[发明专利]一种河网中堰闸工程反向水流的数值模拟方法及系统

说明书

本发明提供一种河网中堰闸工程反向水流的数值模拟方法及系统，其中方法包括获取水流数据，还包括以下步骤：判断过堰闸的水流流态和过流类型。本发明提出的一种河网中堰闸工程反向水流的数值模拟方法及系统，在采用四点偏心隐格式差分方法求解预定义流向的河道或河网时，针对平原河网地区最为常见的宽顶堰和平板式闸门，提供了过堰闸反向水流的计算方法，针对过堰闸反向水流的闸门关闭（有闸门控制时）、自由出流、淹没出流时的三种水流流态，按照堰流公式或孔流公式，通过泰勒级数展开，采用一阶近似的方式，获取了反向水流时追赶方程的求解系数，实现了对堰闸水流的数值模拟。

技术领域

本发明涉及水力学模拟的技术领域，特别是一种河网中堰闸工程反向水流的数值模拟方法及系统。

背景技术

针对河网中存在堰闸(堰和闸)等工程时的水流模拟，在洪水分析模型中一般预先定义河道流向，如图3所示，默认水流方向为由上游流至下游。此时，针对堰闸工程，为模拟过堰闸水流，需要指定堰闸上水位、堰顶高程、堰闸下水位、闸门开启度等相关参数，如图4所示。理论上，当堰闸上水位高于堰闸下水位时，水流将由堰闸上游流向堰闸下游，即按照预定义的河道流向流动；同理，当堰闸上水位低于堰闸下水位时，水流将由堰闸下游流向堰闸上游，即按照预定义的河道流向的反方向流动。如果堰闸处建有闸门控制水流，需要根据闸门的开启度，判断过堰闸水流是否受闸门影响，而区分为按堰流公式计算和按闸孔公式计算两种类型，如果堰闸处无闸门，则按堰流公式计算。

在我国平原河网地区，过堰闸水流，尤其是过堰水流的双向流动非常普遍，此类区域受上游流域洪水、海潮的综合影响，河道或河网中的水流无固定流向，频繁出现正向和反向流动的往复情况，对河网中这种过堰闸水流的模拟非常必要。

在采用四点偏心隐格式差分方法求解圣维南方程组，计算河网洪水时，在堰闸位置，水流出现间断，圣维南方程组不再适应，因此，需要对追赶方程进行特殊处理。

在2013年第5期的应用基础与工程科学学报上刊登了冶运涛、黑鹏飞、梁犁丽等的文章《流域水量调控非恒定流数值计算模型》，对过堰闸的正向水流，采用了泰勒级数展开的方法，尝试推导了堰流和孔流的计算公式。

在2010年第3期的水动力学研究与进展杂志上刊登了姜恒志、汪守东的《具有堰的环状河网中追赶系数的新求法》采用了泰勒级数展开的方法提出了过堰正向水流的计算公式。

在2015年第5期的水动力学研究与进展杂志上刊登了刘芹、方国华、孙洪滨的《环状河网堰闸过流追赶系数计算方法研究》，提出了利用泰勒级数展开的方法计算过堰正向水流的公式，并与采用替代法的计算公式进行比较。

上述相关研究均针对过堰闸的正向水流展开，并且部分文献中对孔流过流并未涉及，另外，由于采用隐格式计算时，河网的上、下游需要预先确定，利用上述方法无法计算过堰闸的反向水流。

除隐格式计算河网洪水时，采用显格式也可求解圣维南方程组，过堰闸水流计算较为简单，但显格式求解河网洪水时，是条件稳定的，时间步长太大容易引起方程的不收敛，即时间步长受限制。而隐格式是无条件收敛的，因此，采用隐格式求解河网问题应用更为广泛。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明提出的一种河网中堰闸工程反向水流的数值模拟方法及系统，在采用四点偏心隐格式差分方法求解预定义流向的河道或河网时，针对平原河网地区最为常见的宽顶堰和平板式闸门，提供了过堰闸反向水流的计算方法，针对过堰闸反向水流的闸门关闭(有闸控制时)、自由出流、淹没出流时的三种水流流态，按照堰流公式或孔流公式，通过泰勒级数展开，采用一阶近似的方式，获取了反向水流时追赶方程的求解系数，实现了对过堰闸反向水流的模拟。

本发明的第一目的是提供一种河网中堰闸工程反向水流的数值模拟方法，包括获取水流数据，还包括以下步骤：

判断过堰闸的水流流态和过流类型。

优选的是，所述方法还包括判断堰闸类型，所述堰闸类型为内河道堰闸或外河道堰闸。