一种河口海岸模型试验控制边界的方法技术

本发明专利技术提出了一种河口海岸模型试验控制边界的方法，根据研究需要，需要进行多个水文条件的研究，不同的水文条件有不同的试验控制边界参数。以往每个试验水文条件均需要进行费时费力的控制边界参数调整工作。该方法在首次模型率定的基础上得到一组控制边界参数后，通过相关分析等手段，总结设计出一套行之有效的、快捷的的方法，算出不同水文条件下的模型控制边界，大大提高模型试验的的效率。本发明专利技术在多个国家重点项目中得到成功应用，研究成果满足相关规范要求。

A control boundary method for estuarine and coastal model tests

【技术实现步骤摘要】
一种河口海岸模型试验控制边界的方法
本专利技术涉及一种河口海岸模型试验控制边界的方法，属于河口海岸物理模型试验模型控制

技术介绍
相似理论是物理模型试验研究的重要理论基础。1686年，牛顿提出动力相似的普遍定律，奠定了物理模型试验的理论基础。此后，河工逐渐兴盛，1956年南京水利科学研究院建立了我国第一个潮汐河口模型。通过河工模型等研究河口海岸潮波传播、流速分布、水沙时空分布、河床冲淤等规律；贯穿于工程设计的各个阶段，利用模型分析研究工程方案的效果、影响，为方案优化比选、方案设计及方案实施时机提供技术支撑。在我国，物理模型试验在三峡工程，长江南京以下深水航道整治，苏通长江大桥、沪通长江大桥、高铁大胜关长江大桥、港珠澳大桥等研究中得到了大量的成功应用，为国民经济建设提供了有力支撑。模型试验是以相似理论为基础的，包括：几何相似、运动相似、动力相似等。相似的现象服从同一运动规律，为同一数学物理表达式所描述。因此，各物理量比尺间的关系，也必须受这些表达式的约束，不能任意选定。模型的准确与否需通过模型验证来检验。对于河口海岸模型，模型试验可分为模型率定、验证和方案试验三步。第一步，在模型制作、测控系统安装完成后进行的模型率定。率定和验证均选用实测资料来进行，约2～4组，选用一个有代表性的水文条件进行率定，通过调整模型糙率、模型局部地形修正、测控系统调试等技术手段，率定模型有关技术参数，同时得到率定的模型边界控制参数。率定工作量较大，往往花费半个月、1个月甚至更多的时间。第二步，用其他水文条件，验证模型的相似性，验证成功后同样会得到对应的模型控制参数，其工作量相对较小，但往往至少1周的时间。第三步，验证结束后，可以通过该模型进行方案试验研究，根据需要选用有代表性的水文条件进行试验，主要有洪季大潮、枯季大潮、大洪水、风暴潮等，根据航道通航、桥梁建设，还需选用平均流量大潮、20年一遇流量大潮、100年一遇流量大潮、300年一遇大潮。而这些试验条件的边界控制参数，也往往至少1周的时间，有时还只能对控制参数进行概化。河口海岸模型中开边界通常采用潮位边界条件进行控制，不同模型或者同一模型但径流和潮流有差异，控制边界也会存在不同。因此，上述每组水文条件，都有不同的控制边界参数。实践表明，边界控制参数的选取是模型试验中一项重要的且费时费力工作，在试验过程中往往经过长时间的多次尝试才能得到理想的控制边界，影响了河工模型试验的效率，这与现阶段高速发展的社会经济不相适应。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足而提供一种河口海岸模型试验控制边界的方法，该方法能够快速模型控制边界选择，并提供一种能够匹配多种以往水情以及今后实测水情的试验控制边界预报模型。本专利技术提供了一种河口海岸模型试验控制边界的方法，其中模型控制边界是一组不同时刻的参数组成的曲线，该方法包括以下步骤：第一步、根据实测水文资料对模型相似性进行率定。通过对模型修正、测控系统调试，修改模型下边界控制曲线，直到模型验证结果满足《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》(JTST231-2-2010)规范要求，得到一组与天然实测曲线对应的模型边界控制参数曲线；第二步、对率定的模型边界控制参数曲线与对应的天然实测曲线进行比较，发现两曲线间参数大小及相位均存在差异，这就表明实测数据不能直接作为模型边界控制参数，因此，其他试验条件的控制边界参数需要重新进行费时费力的控制边界参数调整工作；第三步、本专利技术在模型率定成功的基础上，比较率定试验中得到的控制边界参数与实测数据曲线的关系，分析实测曲线与模型边界控制参数曲线的最大值、最小值的差异，将曲线最大值与最小值的差称作潮差，可得到两曲线间的潮差比a；第四步、继续分析天然实测曲线与模型边界控制参数曲线的最大值和最小值出现的时间，可得到两曲线间的相位差t；第五步、根据两曲线间的最大值、最小值、潮差比a、相位差t等参数，获得反映原始潮位数据与模型潮位控制参数之间关系的算法，该算法如下式所示，Zi＝a1Pi-1+a2Pi+c式中，Zi表示模型边界控制参数曲线中i时刻的控制参数计算值，Pi-1表示天然实测潮位曲线中i-1时刻的实测潮位值，Pi表示天然实测潮位曲线中i时刻的实测潮位值，i表示时刻，a1、a2均为系数，c为常数；第六步、根据第五步的算法确定模型的其他试验的控制参数曲线，减小模型验证试验组数，省却大量的费时费力的试验控制边界参数调整工作，大大提高了模型试验效率。采用本专利技术的方法，首先根据实测水文资料多模型进行率定和验证试验，以保证模型与原型的相似性。在率定试验过程中，采取多次对模型潮位控制边界进行调试修改等措施，直到模型潮位与天然潮位相似性满足有关规范要求，这是模型验证中工作量最大的部分。在模型率定成功后，会得到一组与实测曲线对应的模型控制边界参数。由于两曲线存在明细的差异，不能直接用其他的实测曲线作为模型边界控制参数曲线。需要费时费力利用试验已得到其他试验条件的边界控制控制参数曲线，而需要验证的曲线有很多组(例如洪季大潮、枯季大潮、洪季小潮、枯季小潮等)的验证；同时，正式试验需要的水文条件也有多组，这样，需要根据试验确定的控制边界参数曲线少则3、4个，多则10个以上，导致选取上述控制边界是一个繁琐且必须的工作。本专利技术的核心在于，分析满足规范要求的控制边界与邻近实测潮位的关系，通过模型相似、数据插值和相关分析等手段，总结设计出一套行之有效的、快捷的的方法，算出不同水文条件下的模型控制边界。在模型率定成功的基础上，1周以上的验证试验可在1～2天内完成，大大提高模型试验效率；需要1周以上时间确定的方案试验控制曲线参数，可即时根据算法得到。作为本专利技术进一步的技术方案，其详细描述如下：所述第一步中，根据第一组实测水文资料，一般为一个天文潮、25小时数据组成的潮位曲线，通过调整模型糙率、边界控制参数等数据，对模型进行率定；模型率定成功后，模型糙率确定，该模型与原型相似，同时会得到一组试验控制参数，即与实测水文资料对应的模型边界控制参数曲线。下面，准备比较该曲线与实测曲线，试图分析两曲线之间存在的关系，以便省却其中费时费力的边界控制参数调整工作，直接通过算法计算其他边界控制参数曲线。所述第二步中，比较率定试验中得到的模型边界控制参数曲线与实测曲线之间的关系，发现，由于模型控制系统对控制曲线参数组成的控制指令的响应有个过程，同时模型边界与实测站的位置不一致，两曲线间最大值、最小值和相位存在差异；这表明其他水文条件的模型边界控制参数曲线需要重新进行控制边界参数调整工作才能使用。所述第三步中，首先分析两曲线的最大值和最小值，将邻近边界的潮位站的天然实测曲线的最大值、最小值分别记为Pmax、Pmin，率定得到的模型边界控制参数曲线的最大值、最小值分别记为Mmax、Mmin，根据下式计算两曲线间的潮差比a：a＝(Mmax-Mmin)/(Pmax-Pmin)；分析两曲线的最大值和最小值之后，发现i时刻实测潮位值Pi本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种河口海岸模型试验控制边界的方法，其特征在于，包括以下步骤：/n第一步、根据实测水文资料对模型相似性进行率定，通过对模型修正、测控系统调试，修改模型下边界控制曲线，直到模型验证结果满足《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》(JTST 231-2-2010)规范要求，得到一组与天然实测曲线对应的模型边界控制参数曲线；/n第二步、对率定的模型边界控制参数曲线与对应的天然实测曲线进行比较；/n第三步、分析天然实测曲线与模型边界控制参数曲线的最大值、最小值的差异，将最大值与最小值的差称作潮差，可得到两曲线间的潮差比a；/n第四步、通过分析天然实测曲线与模型边界控制参数曲线的最大值和最小值出现的时间，可得到两曲线间的相位差t；/n第五步、根据两曲线间的最大值、最小值、潮差比a、相位差t，获得反映原始潮位数据与模型潮位控制参数之间关系的算法，该算法如下式所示，/nZ

【技术特征摘要】
1.一种河口海岸模型试验控制边界的方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、根据实测水文资料对模型相似性进行率定，通过对模型修正、测控系统调试，修改模型下边界控制曲线，直到模型验证结果满足《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》(JTST231-2-2010)规范要求，得到一组与天然实测曲线对应的模型边界控制参数曲线；
第二步、对率定的模型边界控制参数曲线与对应的天然实测曲线进行比较；
第三步、分析天然实测曲线与模型边界控制参数曲线的最大值、最小值的差异，将最大值与最小值的差称作潮差，可得到两曲线间的潮差比a；
第四步、通过分析天然实测曲线与模型边界控制参数曲线的最大值和最小值出现的时间，可得到两曲线间的相位差t；
第五步、根据两曲线间的最大值、最小值、潮差比a、相位差t，获得反映原始潮位数据与模型潮位控制参数之间关系的算法，该算法如下式所示，
Zi＝a1Pi-1+a2Pi+c
式中，Zi表示模型边界控制参数曲线中i时刻的控制参数计算值，Pi-1表示天然实测曲线中i-1时刻的实测潮位值，Pi表示天然实测曲线中i时刻的实测潮位值，i表示时刻，a1、a2均为系数，c为常数；
第六步、根据第五步的算法确定其他试验的控制参数曲线，然后进行模型试验。


2.根据权利要求1所述一种河口海岸模型试验控制边界的方法，其特征在于，所述第一步中，根据一组实测水文资料，通过调整模型糙率、边界控制参数，对模型进行率定；模型率定成功后，模型糙率确定，该模型与原型相似，同时得到一组试验控制参数。


3.根据权利要求1所述一种河口海岸模型试验控制边界的方法，其特征在于，所述第二步中，比较率...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜德军，夏云峰，闻云呈，徐华，王晓俊，吴道文，陈靖，
申请(专利权)人：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，
类型：发明
国别省市：江苏;32