一种平面二维水沙数学模型初始床沙级配的率定方法技术

本发明专利技术公开了一种平面二维水沙数学模型初始床沙级配的率定方法，包括：步骤S1、按床面特性划定床沙级配分区，并计算各分区内各级配未知网格点的初始床沙级配率定起始值；步骤S2、计算各网格点冲淤厚度计算值；步骤S3、计算各网格点冲淤厚度预测值与已知冲淤厚度实测值之间的误差；步骤S4、判断误差绝对值是否小于预设的精度阈值；若是，则转入步骤S6；若否，则转入步骤S5；步骤S5、根据误差的符号，以二分法调整相应网格点的初始床沙级配的取值，并转入步骤S2；步骤S6、完成床沙级配率定，保存床沙级配率定结果。该方法在保证河道平面二维水沙模型初始床沙级配取值合理的同时，提高平面二维水沙模型床沙级配的率定效率。

A rate determination method for the initial bed sand gradation in a two-dimensional mathematical model of plane water and sand

The invention discloses a method, a two-dimensional mathematical model of sediment initial bed sediment gradation rate includes: step S1, according to the characteristics of the bed surface delineation of bed sediment gradation partition, and calculate the initial bed sediment gradation in each zone at all levels with unknown points rate of initial values; step S2, the calculation value of scouring and silting the thickness of each grid point; step S3, the grid point erosion thickness error and the known deposit thickness between the measured values of the predicted value; step S4, determine the absolute value of error is less than a preset threshold accuracy; if yes, then go to step S6; if not, then go to step S5; step S5, according to the sign of the error to adjust the initial value, the dichotomy of bed sediment gradation corresponding mesh point, and transferred to the step S2; step S6, bed sediment gradation rate, save the results of fixed bed sediment gradation rate. This method can ensure the reasonable value of initial bed sediment gradation in 2-D water and sediment model of river channel, and improve the calibration efficiency of two-dimensional sand and sediment model.

【技术实现步骤摘要】
一种平面二维水沙数学模型初始床沙级配的率定方法
本专利技术涉及水力学及河流运动力学
，尤其涉及一种平面二维水沙数学模型初始床沙级配的率定方法。
技术介绍
初始床沙级配是河道平面二维水沙数学模型(以下简称“二维水沙模型”)的重要参数，二维水沙模型可用于计算天然河流的流速、水位、水深等水力要素及泥沙运动要素，这些水沙要素的取得，可为解决水利、生态和环境等问题提供水沙条件。二维水沙模型被广泛应用于水力学及河流动力学科学研究，也是解决各类工程泥沙问题的重要工具。在水力学及河流运动力学研究以及工程泥沙问题的解决过程中，通常需要分析河流的流速、水位、水深等水力要素和悬移质与推移质泥沙的运动规律，要获取这些要素可通过求解水沙运动的控制方程来实现。对于水流运动，其控制方程是纳维-斯托克斯方程(NS方程)，它描述的是流体的三维运动，其解析解只在一些简单情况下才可得，对于一般情况，其数值解也较难获取。所谓解析解，通俗来讲是指以数学表达式表达的解，所谓数值解，是指通过数值方法获取的流体所在空间的离散点或单元上的各物理量的具体数值。同样的，河流中的运动着的泥沙也有描述其运动的控制方程，此类泥沙有两类，一是随水流悬移运动的泥沙，被称作悬移质，描述其运动的控制方程本质是一个对流扩散方程；二是在河床表面推移运动的泥沙，被称作推移质，描述其运动的控制方程通常被称为推移质输沙率公式。河流中悬移质和推移质的运动，会给床面形态带来变化，因此在水沙数学模型中还需要求解床面变形方程，其本质是沙量平衡，床面变形是以床面高程的变化来反映的，通过对比前后两个时刻的床面高程变化，可以获得床面冲淤厚度。对于天然沙，由于其粒径的非均匀性，在求解其运动时，还要考虑级配变化，因而非均匀沙水沙运动数学模型还要求解级配的变化，因此床沙级配是随时间而改变的，二维水沙模型计算起始时刻的床沙级配被称为初始床沙级配，它是后续床沙级配调整的起点。以数值方法求解水沙运动的相关方程，可以分析水、沙要素的变化，可为解决水利、生态和环境等问题提供流量、流速、水位等水力要素和含沙量、级配等泥沙要素，还能预测河道演变趋势。为了简化求解，在水力学及河流动力学研究过程中，对于宽浅河流，常将三维的NS方程、悬移质对流扩散方程沿水深积分，以平面二维浅水方程和相应的平面二维悬移质运动方程描述水沙运动，在给定计算条件并选取计算参数后，通过数值方法求解离散的平面二维浅水方程和泥沙运动方程、床面变形方程和级配调整方程等，便可获得相关水沙要素值。纳维-斯托克斯方程和悬移质运动方程沿水深积分为平面二维浅水方程后，方程仍是解析形式，它在求解空间中是连续分布的，为了在科学研究和工程计算中具体求解，需要对解析的平面二维浅水方程和悬移质运动方程进行空间离散(离散的方法有有限差分法、有限体积法和有限元法等)，在列出这些离散点或离散单元内的各物理量的代数方程组后，通过求解代数方程组，可获取各离散点或单元的水位、水深、流速值，在水流运动方程求解完毕后，可以将计算所得水力要素代入悬移质运动方程和推移质输沙率方程，进而求解平面空间内的含沙量、推移质输沙率、相应级配和床面高程变化等泥沙要素。上述方程组的构造和求解过程可以通过计算机程序实现，这类程序被称为“河道平面二维水沙数学模型软件”，这是一种计算机仿真软件，可以用它们计算一段时间内的水沙运动现象。这类软件的应用，需要给定初始条件和边界条件，所谓初始条件，是指水沙运动之初运动空间内的流速、水位、含沙量、泥沙级配等的初始值，所谓边界条件，主要是指水沙源、汇项等边界信息。此外，还要根据实测数据选取一些重要参数，如果选取的参数、初始条件和边界条件等能保证计算结果与实际相符，则说模型是可靠的。只有可靠的模型，才能在求解水沙运动方程的过程中获得合理解。初始床沙级配是河道平面二维水沙数学模型的一类重要初始条件，所谓级配，反映的是非均匀沙各级粒径颗粒的分配情况，对于一定重量的非均匀沙样本，在规定了分界粒径后，每两个分界粒径之间的泥沙重量占样本总重量的百分比，可称为该组泥沙的级配。实际工作中，在采用数值方法求解水沙运动相关控制方程时，要将水沙运动的空间进行剖分离散，在计算初始时刻，需要输入这些数目众多的离散点或单元的初始床沙级配Pb.l.0。由于描述初始时刻平面二维空间上床沙级配分布的连续函数是未知的，因而这些数目众多的离散点或离散单元的初始床沙级配也是未知的。目前，在一些文献中介绍了一些河道平面二维模型床沙级配的调整方法，如挟沙能力级配及有效床沙级配的确定、天然河流床沙级配的计算、考虑泥沙分选及床沙级配调整的二维数值模拟研究等，这些方法所述的，是水沙数学模型计算过程的床沙级配调整方法，即在水沙数学模型计算过程中求解t≠0时的床沙级配Pb.l.t的方法，但是，并没有提到如何率定Pb.l.0。实际工作中，现有技术对于河道平面二维水沙数学模型中初始床沙级配的率定Pb.l.0，多采用经验性很强的人工试算法，主要步骤如下：(1)试算开始时，要首先基于已知点的床沙级配实测值，通过空间内插法来估算未知点初始床沙级配的率定起始值(2)基于以平面水沙运动二维模型开展计算，对比床面冲淤计算结果与实际冲淤结果之间异同，对于计算结果中床面冲刷偏多或淤积偏少的区域，在该区域级配合理取值范围内，凭经验人工增大该区域粗沙比例，对于计算结果中床面冲刷偏少或淤积偏多的区域，凭经验人工减少该区域粗沙比例。(3)重复第(1)、(2)两步，经过i次人工调整后的床沙级配记为若以计算的床面冲淤结果与实际相符，则取为率定结果Pb.l.0，率定结束。上述人工试算法的主要缺点在于：1)经验性过强，工作量过大。率定过程无一定之规，率定结果与率定人员的经验直接相关，针对同一区域，不同人的率定结果往往存在较大差别，即使是同一个人进行不同组次的率定，所得的初始床沙级配Pb.l.0也不相同。2)未反映床沙级配的空间突变。现有技术在给定初始床沙级配率定起始值时，未做分区处理，这实质是假设在二维空间上是处处可导的，这是一种理想化的假设，往往不能如实反映实际情况，因为自然界中普遍存在的地质条件的突变，会导致床沙级配也存在突变，这种突变在不进行分区的空间内插法中往往会被平滑，从而导致水沙模型计算得到的床沙交换和床面变形也存在偏差。总之，从应用角度来看，目前对河道平面二维水流数学模型初始床沙级配的确定，现有技术存在着经验性过强、工作量过大、不能反映床沙级配空间突变等缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种平面二维水沙数学模型初始床沙级配的率定方法，在保证河道平面二维水沙模型初始床沙级配取值合理的同时，提高平面二维水沙模型床沙级配的率定效率。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种平面二维水沙数学模型初始床沙级配的率定方法，包括：步骤S1、按床面特性划定床沙级配分区，并计算各分区内各级配未知网格点的初始床沙级配率定起始值；步骤S2、根据分区内级配未知网格点的初始床沙级配率定起始值或者以二分法调整的相应级配未知网格点的初始床沙级配的取值，计算相应级配未知网格点的冲淤厚度的预测值dZc；步骤S3、计算级配未知网格点冲淤厚度的预测值与已知的冲淤厚度实测值之间的误差；步骤S4、判断误差绝对值是否小于预设的精度阈值eps；若是，则转入步骤S6；若否本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种平面二维水沙数学模型初始床沙级配的率定方法，其特征在于，包括：步骤S1、按床面特性划定床沙级配分区，并计算各分区内各级配未知网格点的初始床沙级配率定起始值；步骤S2、根据分区内级配未知网格点的初始床沙级配率定起始值或者以二分法调整的相应级配未知网格点的初始床沙级配的取值，计算相应级配未知网格点的冲淤厚度的预测值dZc；步骤S3、计算级配未知网格点冲淤厚度的预测值与已知的冲淤厚度实测值之间的误差；步骤S4、判断误差绝对值是否小于预设的精度阈值eps；若是，则转入步骤S6；若否，则转入步骤S5；步骤S5、根据误差的符号，以二分法调整相应级配未知网格点的初始床沙级配的取值，并转入步骤S2再次计算相关网格点冲淤厚度的预测值；步骤S6、完成床沙级配率定，保存床沙级配率定结果。

【技术特征摘要】
1.一种平面二维水沙数学模型初始床沙级配的率定方法，其特征在于，包括：步骤S1、按床面特性划定床沙级配分区，并计算各分区内各级配未知网格点的初始床沙级配率定起始值；步骤S2、根据分区内级配未知网格点的初始床沙级配率定起始值或者以二分法调整的相应级配未知网格点的初始床沙级配的取值，计算相应级配未知网格点的冲淤厚度的预测值dZc；步骤S3、计算级配未知网格点冲淤厚度的预测值与已知的冲淤厚度实测值之间的误差；步骤S4、判断误差绝对值是否小于预设的精度阈值eps；若是，则转入步骤S6；若否，则转入步骤S5；步骤S5、根据误差的符号，以二分法调整相应级配未知网格点的初始床沙级配的取值，并转入步骤S2再次计算相关网格点冲淤厚度的预测值；步骤S6、完成床沙级配率定，保存床沙级配率定结果。2.根据权利要求1所述的一种平面二维水沙数学模型初始床沙级配的率定方法，其特征在于，所述按床面特性划定床沙级配分区，并计算各分区内各级配未知网格点的初始床沙级配率定起始值包括：首先，按床面特性划定床沙级配分区，根据各分区内已知点的床沙级配，确定各分区床沙级配变化范围的上、下限其中的z为分区代号；然后，以初始化分...

【专利技术属性】
技术研发人员：关见朝，曹文洪，方春明，毛继新，鲁文，张晓明，张磊，王大宇，刘建刚，温州，郭佳乐，王友胜，
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