(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210951572.2 (22)申请日 2022.08.09 (71)申请人 长江水利委员会长江科 学院 地址 430010 湖北省武汉市黄浦大街23号 申请人 中国长江三峡集团有限公司 (72)发明人 汤显强　黎睿　靖争　王丹阳　 吴兴华　李媛　 (74)专利代理 机构 武汉楚天专利事务所 421 13 专利代理师 孔敏 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G01D 21/02(2006.01) (54)发明名称 一种基于悬浮泥沙沉降概率的磷输移与分 布计算方法 (57)摘要 本发明提供一种基于悬浮泥沙沉降概率的 磷输移与分布计算方法， 包括以下步骤： 选择典 型断面， 现场测定断面泥沙颗粒级配、 含沙量及 水体流速； 根据泥沙浓度等计算校核单组份泥沙 沉降速率， 通过颗粒级配合 成得到全 粒径悬浮泥 沙沉降速率； 根据泥沙沉降速率和泥沙沉降概率 函数， 分析颗粒态磷输移轨迹； 以分相模型为基 础， 通过室内实验确定不同粒径分组泥沙即不同 含沙量对吸附相磷的函数关系； 将泥沙级配分组 信息及全粒径悬浮泥沙沉降速率引入水动力水 质模型， 分析颗粒磷与溶解相磷的输送过程及分 配特征。 该方法实现了对全粒径泥沙颗粒磷输移 轨迹、 沉降速率及固液两相分配的数值分析。 权利要求书3页 说明书9页 附图4页 CN 115422717 A 2022.12.02 CN 115422717 A 1.一种基于悬浮泥沙沉降概 率的磷输移与分布计算方法， 其特 征在于， 包括如下步骤： 步骤1： 选取典型断面， 现场测量地形数据， 同步测定悬浮泥沙浓度S、 水温T、 流速U， 所 述地形数据包括河宽B、 水深H， 采用原位激光粒度仪实时监测泥沙 颗粒级配等变化； 步骤2： 以分组泥沙颗粒粒径尺寸大小初步判断流态， 根据流态计算泥沙颗粒沉速， 后 通过计算雷诺数反证所判断流态是否正确， 若不属于判别流层， 则假定另一流态计算沉速， 直到算出正确结果， 根据悬浮泥沙浓度对泥沙群体沉速进行修正， 并合成得到不同粒径分 组泥沙沉速； 步骤3： 根据全粒径泥沙沉速， 由泥沙沉降概 率密度函数计算颗粒磷沉降概 率； 步骤4： 根据颗粒磷沉降概率及合成后的全粒径颗粒沉降速率， 计算颗粒磷沉降前的输 移距离； 步骤5： 通过室内实验分别得到不同粒级分 组下泥沙吸附速率kp及不同悬浮泥沙浓度下 泥沙吸附速率 kS， 通过多项式拟合得到综合吸附速率 kα； 步骤6： 采用磷分相输移模型分析溶解相磷及吸附相磷沿程变化， 提取特定断面数据， 得到磷分布特 征， 根据两种形态磷的比例得到溶解相磷及吸附相磷分配特 征。 2.如权利要求1所述的基于悬浮泥沙沉降概率的磷输移模型构建方法， 其特征在于： 步 骤2中采用公式(7)对泥沙群体沉速进行修正， 采用公式(8)合成得到不同粒径分组泥沙沉 速： 式中， 为泥沙群体沉速； Pi为第i组粒径所占百分比； ωi为第i组粒径泥沙沉速； ωS0为 泥沙颗粒在实验条件下的沉速， Sf为实验条件下的悬沙浓度， α是一个与雷诺数有关的系 数。 3.如权利要求1所述的基于悬浮泥沙沉降概率的磷输移模型构建方法， 其特征在于： 步 骤3具体包括： 模型假定泥沙颗粒沉降到底部时会以一定的概率沉降下来， 其沉降概率在0～1之间变 化， 泥沙颗粒运动速度服从Gaus s正态分布， 分布密度函数为： 式中x为颗粒速度； u为均值； σ 为标准差， 颗粒磷与泥沙相互依存， 将Gauss分布密度函 数积分， 得颗粒态磷沉降概 率函数： 式中， Ps为颗粒态磷沉降概率； x为泥沙颗粒速度； ω为颗粒磷沉速， 即全粒径泥沙沉 速； σν为垂向紊动强度标准差 。 4.如权利要求1所述的基于悬浮泥沙沉降概率的磷输移模型构建方法， 其特征在于： 步权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115422717 A 2骤(4)中通过式(1 1)计算颗粒磷沉降前的输移 距离： 泥沙颗粒在水流垂线平均流速 及沉速ω 之下， 由距河床为h处沉降至河底时纵向输移 距离为： 式中Lc为泥沙落淤纵向输移距离； ω为沉速； 为水流垂线平均流速； β 为泥沙颗粒与水 流紊动跟随性的参数。 5.如权利要求1所述的基于悬浮泥沙沉降概率的磷输移模型构建方法， 其特征在于： 步 骤5中吸附速率kα采用室内吸附动力学实验得到， 动力学方程采用颗粒 内扩散模型、 一级动 力学、 二级动力学等分别拟合， 由可决系数选取最佳拟合 参数， 其中： kp＝f(d,Pi)                     (12) ks＝f(S)                      (13) kα＝f(kp,ks)                    (14)。 6.如权利要求1所述的基于悬浮泥沙沉降概率的磷输移模型构建方法， 其特征在于： 步 骤6中吸附相磷的表达为： 式中Cs为泥沙吸附相磷含 量， N为泥沙 粒径分组， Qsi为第i组泥沙吸附相磷含 量， Pi为第i 组泥沙质量百分数； 磷输移的控制方程采用分相模型， 包括水体中溶解相磷Cw、 悬沙上吸附相磷Cs， 具体表 达式如下： 式中， A为控制断面面积； Cb、 Cs、 Cw分别为床沙、 悬浮泥沙及 水体中污染物含量； S为断面 平均含沙量； S*为断面平均挟沙力； Dx为纵向离散系数； α 为恢复饱和系数； ω为颗粒沉速； B 为河宽； kα为吸附速 率， 即单位时间单位质量泥 沙吸附量的变化率， kα>0表示泥 沙吸附， 反之 表示解吸； U为断面平均流速； dCw/dt为生化反应项； σ 为单位河长污染物的释放速率； r为排 放源强； 挟沙力采用张瑞瑾公式， 引入粒径级配校正系数：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115422717 A 3