[发明专利]自由表面流的水位和流量推求方法

说明书

本发明提供了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，依次根据边界条件和已知时刻值推求下一时刻值，直至满足计算需要；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。本发明为工程规划、设计以及洪水分析与管理提供可靠的技术支撑。

技术领域

本发明涉及计算流体力学技术领域，具体涉及一种自由表面流的水位和流量推求方法。

背景技术

自由表面流过程广泛存在于自然界之中，与工程实际问题联系紧密，如河(渠、港)道的水面线和流量的推求是河道设计的重要依据；河道洪水演进过程预测预报可为防灾减灾方案的制定提供技术支撑；准确地预报溃坝洪水过程可有效降低受灾区的生命和财产损失。

在工程规划和设计中，大多根据行业设计规范中的经验公式计算河道断面流量与水位；这些经验公式形式简单，应用方便，但均基于恒定均匀流假定(单一坡度、河床糙率相同、棱形断面型式)，且无法反应断面下游壅水情况对水位和流量的影响，与实际河道中的水流运动规律差异较大(天然河道水流为非恒定、非均匀流)。因此，现有规范建议的方法无法准确、完整地反映天然(或设计)河道的水流过程，其计算的水位和流量不确定性较大。

更准确的方法为，应用一维水动力数学模型进行推求水位和流量过程，设计断面的水位和流量作为一系列过程的部分成果。目前工程实际应用中，已发展了较多的一维水动力学数学模型计算软件，其中应用最为广泛的是Mike11计算软件。该软件以及目前一维水动力学数学模型中广泛采用的核心算法为有限差分方法(隐式求解)，只能模拟地形变化较缓的渐变流动过程；当用于模拟地形变化较剧烈的山区河流时，常常会产生数值震荡，甚至模型失稳。再者，在工程前期研究中，往往需要从整体上掌握河道水流特点，可能还未掌握较全的地形测量资料，已有的实测断面间距较大，实际建模困难，难以快速开展水力计算，无法满足时间节点要求。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种自由表面流的水位和流量推求方法，能够准确计算复杂地形条件下的水位和流量时空分布，提升一维水流模型的稳定性与可靠性，为工程规划、设计以及洪水分析与管理提供可靠的技术支撑。

本发明提供了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，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。

上述技术方案中，所述步骤a包括以下步骤：建立实测断面上不同水位下与水面宽度、过水断面面积、断面湿周、水力半径之间的线性关系。

上述技术方案中，所述步骤a还包括以下步骤：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；根据实测断面里程、计算断面里程和实测断面上水位与水面宽度、过水断面面积、断面湿周、水力半径之间的线性关系，经插值计算得到计算断面上的水位与水面宽度、过水断面面积、断面湿周、水力半径之间的线性关系。

上述技术方案中，分别将起始桩号处的实测断面和末端桩号处的实测断面作为计算断面的起始断面和末断面，按照设定的计算断面间距计算其余拟定计算断面的里程。