[发明专利]复杂河网分流的数值模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及复杂河网流场数值模拟的技术领域，尤其是涉及具有多汊道的复杂河网流量分配的数值模拟。

背景技术

世界范围内许多大型河流，比如尼罗河、湄公河、密西西比河和珠江等河流进入下游河口区往往都会出现河道分汊现象，从而发育成形态复杂的河网。这些河网由众多的分汊河道和汊口组成，水流在某一支汊的运动，都对河网的整体有“牵一发而动全身”的影响。由于河网多位于河口地区，它不仅受到上游径流的作用，而且还受到外海潮汐的影响，使得河网中的动力作用十分复杂。

分汊河道的流量分配一直是河流动力学研究中的经典问题。它关系到泥沙、营养物及污染物等入海物质通量的分配，从而影响下游河道的生态系统和相关的航道、桥梁工程。而复杂河网中流量分配则涉及到更多的影响因素和更复杂的作用机制，十分值得探讨。

本发明拟针对具有复杂河网的珠江河口，建立整体的平面二维数值模型，模拟在径流和潮汐作用下，河网内的流量分配过程。区别以往的分流比系数，本发明引入分流不均匀系数用来衡量流量分配的不均匀性。并选取河网中多个主要河道的分汊口，计算一系列的流量不均匀系数，定量研究河网分流特征。克服了对复杂河网分流研究的难点，以期对河网中物质通量分配和河口区洪水、咸潮入侵等灾害研究提供参考。

发明内容

本发明提供的复杂河网分流的数值模拟方法，旨在建立一种在径流和潮汐共同作用下河网的平面二维数值模型，引入分流不均匀系数描述河网流量分配的不均匀性，克服现今对复杂河网分流研究的不足。

本发明是这样实现的，利用二维非恒定浅水方程组，搭建四边形网格与三角形网格混交的网格体系并用有限体积法进行离散，从而建立复杂河网的平面二维水流数学模型，模拟河网中实际的水流运动特征；利用实测资料率定模拟结果，确定模型的相关参数；随后引入分流不均匀系数衡量流量分配特征，计算河网中多个分汊节点的分流不均匀系数。

进一步地，所述二维非恒定浅水方程组为：

式中：η为水位；h为静水深；t为时间；x、y、z为右手笛卡尔坐标系；u、v为流速在x、y方向上的分量；P_a为当地气压；ρ为水密度，ρ₀为参考水密度；为科氏力；和为地球自转引起的加速度；S_xx、S_xy、S_yx、S_yy为辐射应力在各方向的分量；τ_sx、τ_sy、τ_bx、τ_by为水面与河床边界水流切应力；T_xx、T_xy、T_yx、T_yy为水平黏滞应力；S为源汇项；u_s、v_s为源汇项水流流速。

进一步地，所述四边形网格设置在河道中，所述三角形网格设置在河道相交处及河口外的海滨区。

进一步地，所述分流不均匀系数为ψ，其计算方程式为：

式中：ψ为分流不均匀系数；<Q>为潮周期平均流量，1、2下标分别代表两个支汊河道。

与现有技术相比，本发明提供的复杂河网分流的数值模拟方法，通过建立复杂河网的平面二维水流数学模型，模拟河网中实际的水流运动特征，并利用实测资料率定模拟结果，确定模型的相关参数，随后引入分流不均匀系数衡量流量分配特征，计算河网中多个分汊节点的分流不均匀系数，这样，不仅避免了一维模型在空间上的局限性和三维模型计算时间成本过大问题，而且克服了多维耦合模型在衔接中出现质量及动量局部不守恒现象的出现。

本发明具有的有益效果：

1、充分考虑复杂河网中各个汊道之间的相互影响，精确地计算复杂河网中多汊口的分流情况，从而研究河网中的分流特征。

2、适用于在径流和潮汐共同作用下的三角洲河网地区，引入分流不均匀系数有利于分离潮汐作用对分流的影响。

3、适用范围广，对不同地形和不同动力条件下的河网普遍适用。

附图说明

图1是本发明实施例提供的复杂河网分流的数值模拟方法的平面二维水流数学模型范围和河网区网格的示意图；

图2是本发明实施例提供的复杂河网分流的数值模拟方法的平面二维水流数学验证模型的水位站点位置图及汊口位置示意图；

图3是本发明实施例提供的复杂河网分流的数值模拟方法的部分站点的分潮振幅验证图。