[发明专利]一种基于排水管道病害与内涝偶联关系的耦合方法

说明书

本发明公开了一种基于排水管道病害与内涝偶联关系的耦合方法，所述方法包括：构建管道功能性病害的三维瞬态水力模型；根据所述三维瞬态水力模型来获取起动剪切应力、推移质移动距离以及过流能力；结合所述起动剪切应力、推移质移动距离、过流能力以及实验率定的过流特性以及紊动流场结构参数来构建一二维耦合连接模型；将暴雨雨量输入所述一二维耦合连接模型，所述一二维耦合连接模型输出地表淹没状况。采用本发明，可以准确拟合排水管道功能性病害对管道过流特性的影响并且地表地下产汇流量化准确。

技术领域

本发明涉及水文领域，特别是涉及一种基于排水管道病害与内涝偶联关系的耦合方法。

背景技术

在城市地表地下水流一二维耦合方法的研究方面，部分学者从地表产流、地表汇流、地下汇流和地表地下一二维耦合的角度给出了产汇流的计算方法，但忽略了管道功能性病害、水流、上层空气的多相流互馈关系和重力场、应力场、流场等多场耦合对管道过流特性的影响。“固-液-气”多相流和多场耦合改变了管道汇流瞬时状态及地表地下水流一二维模型的参数取值，降低了一二维耦合模型数值模拟的准确性。综上所述，现有城市地表地下一二维水文水动力学耦合方法具有如下缺点：

(1)未考虑多相流和多场耦合下排水管网功能性病害与城市内涝之间的水文水动力学耦合关系；

(2)未解决“固-液-气”多相流和多场耦合下一二维耦合参数的率定问题。

因此，本发明的发明人提供了一种基于排水管道病害与内涝偶联关系的耦合方法来解决上述问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种基于排水管道病害与内涝偶联关系的耦合方法，可以准确拟合排水管道功能性病害对管道过流特性的影响并且地表地下产汇流量化准确。

基于此，本发明提供了一种基于排水管道病害与内涝偶联关系的耦合方法，所述方法包括：

构建管道功能性病害的三维瞬态水力模型；

根据所述三维瞬态水力模型来获取起动剪切应力、推移质移动距离以及过流能力；

结合所述起动剪切应力、推移质移动距离、过流能力以及实验率定的过流特性以及紊动流场结构参数来构建一二维耦合连接模型；

将暴雨雨量输入所述一二维耦合连接模型，所述一二维耦合连接模型输出地表淹没状况。

其中，根据所述三维瞬态水力模型来获取起动剪切应力、推移质移动距离以及过流能力包括：

求解所述三维瞬态水力模型中冲刷闸、功能性病害管段和落底井耦合作用下的管壁冲刷边界条件、紊动能产生项及扩散项，引入滑动极限稳定条件推导管道功能性病害在冲击波、紊流、水流叠加影响下的剪切应力和阻力理论结构式，采用时均运动方程、脉动运动方程以及质量或动量矩守恒方程，对比判定管道水流剪切应力是否大于起动剪切应力，进而分析计算推移质移动距离和过流能力。

其中，所述求解所述三维瞬态水力模型中冲刷闸、功能性病害管段和落底井耦合作用下的管壁冲刷边界条件、紊动能产生项及扩散项包括：

依据流体力学中水体参考单元的动量守恒原理，构建管道中水流的Reynolds时均方程；

结合水力学约束条件和Reynolds时均方程，求解得到紊动能产生项和扩散项；

利用管道淤积质的临界起动条件为沿水流方向的作用力与阻力相等的条件约束，得到管壁冲刷边界条件。

其中，所述引入滑动极限稳定条件推导管道功能性病害在冲击波、紊流、水流叠加影响下的剪切应力和阻力理论结构式包括：

管道水流剪切应力和阻力分别可表示为：