[发明专利]自由表面流的水位和流量推求方法

权利要求书

1.一种自由表面流的水位和流量推求方法，其特征在于包括以下步骤：a.将河道断面信息进行数据化处理，建立每个计算断面上水位、断面面积、断面湿周、水力半径的线性关系；对模型参数、初始条件和边界条件进行数据化处理；b.将上述线性关系以及模型参数、初始条件和边界条件的数据代入一维水动力基本控制方程并进行数值求解，应用基于波结构分区的HLL近似黎曼算子计算界面通量，采用一维非恒定流Saint-Venant方程组的积分离散形式计算自由表面流的水位和流量；依次根据边界条件和已知时刻值推求下一时刻值，直至计算结束；c.输出不同时刻的断面流量、断面水位以及不同断面的水位过程和流量过程；

步骤a中，求取每个实测断面上不同水位下的断面面积、水面宽度、断面湿周、水力半径，建立水位与其余4个水力要素之间的对应关系；对于某一个实测断面，根据历年水位变化情况或历史洪灾调查成果，或参照实际最高岸高程，确定一个最高水位，将河床最低高程作为最低水位；由最低水位至最高水位间设置若干个水位节点，对应于每一水位，求取实测断面上每个水位下的水面宽度、过水断面面积、断面湿周、水力半径，建立实测断面上水位与各水力要素之间的关系；

分别将起始桩号处的实测断面和末端实测断面作为计算断面的起始断面和末断面，按照设计好的计算断面间距计算其余拟定计算断面的里程；

当实测断面较稀少，其间距较大，或各断面间距值相差较大时，根据实测断面重新设置计算断面；根据实际观测断面里程、计算断面里程和实测断面上水位与各水力要素之间的线性关系，搜索到与其最近的前后两处实测断面，按照距离加权计算得到计算断面上的水位与各水力要素之间的关系。

2.根据权利要求1所述的自由表面流的水位和流量推求方法，其特征在于步骤b中的一维水动力基本控制方程采用公式(1)(2)所示的一维非恒定流Saint-Venant方程组：

其中，B＝水面宽度，其单位为m；Z＝水位，其单位为m；Q＝流量，其单位为m³/s；A＝过水断面面积，其单位为m²；R＝水力半径，其单位为m，实际计算中R＝A/χ，χ为断面湿周；U＝原始变量向量；F＝界面通量；x＝河道里程，其单位为m；t＝时间，其单位为s；g＝重力加速度，一般取9.8，其单位为m²/s；n＝糙率系数；q＝单位长度旁侧入流量；

对公式(1)进行积分和离散，根据公式(5)采用HLL近似黎曼算子F^HLL计算通量F_i+1/2：

式中F_L、F_R为单元界面左、右侧数值通量；S_L、S_R为左、右侧波波速。

3.根据权利要求2所述的自由表面流的水位和流量推求方法，其特征在于步骤c中将输出成果的时间间隔和拟输出的断面位置代入公式(5)，以输出不同时刻的断面水位、不同时刻的断面流量，以及不同断面的水位过程和流量过程。