一种基于一维水动力模型的河道槽蓄量计算方法技术

一种基于一维水动力模型的河道槽蓄量计算方法，它包括以下步骤：步骤一：搭建一维水动力水质模型，计算得到目标河道的断面水位数据；步骤二：基于目标河道的断面地形数据与水位计算数据，计算目标河道过水断面面积；步骤三：将目标河道的断面水位数据、过水断面面积、地形数据输入槽蓄量模型，由槽蓄量模型获得槽蓄量。本发明专利技术针对在现有槽蓄量计算过程中，由于断面水位监测数据或测量数据的缺失，导致无法对目标河段进行建模计算的技术问题，而提供的一种基于一维水动力模型的河道槽蓄量计算通用计算方法。通用计算方法。通用计算方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于一维水动力模型的河道槽蓄量计算方法


[0001]本专利技术涉及河道测量
，具体涉及一种河道槽蓄量的计算方法，尤其涉及一种一维水动力模型的河道槽蓄量的计算方法。

技术介绍

[0002]在传统的河道槽蓄量模型计算过程中，需要完整的河段断面水位数据、地形数据作为模型的输入条件，地形数据包括河道断面的里程、断面点位高程、起点距。一般情况下、水文部门会在断面测量的过程中得到水位数据或者利用水尺、激光测量仪等监测设备进行水位测量，从而为槽蓄量计算提供完成的计算基础。常常采用的主要步骤如下：
[0003]1)断面面积计算，根据断面起点距、相应高程、水位，以直线插值法计算。
[0004]2)断面法河道槽蓄量计算，包括：梯形模型与截锥模型
[0005]在实际计算过程中，某些地区未进行河道断面的水下测量工作，只是通过DEM高程数据进行断面切割，不能获取其水位数据；同时，由于水位监测设备不能完全覆盖各河道断面，导致水位数据缺失，制约了目标河道槽蓄量的计算。
[0006]现有河道槽蓄量计算过程中，水位数据与断面地形数据是重要的基础数据，完成的基础数据才可进行目标河段的槽蓄量的计算。在实际工作中，由于断面水位监测数据或测量数据的缺失，导致计算无法完成。

技术实现思路

[0007]本专利技术针对在现有槽蓄量计算过程中，由于断面水位监测数据或测量数据的缺失，导致无法对目标河段进行建模计算的技术问题，而提供的一种基于一维水动力模型的河道槽蓄量计算方法。
[0008]一种基于一维水动力模型的河道槽蓄量计算方法，它包括以下步骤：
[0009]步骤一：搭建一维水动力水质模型，计算得到目标河道的断面水位数据；
[0010]步骤二：基于目标河道的断面地形数据与水位计算数据，计算目标河道过水断面面积；
[0011]步骤三：将目标河道的断面水位数据、过水断面面积、地形数据输入槽蓄量模型，由槽蓄量模型获得槽蓄量。
[0012]在步骤一中，搭建一维水动力水质模型的步骤如下：
[0013]步骤1：对河网进行概化；根据地形、地势、河流走向，将河网划分为若干个河段，河段数目记为n，并根据河网的拓扑结构对各河段进行编码，从而构建河网的拓扑关系；
[0014]步骤2：首先设置存储各河段断面数的数组；之后分别设置各河段的断面编码数组；分别设置各断面的起点距x、高程y、断面间距dx和河道曼宁系数n；
[0015]步骤3：设置各断面的初始水位与初始流量等模型初始条件；设置模型计算的时间步长dt和总计算时长T；
[0016]步骤4：设置模型的上边界输入与下边界输入，其中上边界可以为水位或者流量，
下边界可以为水位、流量或者水位流量关系；
[0017]步骤5：获得各断面任意时刻的水位、流量。
[0018]在步骤1中，根据河网的拓扑结构对各河段进行编码，即riverID[n]＝{"1","2","3",L,"n"}，从而构建河网的拓扑关系。
[0019]在步骤2中，设置存储各河段断面数的数组，即secNum[n]＝{N1,N2,L,N
n
}；分别设置各河段的断面编码数组，即sec1[N1]＝{"01
‑
1","02
‑
1",L,"N
‑
1"},sec2[N2]＝{"01
‑
2","02
‑
2",L,"N
‑
2"},sec3[N3]＝{"01
‑
3","02
‑
3",L,"N
‑
3"},
…
，secn[N
n
]＝{"01
‑
n","02
‑
n",L,"N
‑
n"}，其中，N
n
为第n个河段的断面数；N
‑
n为第n个河段的河道断面编码。
[0020]在步骤3中，设置各断面的初始水位(Z(01
‑
1),Z(02
‑
1),L,Z(N
‑
n))与初始流量(Q(01
‑
1),Q(02
‑
1),L,Q(N
‑
n))等模型初始条件；设置模型计算的时间步长dt和总计算时长T；
[0021]其中，Z(N
‑
n)和Q(N
‑
n)分别为断面编码为“N
‑
n”的初始水位和初始流量。
[0022]在步骤5中，在获得各断面任意时刻的水位、流量时，采用以下步骤：
[0023]S5
‑
1:t＝dt时，将断面的追赶系数PP[i][j],VV[i][j],SS[i][j],TT[i][j]设置为0；
[0024]S5
‑
2:按照riverID顺序进行河流的循环(最上游河流i＝0)，并按照断面编码的顺序进行河流i上断面的循环(河流i的首断面j＝0)，计算各断面的追赶系数；循环过程中，若j＝0，则继续判断该边界是否为内边界，当判断为内边界时，结合上游河流末断面的追赶系数求得该断面的追赶系数PP[i][j],VV[i][j],SS[i][j],TT[i][j]，当判断不为内边界时，由边界类型选择追赶方程的形式，并求各断面方程的追赶系数PP[i][j],VV[i][j],SS[i][j],TT[i][j]；若j≠0，则由边界类型选择追赶方程的形式，并求各断面方程的追赶系数PP[i][j],VV[i][j],SS[i][j],TT[i][j]；各断面依次迭代循环，j＝secNum[i]时，完成河流i的断面循环；各河流依次迭代循环，i＝n时，完成全部河流断面的循环。
[0025]S5
‑
3:按照riverID逆序进行河流的循环(最上游河流k＝0)，并按照断面编码逆序进行河流k上断面的循环(河流k的首断面h＝0)，计算各断面的水位Z和流量Q。循环过程中，若h＝secNum[k]‑
1，则继续判断该边界是否为内边界，当判断为内边界时，结合上游河流首断面的水位、流量结果来计算该断面的水位Z和流量Q，当判断不为内边界时，直接计算该断面的水位Z和流量Q；若h≠secNum[k]‑
1，则直接计算该断面的水位Z和流量Q；各断面依次迭代循环，h＝secNum[k]时，完成河流k的断面循环；各河流依次迭代循环，k＝n时，完成全部河流断面的循环，计算得到t＝1时刻所有断面的水位Z和流量Q；
[0026]S5
‑
4:以t＝1时刻各断面水位Z和流量Q的计算结果为初始条件，重复步骤S1、S2、S3，得到t＝2dt时刻所有断面的水位Z和流量Q；依次循环计算，得到任意计算时刻dt,2dt,3dt,L,T所有断面的水位Z和流量Q。
[0027]在步骤三中，在获得目标河道过水断面面积前，先获得过水断面面积计算所需的数据，包括以下步骤：<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于一维水动力模型的河道槽蓄量计算方法，其特征在于，它包括以下步骤：步骤一：搭建一维水动力水质模型，计算得到目标河道的断面水位数据；步骤二：基于目标河道的断面地形数据与水位计算数据，计算目标河道过水断面面积；步骤三：将目标河道的断面水位数据、过水断面面积、地形数据输入槽蓄量模型，由槽蓄量模型获得槽蓄量。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤一中，搭建一维水动力水质模型的步骤如下：步骤1：对河网进行概化；根据地形、地势、河流走向，将河网划分为若干个河段，河段数目记为n，并根据河网的拓扑结构对各河段进行编码，从而构建河网的拓扑关系；步骤2：首先设置存储各河段断面数的数组；之后分别设置各河段的断面编码数组；分别设置各断面的起点距x、高程y、断面间距dx和河道曼宁系数n；步骤3：设置各断面的初始水位与初始流量等模型初始条件；设置模型计算的时间步长dt和总计算时长T；步骤4：设置模型的上边界输入与下边界输入，其中上边界可以为水位或者流量，下边界可以为水位、流量或者水位流量关系；步骤5：获得各断面任意时刻的水位、流量。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤1中，根据河网的拓扑结构对各河段进行编码，即riverID[n]＝{"1","2","3",L,"n"}，从而构建河网的拓扑关系。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤2中，设置存储各河段断面数的数组，即secNum[n]＝{N1,N2,L,N
n
}；分别设置各河段的断面编码数组，即sec1[N1]＝{"01
‑
1","02
‑
1",L,"N
‑
1"},sec2[N2]＝{"01
‑
2","02
‑
2",L,"N
‑
2"},sec3[N3]＝{"01
‑
3","02
‑
3",L,"N
‑
3"},
…
，secn[N
n
]＝{"01
‑
n","02
‑
n",L,"N
‑
n"}；其中，N
n
为第n个河段的断面数；N
‑
n为第n个河段的河道断面编码。5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤3中，设置各断面的初始水位(Z(01
‑
1),Z(02
‑
1),L,Z(N
‑
n))与初始流量(Q(01
‑
1),Q(02
‑
1),L,Q(N
‑
n))等模型初始条件；设置模型计算的时间步长dt和总计算时长T；其中，Z(N
‑
n)和Q(N
‑
n)分别为断面编码为“N
‑
n”的初始水位和初始流量。6.根据权利要求2至5其中之一所述的方法，其特征在于，在步骤5中，在获得各断面任意时刻的水位、流量时，采用以下步骤：S5
‑
1:t＝dt时，将断面的追赶系数PP[i][j],VV[i][j],SS[i][j],TT[i][j]设置为0；S5
‑
2:按照riverID顺序进行河流的循环(最上游河流i＝0)，并按照断面编码的顺序进行河流i上断面的循环(河流i的首断面j＝0)，计算各断面的追赶系数；循环过程中，若j＝0，则继续判断该边界是否为内边界，当判断为内边界时，结合上游河流末断面的追赶系数求得该断面的追赶系数PP[i][j],VV[i][j],SS[i][j],TT[i][j]，当判断不为内边界时，由边界类型选择追赶方程的形式，并求各断面方程的追赶系数PP[i][j],VV[i][j],SS[i][j],TT[i][j]；若j≠0，则由边界类型选择追赶方程的形式，并求各断面方程的追赶系数PP[i][j],VV[i][j],SS[i][j],TT[i][j]；各断面依次迭代循环，j＝secNum[i]时，完成河流i的断面循环；各河流依次迭代循环，i＝n时，完成全部河流断面的循环；
S5
‑
3:按照riverID逆序进行河流的循环(最上游河流k＝0)，并按照断面编码逆序进行河流k上断面的循环(河流k的首断面h＝0)，计算各断面的水位Z和流量Q；循环过程中，若h＝secNum[k]
‑
1，则继续判断该边界是否为内边界，当判断为内边界时，结合上游河流首断面的水位、流量结果来计算该断面的水位Z和流量Q，当判断不为内边界时，直接计算该断面的水位Z和流量Q；若h≠secNum[k]
‑
1，则直接计算该断面的水位Z和流量Q；各断面依次迭代循环，h＝secNum[k]时，完成河流k的断面循环；各河流依次迭代循环，k＝n时，完成全部河流断面的循环，计算得到t＝1时刻所有断面的水位Z和流量Q；S5
‑
4:以t＝1时刻各断面水位Z和流量Q的计算结果为初始条件，重复步骤S1、S2、S3，得到t＝2dt时刻所有断面的水位Z和流量Q；依次循环计算，得到任意计算时刻dt,2dt,3dt,L,T所有断面的水位Z和流量Q。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤三中，在获得目标河道过水断面面积前，先获得过水断面面积计算所需的数据，包括以下步骤：步骤1：计算断面两相邻(第i和i+1)采样点间水位下的过水面积Ai.1)当两相邻采样点高程大于或等于水位时，其过水面积Ai为0；2)当两相邻采样点高程低于或等于水位时，其过水面积按下式计算：d
i
＝l
i+1
‑
l
i
其中，l
i
为第i采样点起点距；z为计算水位；Z
i
为第i个采样点高程；d
i
为第i和第i+1个采样点间的过水面宽；3)当两相邻采样点高...

【专利技术属性】
技术研发人员：周曼，任实，吕超楠，张金华，时玉龙，薛野，纪国良，王强，肖扬帆，
申请(专利权)人：南瑞集团有限公司，
类型：发明
国别省市：