一种梯级水库群连续溃决洪水模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种梯级水库群连续溃决洪水模拟方法，包括提取河网信息，采用圣维南方程和马斯京根方程对河道内洪水进行演进计算，沿地形方向进行河道外滞洪和行洪，对水库进行调洪演算，将溃坝出流全过程作为大坝下游河段入流洪水，返回步骤S2。本发明专利技术将溃坝过程、洪水演进与水库调蓄综合考虑，采用圣维南方程和马斯京根方程对河道内洪水进行演进计算，并采用概化溃坝过程线的方法，实现了针对梯级水库群连续溃坝的模拟计算，降低了测量成本，提高了计算效率。

A flood simulation method for cascaded reservoirs

【技术实现步骤摘要】
一种梯级水库群连续溃决洪水模拟方法
本专利技术属于溃坝模拟
，具体涉及一种梯级水库群连续溃决洪水模拟方法。
技术介绍
频发的地质灾害给社会带来了巨大损失，对于诸如溃坝洪水等自然或人为灾难的过程仿真与模拟，以其涉及地学、仿真计算、物理学、计算机图形学等多个学科领域，已成为目前研究的热点和难点。在地理信息系统领域，传统的仿真模拟是利用地学模型或者数学模型等经验公式模型来实现，即通过分析溃坝洪水演进过程的主要影响因子。在溃坝模拟方面，现有技术多考虑单库溃坝情形，并且仅考虑瞬间最大溃坝流量及最终淹没区域划定，对溃坝流量过程模拟及淹没区域动态变化无法计算；或采用复杂的三维数值模拟方法计算溃坝流量过程及下游洪水演进过程，需要较高精度的地形数据，测量成本高，且计算效率低。
技术实现思路
针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供了一种梯级水库群连续溃决洪水模拟方法，将溃坝过程、洪水演进与水库调蓄综合考虑，针对梯级水库群连续溃坝的模拟。为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：一种梯级水库群连续溃决洪水模拟方法，包括以下步骤：S1、采用地表径流漫流模型提取GIS环境下基于数字高程模型的河网信息；S2、采用圣维南方程和马斯京根方程对河道内洪水进行演进计算；S3、根据步骤S2洪水演进得到的各断面水位过程，比较水位与对应断面的河道边坡高程，并沿步骤S1提出的地形方向进行河道外滞洪和行洪；S4、当洪水演进到水库时，对水库进行调洪演算，直至洪水过程结束；S5、将溃坝出流全过程作为大坝下游河段入流洪水，返回步骤S2，进行下一梯级的洪水演进。进一步地，所述步骤S2中采用的圣维南方程具体为：其中，Q为坝址处的下泄流量，A为有效过水断面面积，A0为非河槽蓄水的断面面积，x为顺水流方向的距离，t为时间，q为沿河道单位距离的侧向入流或出流，g为重力加速度，Sf为摩阻比降，Se为局部损失，h为水面高程，k为收扩系数。进一步地，所述步骤S2中采用的马斯京根方程具体为：Q2＝C0I2+C1I1+C2Q1其中，Q1、Q2分别为计算时段始、末的河段出流量，C0、C1、C2分别为流量演算系数，I1、I2分别为计算时段始、末的河段入流量。进一步地，所述步骤S2采用圣维南方程和马斯京根方程对河道内洪水进行演进计算具体为：利用马斯京根方程将上游水库的溃坝出库流量过程演算到下游水库，再在假设下游水库不溃坝的前提下对下游水库进行调洪演算；当下游水库水位到达坝顶前，按照其泄流能力曲线计算出流过程；当下游水库水位到达和超过坝顶后，其泄流能力按照泄洪建筑物最大下泄能力加上坝顶堰流的方式计算，最终计算得到下游水库坝址处的水位过程线；将上游水库的溃坝出库流量过程作为圣维南方程的上游边界条件，将河段下游水库的坝址水位过程和河段下游水库坝址处的流量-水位关系作为圣维南方程的下游边界条件，利用圣维南方程进行洪水演进。进一步地，所述步骤S3根据步骤S2洪水演进得到的各断面水位过程，比较水位与对应断面的河道边坡高程，并沿步骤S1提出的地形方向进行河道外滞洪和行洪具体为：根据步骤S2洪水演进得到的各断面水位过程，比较水位与对应断面的河道边坡高程；当水位达到或超过河道边坡的高程时，超出部分水量进入边坡另一侧的谷地中，并沿步骤S1提出的地形方向行洪；将最终行洪方向流向流域外的这部分水量作为河道外滞洪，将最终行洪方向流回主河道的这部分水量作为河道外行洪。进一步地，所述步骤S4当洪水演进到水库时，对水库进行调洪演算，直至洪水过程结束具体包括以下分步骤：S41、根据水位库容曲线和泄洪建筑物类型、尺寸，计算和绘制水库的蓄泄曲线；S42、分析调洪开始时的起始条件，即起调水位和与之相应的库容、下泄流量；S43、从调洪开始，分别计算各时段末的q2,V2，直到调度期末，得到下泄流量过程，及水库坝址水位过程；S44、当水位达到坝顶时发生溃坝，计算最大溃坝流量，直至下泄流量等于入库流量时洪水过程结束。进一步地，所述计算各时段末的q2,V2具体为：设定下一时段水库泄流流量为q2，利用水量平衡方程计算下一时段的水库库容V2，表示为其中，q1为当前时段水库泄流流量，V1为当前时段的水库库容；利用步骤S41计算的水库的蓄泄曲线根据得到V2；判断q1和q2是否相等；若是，则得到q2；否则重新计算各时段末的q2,V2，直至两者相等为止。进一步地，所述计算最大溃坝流量具体为：其中，Qm为坝址断面溃坝最大流量，H0为溃坝时坝体上游水深，K0为系数，b为坝体溃决口门平均宽度。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术将溃坝过程、洪水演进与水库调蓄综合考虑，采用圣维南方程和马斯京根方程对河道内洪水进行演进计算，并采用概化溃坝过程线的方法，实现了针对梯级水库群连续溃坝的模拟计算，降低了测量成本，提高了计算效率。附图说明图1是本专利技术的梯级水库群连续溃决洪水模拟方法流程示意图；图2是本专利技术实施例中溃坝过程概化示意图；图3是本专利技术实施例中洪家渡水电站设计洪水过程线示意图；图4是本专利技术实施例中洪家渡水电站出流流量过程示意图；图5是本专利技术实施例中东风水电站出流流量过程示意图；图6是本专利技术实施例中索风营水电站出流流量过程示意图；图7是本专利技术实施例中乌江水电站出流流量过程示意图；图8是本专利技术实施例中构皮滩水电站出流流量过程示意图；图9是本专利技术实施例中思林水电站出流流量过程示意图；图10是本专利技术实施例中沙沱水电站出流流量过程示意。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。如图1所示，本专利技术实施例公开了一种梯级水库群连续溃决洪水模拟方法，包括以下步骤S1至S5：S1、采用地表径流漫流模型提取GIS环境下基于数字高程模型的河网信息；在本实施例中，本专利技术采用地表径流漫流模型提取GIS环境下基于数字高程模型的河网信息，即根据DEM栅格单元和八个相邻单元格之间的最大坡度来确定水流方向，计算每个单元格的上游汇水面积，然后确定一个汇水面积阈值，不低于该阈值的单元格标记为水系的组成部分。上述河网信息提取步骤的实现过程为：(1)无洼地DEM的生成无洼地DEM的生成是提取河网的初始步骤，在DEM数据形成过程中，由于地形表面特征、内插方法、采点设备等原因不可避免地会产生误差，是DEM产生凹陷地区，这些低高程的栅格数据会产生错误的水流方向数据，因此在计算水流方向以前，必须对洼地进行填充。(2)水流方向的确定水流方向分析是利用DEM进行河网提取的基础。在实验中采用单流向算法中的D8算法进行水流流向的计算。这种算法首先计算单元本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种梯级水库群连续溃决洪水模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、采用地表径流漫流模型提取GIS环境下基于数字高程模型的河网信息；/nS2、采用圣维南方程和马斯京根方程对河道内洪水进行演进计算；/nS3、根据步骤S2洪水演进得到的各断面水位过程，比较水位与对应断面的河道边坡高程，并沿步骤S1提出的地形方向进行河道外滞洪和行洪；/nS4、当洪水演进到水库时，对水库进行调洪演算，直至洪水过程结束；/nS5、将溃坝出流全过程作为大坝下游河段入流洪水，返回步骤S2，进行下一梯级的洪水演进。/n

【技术特征摘要】
1.一种梯级水库群连续溃决洪水模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用地表径流漫流模型提取GIS环境下基于数字高程模型的河网信息；
S2、采用圣维南方程和马斯京根方程对河道内洪水进行演进计算；
S3、根据步骤S2洪水演进得到的各断面水位过程，比较水位与对应断面的河道边坡高程，并沿步骤S1提出的地形方向进行河道外滞洪和行洪；
S4、当洪水演进到水库时，对水库进行调洪演算，直至洪水过程结束；
S5、将溃坝出流全过程作为大坝下游河段入流洪水，返回步骤S2，进行下一梯级的洪水演进。


2.如权利要求1所述的梯级水库群连续溃决洪水模拟方法，其特征在于，所述步骤S2中采用的圣维南方程具体为：



其中，Q为坝址处的下泄流量，A为有效过水断面面积，A0为非河槽蓄水的断面面积，x为顺水流方向的距离，t为时间，q为沿河道单位距离的侧向入流或出流，g为重力加速度，Sf为摩阻比降，Se为局部损失，h为水面高程，k为收扩系数。


3.如权利要求2所述的梯级水库群连续溃决洪水模拟方法，其特征在于，所述步骤S2中采用的马斯京根方程具体为：
Q2＝C0I2+C1I1+C2Q1
其中，Q1、Q2分别为计算时段始、末的河段出流量，C0、C1、C2分别为流量演算系数，I1、I2分别为计算时段始、末的河段入流量。


4.如权利要求3所述的梯级水库群连续溃决洪水模拟方法，其特征在于，所述步骤S2采用圣维南方程和马斯京根方程对河道内洪水进行演进计算具体为：
利用马斯京根方程将上游水库的溃坝出库流量过程演算到下游水库，再在假设下游水库不溃坝的前提下对下游水库进行调洪演算；当下游水库水位到达坝顶前，按照其泄流能力曲线计算出流过程；当下游水库水位到达和超过坝顶后，其泄流能力按照泄洪建筑物最大下泄能力加上坝顶堰流的方式计算，最终计算得到下游水库坝址处的水位过程线；将上游水库的溃坝出库流量过程作为圣维南方程的上游边界条件，将河段下游水库的坝址水位过程和河段下游水库坝址处的流量-水位关系作为圣维南方程的下游...

【专利技术属性】
技术研发人员：尚毅梓，尚领，李晓飞，林俊强，殷兆凯，冶运涛，龚家国，胡连兴，刘志武，王玉川，马鑫，樊启祥，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11