[發明專利]一種平原圩區河網水動力模擬方法

有效

• 申請號: 202011072463.0
• 申請日: 2020-10-09
• 公開（公告）號: CN112163382B
• 公開（公告）日: 2021-05-25
• 發明（設計）人: 白靜;周剛;田自強;趙健;陳振宇;熊勇峰
• 申請（專利權）人: 中國環境科學研究院
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F113/08;G06F119/14;G06F111/10
• 代理公司: 北京國林貿知識產權代理有限公司 11001
• 代理人: 李瑾;李連生

1.一種平原圩區河網水動力模擬方法，其特征在于：包括兩個部分：陸面降雨徑流時的斷面匯流量的計算、河流動力學演算；所述陸面降雨徑流時的斷面匯流量的計算為河流水動力學演算中的連續方程提供降雨產生的源項；各部分的具體計算過程如下：

步驟一陸面降雨徑流時的斷面匯流量的計算：

1-1匯流計算單元的劃分與徑流量計算：所述匯流計算單元分為水文響應單元或柵格；采用SCS-CN模型計算匯流計算單元上的徑流量；第i個水文響應單元上的徑流量記為R_i1；第i個柵格上的徑流量記為R_i2；

1-2匯流計算單元徑流量對不同河段的貢獻系數計算：基于匯流計算單元與河段的距離關系和河段的特征，估算匯流計算單元的徑流量對不同河段的分配系數；

1-3計算第j條河段的入流量：

式中：W_j為進入第j條河段的流量；R_i'為單位時間內第i個匯流計算單元的徑流量，視情況選用R_i1或者R_i2；A_1i為第i個匯流計算單元的面積；m為河段兩側的匯流計算單元數；λ_ij為多邊形地塊第i個匯流計算單元的徑流量進入第j條河段的分配系數；

1-4假定流達水量均勻進入河段，進入第j條河段上第k個斷面的流量為：

式中：Q_jk為一個多邊形地塊內徑流進入第j條河段上第k個斷面的流量，L_j為j個河段的長度；l_jk第j條河段上第k個斷面代表的局部河段長度；

步驟二河流水動力學演算為：

2-1獲取河網數據和河道的斷面數據；河網數據是指河網的平面數據，所述平面數據包括河段和汊點的鏈接關系；河道的斷面數據包括斷面的起點距-高程-糙率信息、斷面處河道的底面坡降、斷面與下游斷面的距離；將斷面進行分類：1為自由過流斷面、2為底孔式閘門過流斷面、3為堰式閘門過流斷面、4虛擬閘門過流斷面；與圩區水系與圩外水系相連的閘門處，根據閘門的過流形式，設置2和4組合或者3和4組合的成對出現的斷面，成對斷面的間距設為特定值；

2-2對河段、汊點、斷面進行編號，建立汊點和各河段的對應關系；

2-3采用Preissmann四點偏心格式和有限差分法對控制方程組進行離散，河道水流運動的控制方程組為一維圣維南方程組：

連續方程：

運動方程：

式中，A為斷面過水面積；Q為斷面過水流量；x為沿程的距離；t為時間；q_l為源匯項；α₁為動能系數；H為斷面水深；i為河底坡降；為摩阻比降；n為糙率；R為水力半徑；g表示重力加速度；

2-4給定河流的斷面水深、流量初始條件，在河系的首尾斷面設置出流和入流邊界條件，假定汊點沒有調蓄能力并且沒有能量損失，在汊點處添加流量守恒和水位一致的條件；

2-5模擬不同的調度規律，對于受控斷面類型為2和4或者3和4組合的斷面在計算的處理，分為3種情況：

當有降雨發生時，確定開啟泵站的上限H1，受控斷面類型為2和4組合或者3和4組合的閘門開度為0；當圩內降雨產生徑流累積量大于H1時，開啟水泵裝置，利用泵站的排澇模數，分別添加源、匯項；

在沒有降雨發生時且圩內水位低于圩外水位時，開啟閘門，根據圩內的水位給定閘門開度，得到底孔式閘門的底孔高度和堰式閘門的堰頂高度，在受控斷面類型為2或者3添加流量-水位-特征參數曲線，類型為4的閘門為最大開度狀態；

在沒有降雨發生且圩內水位高于圩外水位時：如果圩內河道水位沒有超過河道的防汛水位H2時，關閉閘門，關閉水泵，受控斷面類型為2或者3的閘門開度為0，類型為4的閘門為最大開度狀態；如果圩內河道水位高于河道的防汛水位H2時，受控斷面類型為2和4組合或者3和4組合的閘門開度為0，開啟水泵裝置，利用泵站的排澇模數，分別添加源、匯項；

2-6利用t時刻各斷面的水位、流量初始值、上下游邊界條件，通過求解方程組求解各河段t+1時刻各斷面的水力要素值；

2-7判斷徑流累積量是否超過圩內的調蓄能力，以及圩內水位與圩外水位的相對大小，判斷圩內外連接處的閘門和泵站的調度狀態；

2-8將t+1時刻求解得到的水動力學變量作為下一個求解時段的初始值，不斷循環，直到求解結束。