一种一维河道水工构筑物过流模拟方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种一维河道水工构筑物过流模拟方法及系统，方法包括：S1、根据河道中的水工构筑物的位置确定河道断面位置，并获取该河道的控制单元；S2、根据一维河网数学模型的初始化信息、河道外边界的水位历时曲线、流量历时曲线，获取河道各控制单元一般界面的初始数值通量；S3、根据初始水工构筑物过流方式、一维河网数学模型的初始化信息和初始水工构筑物界面过水面积，获取河道各控制单元的构筑物界面的初始数值通量；S4、根据河道外边界的水位历时曲线、流量历时曲线和/或用户添加的源项、河道各控制单元一般界面的初始数值通量、河道各控制单元的构筑物界面的初始数值通量，获取预先设定的目标时刻的各控制单元中心的流体变量值。变量值。变量值。

【技术实现步骤摘要】
一种一维河道水工构筑物过流模拟方法及系统


[0001]本专利技术涉及河道水流运动状态进行模拟
，尤其涉及一种一维河道水工构筑物过流模拟方法及系统。

技术介绍

[0002]自十九世纪七十年代描述河道一维非恒定水流运动的基本方程（Saint
‑
Venant方程）被提出以来，众多专家学者采用不同的数值计算格式对该方程进行求解，以便研究河道断面流量（或流速）、水位的变化规律。有限差分格式起源于二十世纪四、五十年代，经过专家学者的不断改进优化，现已成为一维河道洪水演进模拟的主流数值格式（如常见的Preissmann格式）。这类格式在处理构筑物时常常需要在构筑物前后增加虚拟断面，且需要对河网所有断面构建大型稀疏矩阵，求解难度较大、计算耗时。此外，有限差分格式对复杂地形上的水流流态模拟效果不佳，尤其是出现激波或发生流态转变情况时，模拟过程极易发散。
[0003]基于求解Riemann问题的Godunov格式有限体积法是近些年发展起来的一种用于模拟洪水演进的数值格式，其对于激波现象的捕捉和复杂地形上水流流态的模拟能力均取得了令人满意的结果。
[0004]目前，基于有限体积法的水工构筑物过流模拟技术还较少，如何在新的Godunov格式下进行构筑物的过流模拟是一大难点。

技术实现思路

[0005]（一）要解决的技术问题鉴于现有技术的上述缺点、不足，本专利技术提供一种一维河道水工构筑物过流模拟方法及系统。
[0006]（二）技术方案为了达到上述目的，本专利技术采用的主要技术方案包括：第一方面，本专利技术实施例提供一种一维河道水工构筑物过流模拟方法，包括：S1、根据河道中的水工构筑物的位置确定河道断面位置，并采用中心格式有限体积法对河道进行离散化，获取该河道所对应的多个的控制单元；其中，每一控制单元均对应一般界面和/或构筑物界面；S2、根据预先设定的一维河网数学模型的初始化信息、预先设定的河道外边界的水位历时曲线、流量历时曲线，获取河道各控制单元一般界面的初始数值通量；S3、根据预先确定的初始水工构筑物过流方式、预先设定的一维河网数学模型的初始化信息和预先确定的初始水工构筑物界面过水面积，获取河道各控制单元的构筑物界面的初始数值通量；所述一维河网数学模型初始化信息包括：用户对河道各断面赋值的初始水位、初始流量以及用户对河道的边界赋值的外边界值；
所述初始水工构筑物过流方式和初始水工构筑物界面过水面积与所述预先设定的一维河网数学模型的初始化信息中的水位对应；S4、根据预先设定的河道外边界的水位历时曲线、流量历时曲线、和/或用户添加的源项、河道各控制单元一般界面的初始数值通量、河道各控制单元的构筑物界面的初始数值通量，获取预先设定的目标时刻的各控制单元中心的流体变量值。
[0007]优选地，S1中根据河道中的水工构筑物的位置确定河道断面位置，具体包括：在河道中的水工构筑物的上下游分别选取河道断面，并使该水工构筑物上下游分别对应的河道断面之间的距离为所述水工构筑物垂直水流方向宽度的一至两倍；其中，所述控制单元的中心处布置相应的河道断面以及定义该河道断面位置处的流体变量。
[0008]优选地，所述S2具体包括：根据所述一维河网数学模型初始化信息，采用基于HLL近似Riemann解的有限体积法计算获取河道内部的各控制单元的一般界面的初始数值通量；根据预先设定的河道外边界的水位历时曲线、流量历时曲线，采用基于HLL近似Riemann解的有限体积法计算获取河道两端边缘的控制单元的一般界面的初始数值通量。
[0009]优选地，所述构筑物界面的初始数值通量包括：构筑物界面的初始质量通量、构筑物界面的初始动量通量。
[0010]优选地，所述S3具体包括：S31、根据预先确定的初始水工构筑物过流方式和所述一维河网数学模型初始化信息，利用与所述初始水工构筑物过流方式对应的水工构筑物过流公式计算得到河道中所述水工构筑物的初始过流量，并将该水工构筑物的初始过流量作为构筑物界面的初始质量通量；S32、根据初始水工构筑物界面过水面积，利用公式（A）计算得到构筑物界面的初始动量通量；所述公式（A）为：；为得到河道中所述水工构筑物的初始过流量；为初始水工构筑物界面过水面积；W1为构筑物界面的初始动量通量。
[0011]优选地，若所述预先确定的初始水工构筑物过流方式为自由出流方式，则与所述自由出流方式方式对应的水工构筑物过流公式为公式（1
‑
1）；所述公式（1
‑
1）为：；其中，为侧收缩系数； 为第一淹没系数；为第一流量系数；
n为水工构筑物孔数；b为水工构筑物单孔净宽；g为重力加速度；为水工构筑物全水头；若所述预先确定的初始水工构筑物过流方式为淹没方式，则与所述水工构筑物过流方式对应的水工构筑物过流公式为公式（1
‑
2）；所述公式（1
‑
2）为：；为第二淹没系数；为第二流量系数；若所述预先确定的初始水工构筑物过流方式为孔流方式，则与所述水工构筑物过流方式对应的水工构筑物过流公式为公式（1
‑
3）；所述公式（1
‑
3）为：；为第三淹没系数；为第三流量系数；若所述预先确定的初始水工构筑物过流方式为无孔流方式，则与所述水工构筑物过流方式对应的水工构筑物过流公式为公式（1
‑
4）；所述公式（1
‑
4）为：；为第四淹没系数；为第四流量系数。
[0012]优选地，所述S4具体包括：S41、根据预先设定的一维河网数学模型的初始化信息，对预先设定的一维河网数学模型进行初始化获取初始化后的一维河网数学模型；S42、若所述目标时刻为当前时刻之后的时刻，则根据预先设定的河道外边界的水位历时曲线、流量历时曲线和/或用户添加的源项、河道各控制单元一般界面的初始数值通量、河道各控制单元的构筑物界面的初始数值通量，采用所述初始化后的一维河网数学模型，计算得到目标时刻各控制单元中心的流体变量值。
[0013]优选地，所述S42具体包括：S421、采用CFL条件确定所述一维河网数学模型的时间步长；S422、根据河道各控制单元一般界面的当前的数值通量、河道各控制单元的构筑物界面的当前的数值通量，采用一维水动力模型，得到河道在经过一次时间步长后所对应的流体变量；所述河道各控制单元一般界面的当前的数值通量为河道各控制单元一般界面的初始数值通量或者为河道各控制单元一般界面的新的数值通量；河道各控制单元的构筑物界面的当前的数值通量为道各控制单元的构筑物界面的初始数值通量或者为道各控制单元的构筑物界面的新的数值通量；
S423、判断是否到达目标时刻，若达到，则将已得到的各控制单元的流体变量作为目标时刻各控制单元中心的流体变量值；若没有达到目标时刻，根据河道外边界的水位历时曲线、流量历时曲线和/或用户添加的源项，获取河道在经过一次时间步长后所对应的外边条件；所述河道在经过一次时间步长后所对应的外边条件包括：河道在经过一次时间步长后所对应的水位以及流量；S424、根据河道经过一次时间步长后本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种一维河道水工构筑物过流模拟方法，其特征在于，包括：S1、根据河道中的水工构筑物的位置确定河道断面位置，并采用中心格式有限体积法对河道进行离散化，获取该河道所对应的多个的控制单元；其中，每一控制单元均对应一般界面和/或构筑物界面；S2、根据预先设定的一维河网数学模型的初始化信息、预先设定的河道外边界的水位历时曲线、流量历时曲线，获取河道各控制单元一般界面的初始数值通量；S3、根据预先确定的初始水工构筑物过流方式、预先设定的一维河网数学模型的初始化信息和预先确定的初始水工构筑物界面过水面积，获取河道各控制单元的构筑物界面的初始数值通量；所述一维河网数学模型初始化信息包括：用户对河道各断面赋值的初始水位、初始流量以及用户对河道的边界赋值的外边界值；所述初始水工构筑物过流方式和初始水工构筑物界面过水面积与所述预先设定的一维河网数学模型的初始化信息中的水位对应；S4、根据预先设定的河道外边界的水位历时曲线、流量历时曲线、和/或用户添加的源项、河道各控制单元一般界面的初始数值通量、河道各控制单元的构筑物界面的初始数值通量，获取预先设定的目标时刻的各控制单元中心的流体变量值。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S1中根据河道中的水工构筑物的位置确定河道断面位置，具体包括：在河道中的水工构筑物的上下游分别选取河道断面，并使该水工构筑物上下游分别对应的河道断面之间的距离为所述水工构筑物垂直水流方向宽度的一至两倍；其中，所述控制单元的中心处布置相应的河道断面以及定义该河道断面位置处的流体变量。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S2具体包括：根据所述一维河网数学模型初始化信息，采用基于HLL近似Riemann解的有限体积法计算获取河道内部的各控制单元的一般界面的初始数值通量；根据预先设定的河道外边界的水位历时曲线、流量历时曲线，采用基于HLL近似Riemann解的有限体积法计算获取河道两端边缘的控制单元的一般界面的初始数值通量。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述构筑物界面的初始数值通量包括：构筑物界面的初始质量通量、构筑物界面的初始动量通量。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述S3具体包括：S31、根据预先确定的初始水工构筑物过流方式和所述一维河网数学模型初始化信息，利用与所述初始水工构筑物过流方式对应的水工构筑物过流公式计算得到河道中所述水工构筑物的初始过流量，并将该水工构筑物的初始过流量作为构筑物界面的初始质量通量；S32、根据初始水工构筑物界面过水面积，利用公式（A）计算得到构筑物界面的初始动量通量；所述公式（A）为：
；为得到河道中所述水工构筑物的初始过流量；为初始水工构筑物界面过水面积；W1为构筑物界面的初始动量通量。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，若所述预先确定的初始水工构筑物过流方式为自由出流方式，则与所述自由出流方式方式对应的水工构筑物过流公式为公式（1
‑
1）；所述公式（1
‑
1）为：；其中，为侧收缩系数；为第一淹没系数；为第一流量系数；n为水工构筑物孔数；b为水工构筑物单孔净宽；g为重力加速度；为水工构筑物全水头；若所述预先确定的初始水工构筑物过流方式为淹没方式，则与所述水工构筑物过流方式对应的水工构筑物过流公式为公式（1
‑
2）；所述公式（1
‑
2）为：；为第二淹没系数；为第二流量系数；若所述预先确定的初始水工构筑物过流方式为孔流方式，则与所述水工构筑物过流方式对应的水工构筑物过流公式为公式（1
‑
3）；所述公式（1
‑
3）为：；为第三淹没系数；为第三流量系数；若所述预先确定的初始水工构筑物过流方式为无孔流方式，则与所述水工构筑物过流方式对应的水工构筑物过流公式为公式（1
‑
4）；所述公式（1
‑<...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗源，桂发二，万鹏，李容，叶群，
申请(专利权)人：浙江贵仁信息科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：