复杂河网分流的数值模拟方法技术

本发明专利技术涉及复杂河网流场数值模拟的技术领域，公开了复杂河网分流的数值模拟方法，利用二维非恒定浅水方程组，搭建四边形网格与三角形网格混交的网格体系并用有限体积法进行离散，从而建立复杂河网的平面二维水流数学模型，模拟河网中实际的水流运动特征；利用实测资料率定模拟结果，确定模型的相关参数；随后引入分流不均匀系数衡量流量分配特征，计算河网中多个分汊节点的分流不均匀系数。这样，不仅避免了一维模型在空间上的局限性和三维模型计算时间成本过大问题，而且克服了多维耦合模型在衔接中出现质量及动量局部不守恒现象的出现。

Numerical simulation method for the diversion of complex river network

The present invention relates to the technical field of numerical simulation of complex river flow field, numerical simulation method discloses complex river network division, using two-dimensional unsteady shallow water equations, grid system mixed quadrilateral mesh and triangular mesh and discretized by finite volume method, a two-dimensional flow to establish a mathematical model of complex network, the actual flow movement characteristics the simulation of river network; using the measured data of the calibration results, determine the related parameters of the model; then introduced flow uneven coefficient of flow distribution characteristics to measure, calculation of multiple branch node diversion uneven coefficient of river network. This not only avoids the limitation of one dimensional model in space, but also costs too much time for computation of 3D models, and overcomes the phenomenon of local non conservation of mass and momentum in multi-dimensional coupling models.

【技术实现步骤摘要】
复杂河网分流的数值模拟方法
本专利技术涉及复杂河网流场数值模拟的
，尤其是涉及具有多汊道的复杂河网流量分配的数值模拟。
技术介绍
世界范围内许多大型河流，比如尼罗河、湄公河、密西西比河和珠江等河流进入下游河口区往往都会出现河道分汊现象，从而发育成形态复杂的河网。这些河网由众多的分汊河道和汊口组成，水流在某一支汊的运动，都对河网的整体有“牵一发而动全身”的影响。由于河网多位于河口地区，它不仅受到上游径流的作用，而且还受到外海潮汐的影响，使得河网中的动力作用十分复杂。分汊河道的流量分配一直是河流动力学研究中的经典问题。它关系到泥沙、营养物及污染物等入海物质通量的分配，从而影响下游河道的生态系统和相关的航道、桥梁工程。而复杂河网中流量分配则涉及到更多的影响因素和更复杂的作用机制，十分值得探讨。本专利技术拟针对具有复杂河网的珠江河口，建立整体的平面二维数值模型，模拟在径流和潮汐作用下，河网内的流量分配过程。区别以往的分流比系数，本专利技术引入分流不均匀系数用来衡量流量分配的不均匀性。并选取河网中多个主要河道的分汊口，计算一系列的流量不均匀系数，定量研究河网分流特征。克服了对复杂河网分流研究的难点，以期对河网中物质通量分配和河口区洪水、咸潮入侵等灾害研究提供参考。
技术实现思路
本专利技术提供的复杂河网分流的数值模拟方法，旨在建立一种在径流和潮汐共同作用下河网的平面二维数值模型，引入分流不均匀系数描述河网流量分配的不均匀性，克服现今对复杂河网分流研究的不足。本专利技术是这样实现的，利用二维非恒定浅水方程组，搭建四边形网格与三角形网格混交的网格体系并用有限体积法进行离散，从而建立复杂河网的平面二维水流数学模型，模拟河网中实际的水流运动特征；利用实测资料率定模拟结果，确定模型的相关参数；随后引入分流不均匀系数衡量流量分配特征，计算河网中多个分汊节点的分流不均匀系数。进一步地，所述二维非恒定浅水方程组为：式中：η为水位；h为静水深；t为时间；x、y、z为右手笛卡尔坐标系；u、v为流速在x、y方向上的分量；Pa为当地气压；ρ为水密度，ρ0为参考水密度；为科氏力；和为地球自转引起的加速度；Sxx、Sxy、Syx、Syy为辐射应力在各方向的分量；τsx、τsy、τbx、τby为水面与河床边界水流切应力；Txx、Txy、Tyx、Tyy为水平黏滞应力；S为源汇项；us、vs为源汇项水流流速。进一步地，所述四边形网格设置在河道中，所述三角形网格设置在河道相交处及河口外的海滨区。进一步地，所述分流不均匀系数为ψ，其计算方程式为：式中：ψ为分流不均匀系数；<Q>为潮周期平均流量，1、2下标分别代表两个支汊河道。与现有技术相比，本专利技术提供的复杂河网分流的数值模拟方法，通过建立复杂河网的平面二维水流数学模型，模拟河网中实际的水流运动特征，并利用实测资料率定模拟结果，确定模型的相关参数，随后引入分流不均匀系数衡量流量分配特征，计算河网中多个分汊节点的分流不均匀系数，这样，不仅避免了一维模型在空间上的局限性和三维模型计算时间成本过大问题，而且克服了多维耦合模型在衔接中出现质量及动量局部不守恒现象的出现。本专利技术具有的有益效果：1、充分考虑复杂河网中各个汊道之间的相互影响，精确地计算复杂河网中多汊口的分流情况，从而研究河网中的分流特征。2、适用于在径流和潮汐共同作用下的三角洲河网地区，引入分流不均匀系数有利于分离潮汐作用对分流的影响。3、适用范围广，对不同地形和不同动力条件下的河网普遍适用。附图说明图1是本专利技术实施例提供的复杂河网分流的数值模拟方法的平面二维水流数学模型范围和河网区网格的示意图；图2是本专利技术实施例提供的复杂河网分流的数值模拟方法的平面二维水流数学验证模型的水位站点位置图及汊口位置示意图；图3是本专利技术实施例提供的复杂河网分流的数值模拟方法的部分站点的分潮振幅验证图。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仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。以下结合具体实施例对本专利技术的实现进行详细的描述。本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本专利技术的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。参照图1～3所示，为本专利技术提供的较佳实施例。本专利技术提供的复杂河网分流的数值模拟方法，用于研究复杂河网的流量分配。其中，珠江河口位于中国南部，其三大支流西江、北江和东江在河口区交汇形成复杂河网，因此选取珠江河网为研究区域，模型范围见图1，上边界为高要、石角、博罗、老鸦岗和石咀，下边界到外海-20m左右水深。下面以珠江河网为例，给出本专利技术提出的复杂河网分流的数值模拟方法的具体步骤和实施方案：(1)建立二维非恒定浅水方程组，具体如下：式中：η为水位；h为静水深；t为时间；x、y、z为右手笛卡尔坐标系；u、v为流速在x、y方向上的分量；Pa为当地气压；ρ为水密度，ρ0为参考水密度；为科氏力；和为地球自转引起的加速度；Sxx、Sxy、Syx、Syy为辐射应力在各方向的分量；τsx、τsy、τbx、τby为水面与河床边界水流切应力；Txx、Txy、Tyx、Tyy为水平黏滞应力；S为源汇项；us、vs为源汇项水流流速。(2)搭建四边形网格和三角形网格混交的网格系统在河道中采用四边形网格，该网格空间步长根据实际地形取50m-400m；在河道相交处采用三角形网格过渡该网格空间步长介于50-2000m；在河口外海滨区同样采用三角形网格，该网格空间步长介于300-2000m。整体来看，网格的空间步长介于50m-2000m，总数共计56911个。这些网格采用有限体积法进行离散，从而建立复杂河网的平面二维水流数学模型，模拟河网中实际的水流运动特征。(3)模型参数设置平面二维水流数学模型的上边界为高要、石角、博罗、老鸭岗和石咀站实测逐时流量，模型下边界为中国近海潮波模型预测的逐时水位。平面二维水流数学模型设定的水流涡黏系数为0.28，河床糙率则根据实际地形率定之后取0.015-0.030。(4)模型验证平面二维水流数学模型验证选择珠江河网区的分布的26个水位站点(图2)，将站点实测的逐时水位资料利用潮汐调和分析分离出主要的分潮，M2，S2，N2，K2，K1，O1，P1，Q1，分别验证各个分潮的振幅。图3是其中八个水位站点的模型验证结果。图中实测水位和模拟水位大致相等，模型验证良好。(4)计算分流不均匀系数在模型验证良好的基础上，选取珠江河网中八个主要的汊口(图2)，分别是天河/南华，登州头左/登州头右，黄沙左/黄沙右，左一/右一，左二/右二，麻涌/大盛，百顷/大敖，竹洲/竹银，石龙一/石龙二，计算这八个分汊口的分流不均匀系数定量研究分流，从而研究分析复杂河网的分流特征。分流不均匀系数的计算公式如下所示：式中，ψ为分流不均匀系数；<Q&g本文档来自技高网...

【技术保护点】
复杂河网分流的数值模拟方法，其特征在于，利用二维非恒定浅水方程组，搭建四边形网格与三角形网格混交的网格体系并用有限体积法进行离散，从而建立复杂河网的平面二维水流数学模型，模拟河网中实际的水流运动特征；利用实测资料率定模拟结果，确定模型的相关参数；随后引入分流不均匀系数衡量流量分配特征，计算河网中多个分汊节点的分流不均匀系数。

【技术特征摘要】
1.复杂河网分流的数值模拟方法，其特征在于，利用二维非恒定浅水方程组，搭建四边形网格与三角形网格混交的网格体系并用有限体积法进行离散，从而建立复杂河网的平面二维水流数学模型，模拟河网中实际的水流运动特征；利用实测资料率定模拟结果，确定模型的相关参数；随后引入分流不均匀系数衡量流量分配特征，计算河网中多个分汊节点的分流不均匀系数。2.如权利要求1所述的复杂河网分流的数值模拟方法，其特征在于，所述二维非恒定浅水方程组为：

【专利技术属性】
技术研发人员：吴尧，吴门伍，杜静，卢陈，高时友，涂向阳，佟晓蕾，杨裕桂，袁菲，
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