验组与黑瓶实验组，使用活性沉积物及水体进行实验，测试计算CO2释放速率，分别记为K白’、K黑’，初级生产力的CO2释放速率，Knetrespiration‑Kgrowth=K白’‑K黑’。[0062] S4：求解源项数学化表达式。[0063] 具体的，采用有限差分法对模型方程（源项数学化表达式）进行求解，获取碳在湖库中的输运动态，即求解碳输运过程的源汇项。[0064] 实施例[0065] 本实施例针对A水库运用了基于Navier‑Stokes方程的湖库碳输运动态模拟方法，方法包括以下步骤：[0066] 步骤1：进行计算网格的划分，根据A水库的实际地形情况，划分计算网格，进行水位‑库容校核。具体的，如图2所示形成坝前垂向剖面和图3所示的纵向剖面图，并进行水位‑库容校核，获得如图4所示的水位‑库容验证结果，从图4可知，水位‑库容的实测结果与模型的模拟结果基本一致。[0067] 步骤2：确定模拟时段，并收集相应的气象数据、水文数据以及水质数据。其中，气象数据包括气温、露点、云量、风速与太阳辐射，水文数据包括日均水位、入库流量、出库流量，水质数据包括水温和总碳浓度。[0068] 步骤3：确定源项数学化表达式的关键参数，并求解碳输运过程的源汇项。具体的，开展系列原位黑白瓶实验与室内培育实验，确定A水库中初级生产力、微生物降解、光化学降解过程的关键参数。最终计算得碳输运过程的源汇项：[0069][0070] 步骤4：模拟结果。[0071] 具体的，经过步骤1 3后获得如图5所示的坝前碳浓度时空分布云图以及图6所示~的坝前底层水体与下泄水体碳浓度变化的日过程示意图，其中，TC表示碳浓度。[0072] 本发明实施例提供的基于Navier‑Stokes方程的湖库碳输运动态模拟方法采用经验证后的多场耦合碳输运的数学模型，以水库实际调度运行结果为边界条件，模拟获得典型情景下碳输运的高精度动态时空分布格局信息，结合历史原位观测的资料，开展对关键时间节点、空间位置各形态碳分布规律的监测工作，综合分析以阐明各形态碳在湖库的运输特征，揭示水库典型调度情景下湖库系统总碳浓度的源汇过程。[0073] 此外，本发明实施例提供的基于Navier‑Stokes方程的湖库碳输运动态模拟方法的有益效果包括：[0074] 1）碳循环研究：可用于研究全球变暖和人类活动对湖库碳循环的影响。[0075] 2）环境管理：为湖库的环境管理和生态修复提供科学依据，如评估碳减排措施的效果。[0076] 3）教育与培训：作为教育工具，帮助学生和研究人员理解湖库碳循环的复杂性。[0077] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

专利地区：四川

专利申请日期：2024-06-11

专利公开日期：2024-09-03

专利公告号：CN118313316B