[發明專利]一種基于水動力學模擬的灌區渠網輸配水優化調控方法

在審

• 申請號: 202310369907.4
• 申請日: 2023-04-07
• 公開（公告）號: CN116415526A
• 公開（公告）日: 2023-07-11
• 發明（設計）人: 吳彩麗;白美健;張寶忠;章少輝;史源;侯文濤
• 申請（專利權）人: 中國水利水電科學研究院
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F113/08;G06F111/10;G06F119/14
• 代理公司: 北京正華智誠專利代理事務所(普通合伙) 11870
• 代理人: 李林合

1.一種基于水動力學模擬的灌區渠網輸配水優化調控方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

S1：構建渠網水動力學模擬模型；

S2：基于渠網水動力學模擬模型，采用結合矢通量分裂格式和雙時間步法的有限體積法，求解圣維南方程組；

S3：基于求解的圣維南方程組，構建灌區渠網輸配水優化調控模型；

S4：采用遺傳算法求解灌區渠網輸配水優化調控模型；

S5：針對某一灌區，按照上述步驟計算生育期內每一次灌水的優化調控方案，完成灌區渠網輸配水的優化調控。

2.根據權利要求1所述的基于水動力學模擬的灌區渠網輸配水優化調控方法，其特征在于，所述S1中采用渠道一維圣維南方程組和渠道連接節點的質量與動量守恒方程，包括以下公式：

基于斷面流速平均假設，利用圣維南方程組描述渠道水流運動過程，取水位ζ和流量Q為因變量的向量形式的一維圣維南方程組描述渠道水流運動過程，公式如下所示：

其中，U為因變量向量，F為對流通量項，t為時間坐標，x為空間坐標，S_ζ為水力坡度項，S_f為摩阻項，S_in為入滲項，S_p為分水項，為求偏導；

上式的向量表達形式如下所示：

其中，A為渠段的過流斷面面積，Ω為分水口的自由水面面積，h為水深，u為流速，I為地表水入滲系數，g為重力加速度，n為曼寧糙率系數，R為水力半徑，i為渠段，N為渠段數，為符號函數，Q_i為從渠段i的分水汊點流出/入的流量；

渠道連接節點水流的質量守恒方程向量形式為

A_mδζ＝R

其中，A_m為質量守恒方程的系數矩陣，R為所有節點的質量守恒殘差，δ為水流系數；

渠道連接節點水流的動量守恒方程向量形式為

A_Mu＝B

其中，A_M為動量守恒方程的系數矩陣，B為渠段的自由水面寬度；

對渠道設置初始條件為

ζ＝HI+z_b

其中，HI為最小水深假設，z_b為地表相對高程；

對渠道設置邊界條件：上游邊界條件為灌區水源的引水流量，引水停止后，相關節點流量設置為0，下游邊界在非排水期為封閉狀態，排水期設置為自由出流條件，根據渠道內水深插值獲得渠尾水位，強排處設置為相應的強排流量。

3.根據權利要求2所述的基于水動力學模擬的灌區渠網輸配水優化調控方法，其特征在于，所述S2中包括以下公式：

空間離散過程中，方程積分形式如下

其中，i為單元格編號；

對水位的變量在任意單元格邊界上進行二階重構，防止數值震蕩，采用min?mod限制器計算Δζi和Δζi+1；

基于高斯散度定理，對流通量項的空間離散形式如下

采用AUSM格式計算流速分量中的弗勞德數

其中，和為單元格邊界處的弗勞德數的分裂函數；

最終得到離散格式如下

其中，α_i、β_i、γ_i和η_i為方程經過空間重構和AUSM格式離散后得到的系數，U_i-1為單元格邊界i-1上的因變量向量，U_i為單元格處的因變量向量，U_i+1為單元格邊界i+1上的因變量向量；

S_ζ采用中心差分方法計算，S_f＝-f_iU_i，S_in＝-I_iU_i，S_p利用單元格中心值計算，其中，f_i和I_i為離散過程中產生的系數矩陣。