工程调度与感潮河网污染物输移过程耦合的数值模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种工程调度与感潮河网污染物输移过程耦合的数值模拟方法，包括：建立感潮河网一维水动力‑水质模型；建立工程调度模型，实现工程类型和调度方式的精确定量描述；采用有限差分格式和四级联解法求解感潮河网一维水动力‑水质模型和工程调度模型；针对防洪排涝、水质改善等目标和工程约束条件，建立闸泵群多目标优化调度模型。该方法实现了水动力过程、污染物输移过程与工程调度相互作用的精确定量化描述，在对工程调度模拟仿真的基础上，运用建立的闸泵群多目标优化调度模型，得到闸泵群联合优化调度方案，可显著提高工程调度模拟仿真的实际应用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于水利工程调度与数值模拟
，具体涉及一种工程调度与感潮河网污染物输移过程耦合的数值模拟方法。
技术介绍
珠江河口地区是我国经济和社会高速发展的地区，在我国经济建设中具有举足轻重的战略地位。随着社会经济的快速发展，珠江河口地区的水环境污染、供水安全、防洪(潮)排涝问题越来越突出，水动力过强/不足、感潮河道水体来回游荡是引发这些问题的主要因素。利用水闸、泵站等水利工程进行感潮河网水力调控是解决区域内防洪(潮)和排涝问题，实现水资源综合利用和水环境改善的关键措施。珠江河口地区水系发达、河网密布、河道纵横交错，且水流受径流、潮汐动力双重作用，流向随径流潮汐动力变化而变化；同时，河网内水利工程众多，工程调度与河网水动力过程相互作用，水力调控-污染物输移过程的耦合模拟十分困难。随着河口区域内防洪排涝标准、水资源开发利用和水环境改善要求的提高，水利工程调度的难度和复杂度日益加大，在复杂的水文情势下如何实现水闸、泵站群联合优化调度一直以来是摆在工程管理部门面前的重要难题。为此，迫切需要研究工程调度与感潮河网污染物输移过程耦合的数值模拟方法，为优化调度方案、工程调度决策提供技术支撑。在传统的工程调度模拟仿真中，通常采用一维河网水动力学模型，对预定的工程调度情景进行数值计算，无法考虑水动力过程和污染物输移过程对工程调度方案的影响，难以满足指导水闸、泵站群联合优化调度工程管理实际需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种工程调度与感潮河网污染物输移过程耦合的数值模拟方法，实现水动力过程、污染物输移过程与工程调度相互作用的精确定量化描述，显著提高工程调度模拟仿真的实际应用价值。本专利技术的目的通过下述技术方案实现：一种工程调度与感潮河网污染物输移过程耦合的数值模拟方法，该方法包括以下步骤：S1、建立感潮河网一维水动力-水质模型；S2、建立工程运用模型，实现工程类型和运用方式的精确定量描述；S3、采用有限差分格式和四级联解法求解所述感潮河网一维水动力-水质模型和所述工程运用模型；S4、针对防洪排涝、水质改善等目标要求，确定目标函数和约束条件，建立闸泵群多目标优化调度模型；S5、水动力过程、污染物输移过程与工程调度相互作用的精确定量化描述。进一步地，所述步骤S1、建立感潮河网一维水动力-水质模型具体包括：S11、采用一维圣维南方程作为河道水流控制方程建立一维水动力模型，如下式： ∂ Z ∂ t + 1 B ∂ Q ∂ x = q B ]]> ∂ Q ∂ t + g A ∂ Z ∂ x + ∂ ∂ x ( β u Q ) + g | Q | Q c 2 A R = 0 ]]>式中：x为里程；t为时间；Z为水位；B为过水断面水面宽度；Q为流量；q为侧向单宽流量，正值表示流入，负值表示流出；A为过水断面面积；g为重力加速度；u为断面平均流速；β为校正系数；R为水力半径；c为谢才系数，c＝R1/6/n，n为曼宁糙率系数；S12、采用一维对流-扩散方程作为污染物输移控制方程建立一维污染物输移模型，如下式： ∂ ( A C ) ∂ t + ∂ ( Q C ) ∂ x - ∂ ∂ x ( AD K ∂ C ∂ x ) - ( q c ) L + w A C = 0 ]]>式中：C为物质浓度；Dk为纵向扩散系数；(qc)L为点源；w为降解系数(s-1)。S13、建立河网汊点的控制方程如下式： Σ i = 1 m Q i = 0 ]]> Σ i = 1 m Q i i n C i + Σ j = 1 n Q j o u t C o u t = 0 ]]>Z1＝Z2＝...＝Zm式中：Qi为汊点第i条支流流量，流入为正，流出为负；Zi表示汊点第i条支流的断面平均水位；m为汊点处的支流数量；Qin代表流入汊点；Ci表示流入汊点的各断面物质平均浓本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种工程调度与感潮河网污染物输移过程耦合的数值模拟方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1、建立感潮河网一维水动力‑水质模型；S2、建立工程运用模型，实现工程类型和运用方式的精确定量描述；S3、采用有限差分格式和四级联解法求解所述感潮河网一维水动力‑水质模型和所述工程运用模型；S4、针对防洪排涝、水质改善等目标要求，确定目标函数和约束条件，建立闸泵群多目标优化调度模型；S5、水动力过程、污染物输移过程与工程调度相互作用的精确定量化描述。

【技术特征摘要】
1.一种工程调度与感潮河网污染物输移过程耦合的数值模拟方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1、建立感潮河网一维水动力-水质模型；S2、建立工程运用模型，实现工程类型和运用方式的精确定量描述；S3、采用有限差分格式和四级联解法求解所述感潮河网一维水动力-水质模型和所述工程运用模型；S4、针对防洪排涝、水质改善等目标要求，确定目标函数和约束条件，建立闸泵群多目标优化调度模型；S5、水动力过程、污染物输移过程与工程调度相互作用的精确定量化描述。2.根据权利要求1所述的一种工程调度与感潮河网污染物输移过程耦合的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S1、建立感潮河网一维水动力-水质模型具体包括：S11、采用一维圣维南方程作为河道水流控制方程建立一维水动力模型，如下式： ∂ Z ∂ t + 1 B ∂ Q ∂ x = q B ]]> ∂ Q ∂ t + g A ∂ Z ∂ x + ∂ ∂ x ( β u Q ) + g | Q | Q c 2 A R = 0 ]]>式中：x为里程；t为时间；Z为水位；B为过水断面水面宽度；Q为流量；q为侧向单宽流量，正值表示流入，负值表示流出；A为过水断面面积；g为重力加速度；u为断面平均流速；β为校正系数；R为水力半径；c为谢才系数，c＝R1/6/n，n为曼宁糙率系数；S12、采用一维对流-扩散方程作为污染物输移控制方程建立一维污染物输移模型，如下式： ∂ ( A C ) ∂ t + ∂ ( Q C ) ∂ x - ∂ ∂ x ( AD K ∂ C ∂ x ) - ( q c ) L + w A C = 0 ]]>式中：C为物质浓度；Dk为纵向扩散系数；(qc)L为点源；w为降解系数(s-1)；S13、建立河网汊点的控制方程如下式： Σ i = 1 m Q i = 0 ]]> Σ i = 1 m Q i i n C i + Σ j = 1 n Q j o u t C o u t = 0 ]]>Z1＝Z2＝...＝Zm式中：Qi为汊点第i条支流流量，流入为正，流出为负；Zi表示汊点第i条支流的断面平均水位；m为汊点处的支流数量；Qin代表流入汊点；Ci表示流入汊点的各断面物质平均浓度；Qout代表流出汊点；Cout表示流出汊点的各断面物质平均浓度。3.根据权利要求1所述的一种工程调度与感潮河网污染物输移过程耦合的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S2、建立工程运用模型，实现工程类型和运用方式的精确定量描述具体包括：S21、在水闸、泵站等控制建筑物上、下游布设断面，两断面之间的距离忽略不计；S22、断面之间水位差与流量之间的关系取决于堰流公式及运行方式，在闸门关闭情况下，过闸流量Q＝0；在闸门开启情况下，过闸流量Q按宽顶堰公式计算，自由出流：淹没出流：式中：Q为过闸流量；m为自由出流系数；为淹没出流系数；B为闸门开启总宽度；Z0为闸底高程；Zu为闸上游水位；Zd为闸下游水位；H0为闸上游水深；Hs为闸下游水深；S23、根据水闸上、下游断面流量、污染物浓度相等，可得，Qi＝Qi+1Ci＝Ci+1在水闸上、下游断面位置，各生成1个虚拟断面，两个虚拟断面之间为虚拟河道，水闸上游断面、上游虚拟断面之间为1个虚拟汊点，水闸下游断面、下游虚拟断面之间为1个虚拟汊点，通过2个虚拟汊点，将虚拟河段与水闸上、下游河道连接起来；基于宽顶堰公式得到虚拟河道的递推公式，Qi＝a1Zi+b1Zi+1+c1Qi+1＝a2Zi+b2Zi+1+c2当闸门关闭时，所有系数为0，即过闸流量Qi＝Qi+1＝0；当闸门开启时，根据过闸水流流态，结合宽顶堰公式，采用一阶泰勒级数展开，可得各系数值；S24、同时考虑河道汊点与虚拟汊点，基于汊点连接模式，采用四级联解法进行求解，计算得到包括水闸上、下游断面在内的所有断面的水位、流量。4.根据权利要求1所述的一种工程调度与感潮河网污染物输移过程耦合的数值模拟方法，其特征在于，所述步骤S3、针对防洪排涝、水质改善等目标要求，确定目标函数和约束条件，建立闸泵群多目标优化调度模型具体包括：S31、对单一河段的水动力-水质方程进行离散，得下...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋利祥，胡晓张，杨芳，杨志伟，余顺超，王汉岗，
申请(专利权)人：珠江水利委员会珠江水利科学研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44