[发明专利]一种基于数字孪生的长河段滩槽演变预测方法及系统

说明书

本发明涉及了一种基于数字孪生的长河段滩槽演变预测方法及系统。本发明将二维水沙数学模型和正态物理模型结合，利用二维水沙数学模型模拟整个长河段的演变情况，利用正态物理模型对局部桥区进行模拟，获得高精度的局部桥区的计算结果，替换二维水沙数学模型模拟的该部分的结果，以克服二维水沙数学模型对局部桥区模拟的精度低的技术缺陷，提高桥区河段泥沙输移规律的模拟精度。

技术领域

本发明涉及地质监测技术领域，特别是涉及一种基于数字孪生的长河段滩槽演变预测方法及系统。

背景技术

近几十年来，人类活动的强烈干扰改变了河流自然输沙过程、输沙量和径流的年内分配，滩槽原有的形态及及其演变趋势必然发生自适应调整，长江中下游原有的河势演变规律将被打破，部分河段深泓摆动频繁，河势演变更趋复杂，滩槽的冲淤特征与冲淤量、床面形态等发生改变。

随着长江干线过江通道建设数量逐渐增多，近10年建设的桥梁主桥墩均涉水，并处于活动的边心滩区域。随着桥梁建成时间的增长，桥墩周围形成局部冲刷坑，改变洲滩形态，而河道形态调整又会对水沙输移特性产生影响，使得未守护的洲滩演变规律和航道条件变化趋势更为复杂。

处于冲淤平衡或接近平衡的自然河流，受到了建筑物的约束和控制，改变了水流的方向或流速的大小，或限制了原有浅滩的变形，则原有的平衡状态被破坏，将引起有限范围内的局部冲刷。如闸墩附近，枢纽下游，丁坝坝头以及堤防工程的根部，护滩带周围等，都是容易发生局部冲刷的地方。长河段二维水沙数学模型在系统治理和上下游洲滩联动规律模拟方面具有优势，但桥墩或整治建筑物周围具有明显的三维水流特性，二维模型不能真实反映桥墩周围极限冲刷深度，由于桥墩周围床面形态模拟与实际情况不一致，进而影响桥区河段泥沙输移规律的模拟精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于数字孪生的长河段滩槽演变预测方法及系统，以提高桥区河段泥沙输移规律的模拟精度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种基于数字孪生的长河段滩槽演变预测方法，所述方法包括如下步骤：

构建长河段的二维水沙数学模型和长河段内的局部桥区的局部正态物理模型；

根据第i年的年初的水文数据，采用离散方法求解所述二维水沙数学模型，获得第i年年末的水流运动数据和河床冲淤厚度数据，所述水流运动数据包括x方向流速、y方向流速、悬移质含沙量和水位；

基于所述第i年年末的水流运动数据，采用局部正态物理模型进行局部模拟实验，获得第i年的局部桥区的模拟形变量；

利用第i年的局部桥区的模拟形变量替换河床冲淤厚度数据中的局部桥区的河床冲淤厚度，得到第i年年末的替换后的河床冲淤厚度数据；

将第i年年末的水流运动数据和第i年年末的替换后的河床冲淤厚度数据，作为第i+1年年初的水文数据，令i的数值增加1，返回步骤“根据第i年的年初的水文数据，采用离散方法求解所述二维水沙数学模型，获得第i年年末的水流运动数据和河床冲淤厚度数据”，直到到达预测年份。

可选的，所述离散方法包括有限体积法、有限差分法和/或有限元法。

可选的，所述二维水沙数学模型包括：

水流连续方程：

X方向和Y方向水流运动方程：

悬沙不平衡输运方程：

推移质不平衡输移方程：