[發明專利]一種基于數字孿生的長河段灘槽演變預測方法及系統

有效

• 申請號: 202110872271.6
• 申請日: 2021-07-30
• 公開（公告）號: CN113536643B
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發明（設計）人: 楊云平;王建軍;郭陽;趙維陽;王晨陽;張宏千
• 申請（專利權）人: 交通運輸部天津水運工程科學研究所
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/28;E02B3/00;G06F113/08;G06F119/02;G06F119/14
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 杜陽陽

本發明涉及了一種基于數字孿生的長河段灘槽演變預測方法及系統。本發明將二維水沙數學模型和正態物理模型結合，利用二維水沙數學模型模擬整個長河段的演變情況，利用正態物理模型對局部橋區進行模擬，獲得高精度的局部橋區的計算結果，替換二維水沙數學模型模擬的該部分的結果，以克服二維水沙數學模型對局部橋區模擬的精度低的技術缺陷，提高橋區河段泥沙輸移規律的模擬精度。

技術領域

本發明涉及地質監測技術領域，特別是涉及一種基于數字孿生的長河段灘槽演變預測方法及系統。

背景技術

近幾十年來，人類活動的強烈干擾改變了河流自然輸沙過程、輸沙量和徑流的年內分配，灘槽原有的形態及及其演變趨勢必然發生自適應調整，長江中下游原有的河勢演變規律將被打破，部分河段深泓擺動頻繁，河勢演變更趨復雜，灘槽的沖淤特征與沖淤量、床面形態等發生改變。

隨著長江干線過江通道建設數量逐漸增多，近10年建設的橋梁主橋墩均涉水，并處于活動的邊心灘區域。隨著橋梁建成時間的增長，橋墩周圍形成局部沖刷坑，改變洲灘形態，而河道形態調整又會對水沙輸移特性產生影響，使得未守護的洲灘演變規律和航道條件變化趨勢更為復雜。

處于沖淤平衡或接近平衡的自然河流，受到了建筑物的約束和控制，改變了水流的方向或流速的大小，或限制了原有淺灘的變形，則原有的平衡狀態被破壞，將引起有限范圍內的局部沖刷。如閘墩附近，樞紐下游，丁壩壩頭以及堤防工程的根部，護灘帶周圍等，都是容易發生局部沖刷的地方。長河段二維水沙數學模型在系統治理和上下游洲灘聯動規律模擬方面具有優勢，但橋墩或整治建筑物周圍具有明顯的三維水流特性，二維模型不能真實反映橋墩周圍極限沖刷深度，由于橋墩周圍床面形態模擬與實際情況不一致，進而影響橋區河段泥沙輸移規律的模擬精度。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于數字孿生的長河段灘槽演變預測方法及系統，以提高橋區河段泥沙輸移規律的模擬精度。

為實現上述目的，本發明提供了如下方案：

本發明提供一種基于數字孿生的長河段灘槽演變預測方法，所述方法包括如下步驟：

構建長河段的二維水沙數學模型和長河段內的局部橋區的局部正態物理模型；

根據第i年的年初的水文數據，采用離散方法求解所述二維水沙數學模型，獲得第i年年末的水流運動數據和河床沖淤厚度數據，所述水流運動數據包括x方向流速、y方向流速、懸移質含沙量和水位；

基于所述第i年年末的水流運動數據，采用局部正態物理模型進行局部模擬實驗，獲得第i年的局部橋區的模擬形變量；

利用第i年的局部橋區的模擬形變量替換河床沖淤厚度數據中的局部橋區的河床沖淤厚度，得到第i年年末的替換后的河床沖淤厚度數據；

將第i年年末的水流運動數據和第i年年末的替換后的河床沖淤厚度數據，作為第i+1年年初的水文數據，令i的數值增加1，返回步驟“根據第i年的年初的水文數據，采用離散方法求解所述二維水沙數學模型，獲得第i年年末的水流運動數據和河床沖淤厚度數據”，直到到達預測年份。

可選的，所述離散方法包括有限體積法、有限差分法和/或有限元法。

可選的，所述二維水沙數學模型包括：

水流連續方程：

X方向和Y方向水流運動方程：

懸沙不平衡輸運方程：

推移質不平衡輸移方程：