关于水动力模型

水动力是关于描述水体的微观运动的研究,而水动力模型则是一种探寻其中物理过程的方法。

水动力模型的基础是计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD),更深层的就是纳维斯托克斯方程(Navier-Stokes Equations),如果将CFD运用到真实、自然的水体中便形成了水动力模型。

模型的区分可以从多方面来看,比如在计算网格方面,主要可以分为结构网格和非机构网格(简单理解为四边形网格和三角网格);在数值计算方法上,可以分为有限元、有限差分和有限体积法。而每一种方法对应也拥有自身的优缺点。

一个理想的模型通常可以描述、重复甚至预测自然界水体(河流、湖泊、河口、海岸、水库、湾等)详细的运动过程,如在某事某刻某个地理位置的水流走向、水面高度等信息。而想要准确的模拟出这些物理参量,模型的输入数据的准确性至关重要,如地形数据、气象数据(风、降水、日照、蒸散发等)的空间分辨率、出流、入流、潮/水位的时间分辨率等。但即使这些输入数据足够精准,也未必能够得到理想的结果,通常来说与模型相关的水动力参数也是影响模拟效果的主要因素,对模型参数进行设置以得到最为理想结果的过程成为参数率定(Calibration);另一方面,上面提到的模型网格剖分以及计算方法也会对结果有着微小的影响。

在水动力模型的基础上,我们可以耦合其他模块,如藻类运动、营养盐输运、泥沙输移、污染物行迹追踪等,以达到对感兴趣水体进行必要的环境变化监测或对紧急事件进行风险评估等。