一種河道平面二維水流模型糙率的率定方法與流程

本發(fā)明涉及河流動(dòng)力學(xué)研究技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種河道平面二維水流模型糙率的率定方法。

背景技術(shù)：

糙率是河道平面二維水流數(shù)學(xué)模型(以下簡稱“二維水流模型”)的重要參數(shù)，二維水流模型可用于計(jì)算天然河流的流速、水位和水深等要素，這些水力要素的取得，可為解決水利、生態(tài)和環(huán)境等問題提供水力條件。二維水流模型在計(jì)算機(jī)上的實(shí)現(xiàn)，被稱為“河道平面二維水流數(shù)學(xué)模型軟件”，其計(jì)算過程實(shí)質(zhì)是求解離散的平面二維淺水方程的過程，除了需要給定初始條件和邊界條件之外，還要給定相關(guān)參數(shù)，其中糙率是二維水流模型的一類重要參數(shù)，河道糙率不僅與床面粗糙程度有關(guān)，還與河流平面形態(tài)、泥沙成形堆積體以及水流特性有關(guān)，它是一個(gè)綜合水力摩阻系數(shù)，此參數(shù)直接決定著模型計(jì)算結(jié)果的合理性。

現(xiàn)有技術(shù)對于河道平面二維水流模型糙率的率定主要有三類方法：一是迭代試算法，二是經(jīng)驗(yàn)分配法，三是理論計(jì)算法。但上述三類方法存在著流程不清、條件苛刻和難于應(yīng)用等缺點(diǎn)，目前沒有一種經(jīng)驗(yàn)或理論公式可以直接算出平面二維床面的糙率分布，并且由于以往的迭代試算過程主要靠人工干預(yù)，無一定之規(guī)，主觀性強(qiáng)，即使使用相同的模型處理相同的河段，不同人員率定所得的糙率也是千差萬別。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種河道平面二維水流模型糙率的率定方法，該方法能減少迭代試算過程中的人為干擾，克服現(xiàn)有技術(shù)流程不清、條件苛刻、難于應(yīng)用等缺點(diǎn)。

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種河道平面二維水流模型糙率的率定方法，所述方法包括：

步驟1：按河道平面的特性劃定糙率分區(qū)，并以糙率初值函數(shù)為各分區(qū)內(nèi)的糙率賦初值；

步驟2：選定要率定糙率的當(dāng)前流量和與之相應(yīng)的河段出口水位，并將其作為河道平面二維水流數(shù)學(xué)模型的試算輸入條件；

步驟3：根據(jù)所述試算輸入條件，以河道平面二維水流數(shù)學(xué)模型開展水動(dòng)力計(jì)算，獲得各監(jiān)測點(diǎn)水位的模型計(jì)算值；

步驟4：確定各監(jiān)測點(diǎn)水位的模型計(jì)算值與實(shí)測值之間的誤差；

步驟5：判斷所述步驟4中各監(jiān)測點(diǎn)水位誤差是否足夠?。蝗羰?，則執(zhí)行步驟8；若否，則執(zhí)行步驟6；

步驟6：根據(jù)水深確定過水區(qū)域，以各監(jiān)測點(diǎn)水位誤差插值估算過水區(qū)域內(nèi)各網(wǎng)格點(diǎn)的水位誤差；

步驟7：根據(jù)過水區(qū)域內(nèi)各網(wǎng)格點(diǎn)的水位誤差的大小及符號(hào)，確定糙率的調(diào)整方向，以二分法調(diào)整過水區(qū)域網(wǎng)格點(diǎn)的糙率值，并返回步驟3進(jìn)行處理；

步驟8：進(jìn)一步判斷是否已率定完所有待率定流量；若是，則執(zhí)行步驟9；若否，則返回步驟2，進(jìn)行下一流量級(jí)的糙率率定；

步驟9：完成糙率率定，并保存糙率率定結(jié)果。

由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，上述方法能減少迭代試算過程中的人為干擾，克服現(xiàn)有技術(shù)流程不清、條件苛刻、難于應(yīng)用等缺點(diǎn)，保證河道平面二維水流模型糙率取值合理的同時(shí)，提高糙率的率定效率。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例所提供的河道平面二維水流模型糙率的率定方法流程示意圖；

圖2為本發(fā)明所舉實(shí)例中兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的水位示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步地詳細(xì)描述，如圖1所示為本發(fā)明實(shí)施例所提供的河道平面二維水流模型糙率的率定方法流程示意圖，所述方法包括：

步驟1：按河道平面的特性劃定糙率分區(qū)，并以糙率初值函數(shù)為各分區(qū)內(nèi)的糙率賦初值；

在該步驟中，所述按河道平面的特性劃定糙率分區(qū)是根據(jù)待處理河道平面的床沙組成、植被類型因素劃定糙率分區(qū)，然后再根據(jù)糙率初值函數(shù)為各分區(qū)內(nèi)的糙率賦初值。

對于天然河道，其河槽、島嶼、岸灘和心灘的床面特性往往千差萬別，因此要按床面特性劃分糙率分區(qū)，這里可參考河段衛(wèi)星圖片，若有現(xiàn)場查勘資料，可更準(zhǔn)確地進(jìn)行糙率分區(qū)。

在對研究河段進(jìn)行糙率分區(qū)后，可根據(jù)水力學(xué)已有成果，確定不同區(qū)域的初始糙率值n0的取值范圍，如下表1所示：

表1天然河道糙率n0值

在進(jìn)行了糙率分區(qū)之后，對于具有不同糙率取值區(qū)間的各個(gè)分區(qū)，以糙率初值函數(shù)為各分區(qū)內(nèi)的糙率賦初值的過程為：

所建立的糙率初值函數(shù)的具體形式為：

上式中，n0(x,y)是平面中點(diǎn)(x,y)處的初始糙率值；zx,y是點(diǎn)(x,y)處的床面高程，zmax和zmin分別是當(dāng)前糙率分區(qū)的最大床面高程值和最小床面高程值；nmax和nmin分別是當(dāng)前糙率分區(qū)的最大可取糙率值和最小可取糙率值。

上式的本質(zhì)是以床面高程為依據(jù)，對糙率分區(qū)內(nèi)的各坐標(biāo)點(diǎn)糙率進(jìn)行線性插值，并認(rèn)為在同一糙率分區(qū)內(nèi)，床面高程越低的部位，糙率取值越小，對于寬淺河流，已有研究對實(shí)測資料分析的結(jié)果表明，河道中部的糙率一般較小，由于這些部位的床面高程往往也較低，這也說明了上式假定床面高程較低的部分其糙率較小是合理的，以之進(jìn)行各糙率分區(qū)初始糙率估算是可行性的。

步驟2：選定要率定糙率的當(dāng)前流量和與之相應(yīng)的河段出口水位，并將其作為河道平面二維水流數(shù)學(xué)模型的試算輸入條件；

在該步驟中，通過選定一個(gè)典型流量，以之作為要率定糙率的當(dāng)前流量，并確定與此流量相應(yīng)的河段出口水位，這個(gè)當(dāng)前流量和水位均是已知的實(shí)測值，它們將被用作河道平面二維水流數(shù)學(xué)模型的試算輸入條件。

對于河段內(nèi)的同一過流區(qū)域，當(dāng)過流流量(水深)不同時(shí)，其表現(xiàn)出的糙率值也不相同，因此在河道平面二維水流數(shù)學(xué)模型的計(jì)算中，要考慮不同來水流量的糙率值。在選取了不同大小的典型流量作為分級(jí)流量后，本發(fā)明實(shí)施例分別對各流量級(jí)進(jìn)行糙率率定，這些與分級(jí)流量相應(yīng)的分級(jí)糙率，可用于插值計(jì)算其他流量的糙率值。

步驟3：根據(jù)所述試算輸入條件，以河道平面二維水流數(shù)學(xué)模型開展水動(dòng)力計(jì)算，獲得各監(jiān)測點(diǎn)水位的模型計(jì)算值；

步驟4：確定各監(jiān)測點(diǎn)水位的模型計(jì)算值與實(shí)測值之間的誤差；

在該步驟中，具體過程為：在獲得各監(jiān)測點(diǎn)水位的模型計(jì)算值之后，將其與各監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)測水位進(jìn)行比較，計(jì)算二者之間的誤差值。

步驟5：判斷所述步驟4中各監(jiān)測點(diǎn)水位誤差是否足夠小；若是，則執(zhí)行步驟8；若否，則執(zhí)行步驟6；

步驟6：根據(jù)水深確定過水區(qū)域，以各監(jiān)測點(diǎn)水位誤差插值估算過水區(qū)域內(nèi)各網(wǎng)格點(diǎn)的水位誤差；

在該步驟中，由于只有過水區(qū)域的糙率才對監(jiān)測點(diǎn)水位有影響，因此可以根據(jù)二維水流模型試算過程輸出的水深值，確定當(dāng)前流量條件下的過水區(qū)域，這樣便可精確確定河道平面上的糙率調(diào)整區(qū)域。

各網(wǎng)格點(diǎn)的水位誤差是糙率調(diào)整的依據(jù)，由于只有監(jiān)測點(diǎn)處才有水位的計(jì)算誤差值，過水區(qū)域內(nèi)其他非監(jiān)測點(diǎn)的水位誤差需要使用二維插值方法進(jìn)行插值估算，本發(fā)明實(shí)施例采用反距離權(quán)重法估算過水區(qū)域內(nèi)各網(wǎng)格點(diǎn)的水位誤差，具體計(jì)算公式為：

上式中，e0是過水區(qū)域中非監(jiān)測點(diǎn)的水位誤差估算值，ei是過水區(qū)域第i個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的水位誤差計(jì)算值，i為過水區(qū)域內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)總數(shù)；d0,i是當(dāng)前處理的非監(jiān)測點(diǎn)與第i個(gè)監(jiān)測點(diǎn)之間的距離；k是指數(shù)，其值應(yīng)保證e0的估算誤差取小值，實(shí)際應(yīng)用過程中，可取k為1。

步驟7：根據(jù)過水區(qū)域內(nèi)各網(wǎng)格點(diǎn)水位誤差的大小和符號(hào)，確定糙率調(diào)整的方向，以二分法調(diào)整過水區(qū)域網(wǎng)格點(diǎn)的糙率值，并返回步驟3進(jìn)行處理；

在該步驟中，在得到過水區(qū)域內(nèi)各網(wǎng)格點(diǎn)的水位誤差之后，可以用二分法糙率調(diào)整公式率定過水區(qū)域內(nèi)各個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的糙率值，二分法糙率調(diào)整公式如下：

上式中，nx,y表示當(dāng)前點(diǎn)(x,y)處的糙率值，其上標(biāo)中的k和k+1表示迭代次數(shù)；ni,min表示當(dāng)前點(diǎn)(x,y)所屬的第i個(gè)糙率分區(qū)的最小可取糙率值；ni,max表示當(dāng)前點(diǎn)(x,y)所屬的第i個(gè)糙率分區(qū)的最大可取糙率值；

當(dāng)水位計(jì)算值偏高時(shí)，點(diǎn)糙率調(diào)減；當(dāng)水位計(jì)算值偏低時(shí)，點(diǎn)糙率調(diào)增。

在調(diào)整完過水區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)糙率值后，重復(fù)上述步驟3-7，直至當(dāng)前流速條件下，各監(jiān)測點(diǎn)水位計(jì)算誤差滿足精度要求。

步驟8：進(jìn)一步判斷是否已率定完所有待率定流量；若是，則執(zhí)行步驟9；若否，則返回步驟2，進(jìn)行下一流量級(jí)的糙率率定；

步驟9：完成糙率率定，并保存糙率率定結(jié)果。

下面再以具體的實(shí)例對上述率定方法的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)說明：

首先建立一個(gè)彎曲分汊河段的平面二維水流數(shù)學(xué)模型，在此河段內(nèi)，存在著兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，然后計(jì)算河段內(nèi)的不同場景的水位及相應(yīng)流量，如下表2和3所示：

表2計(jì)算河段內(nèi)的設(shè)計(jì)洪水位

表3計(jì)算河段設(shè)計(jì)洪水流量

在計(jì)算條件完備后，以本發(fā)明實(shí)施例所述方法率定了表3各級(jí)流量的糙率。以率定良好的模型計(jì)算兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)各流量下的水位，如圖2所示為本發(fā)明所舉實(shí)例中兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的水位示意圖，由圖2可知：以本發(fā)明實(shí)施例所述方法率定糙率后，監(jiān)測點(diǎn)1和2的水位計(jì)算值與實(shí)測值基本一致，這說明本發(fā)明實(shí)施例所述河道平面二維水流模型糙率的率定方法是可行的。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例所述方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)該方法率定糙率的流程清晰、條件寬松、易于實(shí)施，對糙率的率定可通過機(jī)器實(shí)現(xiàn)，人為干擾少，大大降低了人工試算的主觀性；

(2)該方法依據(jù)床面特性對平面河道進(jìn)行了糙率分區(qū)，各區(qū)糙率均在水力學(xué)規(guī)定的糙率合理取值區(qū)間內(nèi)選取初值并率定，可全面保證率定所得糙率的合理性；

(3)在每輪試算后，以水深信息確定過水區(qū)域，可以精準(zhǔn)確定糙率的調(diào)整空間，并大大減小計(jì)算量，同時(shí)基于糙率與水位之間的單調(diào)關(guān)系，提出了二分法糙率調(diào)整公式，收斂速度更快。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。