一种缺乏资料区河渠冬季冰情发展过程的模拟方法技术

本发明专利技术涉及一种缺乏资料区河渠冬季冰情发展过程的模拟方法，包括：根据明渠非恒流理论，模拟无冰状态下水情发展过程，率定河道真实糙率；根据热扩散原理，模拟河道水温变化，率定河道的热交换系数h

【技术实现步骤摘要】
一种缺乏资料区河渠冬季冰情发展过程的模拟方法
本专利技术涉及一种缺乏资料区河渠冬季冰情发展过程的模拟方法，属于水利工程

技术介绍
归纳起来河冰发展演变包括：流凌、冰盖形成、冰盖热增长和封河、冰盖的热衰减和消融开河等过程，是复杂的水文、气象、水力学、热力学和动力学交互作用的结果，当前已有系统的一维数学模型可以模拟冰演变过程。系统的一维模型可以推溯到美国Clarkson大学Shen开发的RICE模型，之后改进到一维RICEN模型。在此基础上杨开林等开发的一维冰水动力学模型实现了浮冰块在冰盖下堆积过程的模拟，郭新蕾等开发了一维树状数学模型模拟调水工程等人工渠道冰盖发展过程。但当前天然河道冰情模拟存在最大的问题是满足模拟需要的资料缺乏：水文站主要设立在大流域上，而且观测站之间断面间距长，用于计算的测量数据空间步长太大；测量的水文和气象资料通常为日均值，在时间分布上，现有数据的时间步长太大；天然江河支流纵横，但支流通常未进行水文观测，支流流入和流出的水量未知；大多数水文站跟冰情发生发展相关的水温数据未观测或观测精度不够、误差较大；太阳辐射、气温等相关气象数据水文站未能系统观测，只能采用当前气象局数据，气象站同水文观测站的距离较远，数据同步性差。我国黄河是国内水文站系统较为健全、水文观测数据较为系统的河流，黄河内蒙古河段823公里只有4个水文站，2013年以后又增加了包头水文站，黑龙江上游900km只有8个基本水位站，主要观测黑龙江水位信息。但是20世纪90年代，黄河水利委员会先后同芬兰和美国Shen(1994，1996)合作开发了黄河下游冰情预报经验性数学模型，但是这些模型对实测资料精度要求高，黄河上的观测资料也无能满足计算中对实测资料的需求，又因为黄河为游荡性河道，河床变化较快，模型建成后基本不能在实际运行中得以应用。目前，天然河道普遍存在实测资料不全或缺失、河道资料难以测量以及河道上修建的水工建筑物使得河道流态变化受到人为因素影响较大等条件制约。鉴于此，如何在计算资料不完善的情况下，较为准确的计算江、河、渠道冰盖形成、发展和消融过程，为北方河渠冬季调控、灾害评估和预防提供科学参考依据，是一个需要解决的问题。
技术实现思路
为了克服现有技术的问题，本专利技术提出了一种缺乏资料区河渠冬季冰情发展过程的模拟方法。所述的方法可用于江、河、渠道在计算资料不完善情况下较为准确计算冰盖形成、发展和消融过程，为北方河渠冬季调控、灾害评估和预防提供科学参考依据。本专利技术的目的是这样实现的：一种缺乏资料区河渠冬季冰情发展过程的模拟方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1，率定糙率：根据明渠非恒流理论，模拟无冰状态下水情发展过程，率定河道真实糙率，包括如下子步骤：S11，准备计算过程所需的包括河道断面资料、流量和水位在内的水文资料；S12，使用无资料条件下支流流量推算法计算各汇入流量和各支流的流出流量，以及在取水口无资料条件下，进行流量分配的计算；根据明渠非恒定流的连续性方程和运动方程进行计算，确定所述流量分配满足流量平衡和能量守恒；S13，根据河道条件，在春、夏、秋季，分段采用达西-魏斯巴赫公式和谢才公式计算明渠沿程水头损失，率定河道真实糙率n；步骤2，率定热交换系数：根据热扩散原理，模拟河道水温变化，率定河道的热交换系数hwa、jwa和kwa，包括如下子步骤：S21，准备计算过程需要的太阳辐射、气温、水温、流量和水位在内的现有资料，使用无资料条件下每时太阳辐射量推算法和无资料条件下每时气温推算法进行以小时为时段的太阳辐射和气温的计算；S22，计算水温，率定热交换系数hwa、jwa和kwa；根据热扩散方程计算水温：式中：ρ为水的密度；Cp为水的比热；A为渠道断面面积；Tw为水的断面平均温度；V为水的断面平均流速；Ex为热扩散系数：B水表面宽度；为水体与周围环境的单位面积热交换率，包括：明流水面与大气的热交换率水面与飘浮冰块和冰盖的热交换率以及河底水体与河床的热交换率水面与大气的单位面积热交换率采用线性传热方法近似：式中：为水面与大气的热交换率，为太阳的短波辐射热交换率，hwa、jwa和kwa为热交换系数，Ta为气温；步骤3，模拟冰情演变：确定冰盖发展模式，模拟冰情演变过程，包括如下子步骤：S31，准备冬季计算所需的包括流量、水位、水温、太阳辐射、气温、冰花浓度、岸冰和锚冰在内的现有资料，其中流量包括冬季支流汇入流量，冬季支流汇入流量使用无资料条件下支流流量推算法进行计算；使用无资料条件下每时太阳辐射量推算法和无资料条件下每时气温推算法进行以小时为时段的太阳辐射计算和气温计算；S32，根据包括河道过流能力、流量、水位、水温、冰盖厚度和冰盖前沿发展在内的情况，分段率定冰盖平铺上溯模式发展的最大弗劳德数Frc和水力加厚模式发展的最大弗劳德数Frm，确定冰盖的发展模式；冰盖平铺上溯模式发展的最大弗劳德数Frc表示为：式中：V为冰盖前沿上游水流的平均流速；H为冰盖前沿的水深；ti为冰块厚度；为系数；li为冰块长度；e为冰块孔隙率；ρ水体的密度；ρi为冰体的密度；g重力加速度；当弗劳德数超过Frc时，冰块将出现翻转、下潜，冰盖将以水力加厚模式推进，这时冰盖初始厚度h0的计算公式为：式中:ec＝ep+(1-ep)e，为整个冰块的孔隙率，ep为冰块间空间间隙的孔隙率；上式存在一个最大弗劳德数Frm，当冰盖前沿弗劳德数Fr超过Frm(Fr＞Frm)，冰盖不能向前发展；S33由水流的热扩散方程、冰花扩散方程、冰盖下水流的输冰能力方程、水面浮冰的输运方程、冰盖和冰块厚度的发展方程，计算结冰前水温下降过程、冰花浓度的增长过程、冰盖前沿的推进过程、岸冰和冰厚的演变过程、开河前水温的升高过程、冰盖消融过程在内的冰情演变过程各要素；所述的无资料条件下支流流量推算法：各支流分配的流量计算公式：qi＝αi·(Qdown-Qi)式中：Qdown为下游实测流量；Qi为一次洪水传播到支流边界i的流量，i＝1，2，3……n；αi为流量分配系数，所述的无资料条件下每时太阳辐射量推算法：无云状态下的短波太阳辐射φcl，由以下公式计算：φcl＝(0.99-0.17m)φsomo＝[sinα+0.15(α+3.885)-1.253]-1式中：φcl为短波净太阳辐射；φso为每单位面积总的外来太阳辐射；Iso为太阳辐射常数；ω是时角；δ是太阳倾角；为纬度度；dn为一年中的天数；m是当地气压为pa时海拔z米的光学气团；p0为水平面气压；m0是水平面处的光学气团；太阳纬度α＝90-θz；其中：ωi是前一个小时与当前小时时角的均值；E0是地球轨道的偏心校正系数；在云的覆盖程度没有资料记录的情况下，采用每天日照数同统计时段内最大日照数比值衡量云层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种缺乏资料区河渠冬季冰情发展过程的模拟方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：/n步骤1，率定糙率：根据明渠非恒流理论，模拟无冰状态下水情发展过程，率定河道真实糙率，包括如下子步骤：/nS11，准备计算过程所需的包括河道断面资料、流量和水位在内的水文资料；/nS12，使用无资料条件下支流流量推算法计算各汇入流量和各支流的流出流量，以及在取水口无资料条件下，进行流量分配的计算；/n根据明渠非恒定流的连续性方程和运动方程进行计算，确定所述流量分配满足流量平衡和能量守恒；/nS13，根据河道条件，在无冰状态下，分段采用达西-魏斯巴赫公式和谢才公式计算明渠沿程水头损失，率定河道真实糙率n；/n步骤2，率定热交换系数：根据热扩散原理，模拟河道水温变化，率定河道的热交换系数h

【技术特征摘要】
1.一种缺乏资料区河渠冬季冰情发展过程的模拟方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1，率定糙率：根据明渠非恒流理论，模拟无冰状态下水情发展过程，率定河道真实糙率，包括如下子步骤：
S11，准备计算过程所需的包括河道断面资料、流量和水位在内的水文资料；
S12，使用无资料条件下支流流量推算法计算各汇入流量和各支流的流出流量，以及在取水口无资料条件下，进行流量分配的计算；
根据明渠非恒定流的连续性方程和运动方程进行计算，确定所述流量分配满足流量平衡和能量守恒；
S13，根据河道条件，在无冰状态下，分段采用达西-魏斯巴赫公式和谢才公式计算明渠沿程水头损失，率定河道真实糙率n；
步骤2，率定热交换系数：根据热扩散原理，模拟河道水温变化，率定河道的热交换系数hwa、jwa和kwa，包括如下子步骤：
S21，准备计算过程需要的太阳辐射、气温、水温、流量和水位在内的现有资料，使用无资料条件下每时太阳辐射量推算法和无资料条件下每时气温推算法进行以小时为时段的太阳辐射和气温的计算；
S22，计算水温，率定热交换系数hwa、jwa和kwa；
根据热扩散方程计算水温：



式中：ρ为水的密度；Cp为水的比热；A为渠道断面面积；Tw为水的断面平均温度；V为水的断面平均流速；Ex为热扩散系数；B水表面宽度；为水体与周围环境的单位面积热交换率，包括：明流水面与大气的热交换率水面与飘浮冰块和冰盖的热交换率河底水体与河床的热交换率
水面与大气的单位面积热交换率采用线性传热方法近似：



式中：为水面与大气的热交换率，为太阳的短波辐射热交换率，hwa、jwa和kwa为热交换系数，Ta为气温；
步骤3，模拟冰情演变：确定冰盖发展模式，模拟冰情演变过程，包括如下子步骤：
S31，准备冬季计算所需的包括流量、水位、水温、太阳辐射、气温、冰花浓度、岸冰和锚冰在内的现有资料，其中流量包括冬季支流汇入流量，冬季支流汇入流量使用无资料条件下支流流量推算法进行计算；使用无资料条件下每时太阳辐射量推算法和无资料条件下每时气温推算法进行以小时为时段的太阳辐射计算和气温计算；
S32，根据包括河道过流能力、流量、水位、水温、冰盖厚度和冰盖前沿发展在内的情况，分段率定冰盖平铺上溯模式发展的最大弗劳德数Frc和水力加厚模式发展的最大弗劳德数Frm，确定冰盖的发展模式；
冰盖平铺上溯模式发展的最大弗劳德数Frc表示为：



式中：V为冰盖前沿上游水流的平均流速；H为冰盖前沿的水深；ti为冰块厚度；为系数；li为冰块长度；e为冰块孔隙率；ρ水体的密度；ρi为冰体的密度；g重力加速度；
当弗劳德数超过Frc时，冰块将出现翻转、下潜，冰盖将以水力加厚模式推进，这时冰盖初始厚度h0的计算公式为：



式中，ec＝ep+(1-ep)e，为整个冰块的孔隙率，ep为冰块间空间间隙的孔隙率；上式存在一个最大弗劳德数Frm，当冰盖前沿弗劳德数Fr超过Frm(Fr＞Frm)，冰盖不能向前发展；...

【专利技术属性】
技术研发人员：王涛，郭新蕾，付辉，刘吉峰，潘佳佳，陈玉壮，郭永鑫，李甲振，路锦枝，杨涛，郭卫宁，陈冬伶，范旻昊，
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