本发明专利技术涉及一种考虑水冰沙耦合作用的河冰运动与岸滩侵蚀计算方法，包括：基础条件的输入、运行二维水沙数值模块、水沙要素和河冰要素的计算、将水沙要素和河冰要素，传递给岸滩侵蚀模块、计算水冰沙耦合作用下的岸滩变化、将河冰要素和岸滩变化反馈给二维水沙数值模块，更新水沙要素、重复上述步骤依次计算不同耦合时间的水沙要素、河冰要素和岸滩变化，直至结束时间。本发明专利技术方法能够准确模拟非恒定水流变化、河冰动力过程、非均匀泥沙运动、河床冲淤变化和岸滩侵蚀过程，适用于我国北方河流河冰影响下的岸滩侵蚀研究；考虑自然河流中水、河冰、泥沙和岸滩等多方面因素，更接近工程实践问题，计算结果更加真实可靠，模型功能丰富，计算精度高。
【技术实现步骤摘要】
一种考虑水冰沙耦合作用的河冰运动与岸滩侵蚀计算方法
本专利技术涉及一种考虑水冰沙耦合作用的河冰运动与岸滩侵蚀计算方法，属于水利工程领域。
技术介绍
受季节性的气温变化影响，我国北方河流冬季会出现流凌和冰封现象。极端气候条件下的链式冰塞和冰坝发展和释放过程能导致类似梯级溃坝洪水的灾害，严重危害人民生命财产安全，制约河道两岸的工农业生产，破坏大江大河的防凌减灾部署，威胁冬季输水安全。如黄河、漠河和黑龙江等河流每年都会遇到流凌和不同程度的冰塞冰坝问题。冬季流凌运动能刮擦切蚀岸滩，含沙的冰块甚至能严重刮蚀河岸，引起岸坡崩塌破坏，甚至威胁堤防安全。封河和开河期的冰塞和冰坝过程还能引起河床和岸滩的剧烈侵蚀，进而大幅增加水流含沙量，促进岸坡变陡和崩塌破坏。传统的水沙研究和河流动力学主要分析水流、泥沙和河床的相互作用，忽略了冬季河冰过程对水沙运动和岸滩侵蚀的影响，不能满足北方河流冬季输水安全的需要。传统的河流动力学研究存在如下局限性：第一，不考虑冬季流凌对岸滩的刮擦切蚀作用，不能准确评估河冰影响下的岸滩侵蚀和崩塌过程；第二，忽略极端条件下冰塞冰坝对堤防安全的影响，不能定量计算冰塞冰坝形成、发展和释放过程引起的岸滩侵蚀量；第三，忽略流凌、冰盖及冰塞冰坝与水流运动、泥沙输运、河床变形和岸滩侵蚀的复杂耦合作用，不能准确反映北方河流季节性的河流演变过程。此外，现有的河渠设计流量大部分基于无冰条件下的水位流量资料设计，不能满足极端条件下冰封河流的防洪要求。冬季河道两侧植被覆盖减少，岸滩的冻融变化及干湿循环进一步削弱了河岸的抗侵蚀性，导致北方河流岸滩侵蚀大部分发生在冬季和春初，与河冰影响密切相关。因此，亟需开发一种考虑水冰沙耦合作用的河冰运动与岸滩侵蚀计算方法。
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考虑水冰沙耦合作用的河冰运动与岸滩侵蚀计算方法。所述方法通过耦合二维水沙数值模块、河冰动力学模块和岸滩侵蚀模块，实现了河冰运动与岸滩侵蚀间的水冰沙耦合数值模拟。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种考虑水冰沙耦合作用的河冰运动与岸滩侵蚀计算方法，包括以下步骤：步骤1，基础条件的输入：输入包括地形、坡角、水位、流量、气象资料、模型参数、初始条件及边界条件在内的各个基础条件；步骤2，运行二维水沙数值模块：基于三角形的非结构网格，采用迎风格式的有限元方法求解下述非恒定二维水沙方程组(1)至(5)：其中，x为水流方向；y为横断面方向；t为时间；H是总水深；qtx，qty分别两个方向的单宽流量；N为冰的面密度；t′i为冰在水中的淹没厚度；Ht为冰下有效的过流水深；ρ为水的密度；Txx为沿x方向的水流切应力，作用面法向量为x方向；Txy为沿y方向的水流切应力，作用面法向量为x方向；Tyy为沿y方向的水流切应力，作用面法向量为y方向；Tyx为沿x方向的水流切应力，作用面法向量为y方向；τsx为冰水界面沿x方向的切应力；τsy为冰水界面沿y方向的切应力；τbx为床面与水流沿x方向的切应力；τby为床面与水流沿y方向的切应力；g为重力加速度；η为水面高程；ub为推移质泥沙的运动速度；qb为推移质泥沙的输沙率；α′bx，α′by分别为两个方向考虑岸坡的推移质运动修正系数；α为悬移质的恢复饱和系数；ωs为泥沙颗粒的沉速；C*为悬移质的饱和输沙浓度；C为悬移质的水深平均浓度；p′m为床沙的孔隙率；zb为河床高程；步骤3，水沙要素的计算：通过步骤2计算给定时间的水位、流速、水温、流量、输沙率及床面高程在内的水沙要素；步骤4，河冰要素的计算：利用河冰动力学模块求解方程(6)-(9)，计算包括冰厚、冰速、冰浓度及冰摩擦力在内的河冰要素；M＝ρiNti(8)其中，M为单位面积冰的质量；为冰速向量；为冰内部的相互作用力；为风作用在冰上的力；为水流作用在冰上的力；为重力在水平方向的分力；Em为单位面积冰的增长速率，由热力生长消融或外部源汇控制；Ra为机械作用引起的冰面积变化；Ea为冰面积的热力生长消融速率；步骤5，将步骤3计算得到的水沙要素和步骤4计算得到的河冰要素，传递给岸滩侵蚀模块；步骤6，采用岸滩侵蚀模块计算水冰沙耦合作用下的岸滩变化：所述岸滩变化包括岸滩侵蚀速率、岸坡稳定坡面及崩岸土体再分布位置，对于研究横断面，沿横向进行网格划分，网格点为1，2，i，…NT；Ns为开始失稳的网格点；Nc为临界失稳的网格点；Ne为结束河床调整的网格点；As为崩岸破坏土体面积；Af为崩岸土体重新分布的面积；Δzai为不同网格点崩塌岸滩调整的高程变化；Δzbi为不同网格点崩岸土体再分布后的岸滩调整高程变化；通过方程(10)计算河岸崩塌时失稳土体的面积，利用方程(11)和(12)计算崩岸土体在堤脚再分布的面积及位置；Af＝As(11)步骤7，将步骤4计算的河冰要素和岸滩变化反馈给步骤2所述的二维水沙数值模块，更新水沙要素；步骤8，重复步骤2～7，依次计算不同耦合时间的水沙要素、河冰要素和岸滩变化，直至结束时间。本专利技术的优点和有益效果是：采用基于非结构网格的有限元法计算非恒定水流运动、推移质输沙率和河道冲淤变形，利用无网格的光滑粒子法计算河冰的运动、分布、水力和动力加厚过程，通过给定耦合时间下的信息传递和反馈，调整变化河冰条件下的水流和泥沙过程，进而实现北方河流冰期水冰沙耦合数值模拟。采用基于三角形网格的二维水沙数值模型提供包括水位、流速、水温、水流拖曳力、挟沙力和床面高程在内的水沙要素，再基于二维河冰动力学模块计算包括冰厚、冰速、冰浓度及冰摩擦力在内的河冰要素，最后计算水冰沙影响下的岸滩侵蚀速率、岸坡稳定坡面及崩岸土体再分布位置，将计算结果反馈给二维水沙数值模块，重新计算岸滩和河床变化下水沙运动，准确模拟非恒定水流变化、河冰动力过程、非均匀泥沙运动、河床冲淤变化和岸滩侵蚀过程，能广泛适用于我国北方河流河冰影响下的岸滩侵蚀研究。相比传统的河流动力学研究，本专利技术考虑河冰运动与岸滩侵蚀间的复杂水冰沙耦合作用，应用范围更广。本专利技术考虑自然河流中水、河冰、泥沙和岸滩等多方面因素，更接近工程实践问题，计算结果更加真实可靠，模型功能丰富，计算精度高。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。图1是本专利技术所述考虑水冰沙耦合作用的岸滩侵蚀理论框架图；图2是本专利技术实施例所述考虑水冰沙耦合作用的河冰运动与岸滩侵蚀计算方法的实施流程图；图3是本专利技术实施例岸滩崩塌和失稳土体堤脚再分布过程示意图；图4为本专利技术实施例所述矩形梯形河道断面示意图；图5为本专利技术实施例所述河道拦冰栅前冰塞体分布及河床高程分布图；图6为本专利技术实施例所述河道冰塞引起的河床冲淤变化分布图；图7为本专利技术实施例不同时间两个代表性断面地形高程分布。具体实施方式实施例：本实施例提供了一种考虑水冰沙耦合作用的河本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种考虑水冰沙耦合作用的河冰运动与岸滩侵蚀计算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：/n步骤1，基础条件的输入：输入包括地形、坡角、水位、流量、气象资料、模型参数、初始条件及边界条件在内的各个基础条件；/n步骤2，运行二维水沙数值模块：基于三角形的非结构网格，采用迎风格式的有限元方法求解下述非恒定二维水沙方程组(1)至(5)：/n
【技术特征摘要】
1.一种考虑水冰沙耦合作用的河冰运动与岸滩侵蚀计算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1，基础条件的输入：输入包括地形、坡角、水位、流量、气象资料、模型参数、初始条件及边界条件在内的各个基础条件；
步骤2，运行二维水沙数值模块：基于三角形的非结构网格，采用迎风格式的有限元方法求解下述非恒定二维水沙方程组(1)至(5)：
其中，x为水流方向；y为横断面方向；t为时间；H是总水深；qtx，qty分别两个方向的单宽流量；N为冰的面密度；t′i为冰在水中的淹没厚度；Ht为冰下有效的过流水深；ρ为水的密度；Txx为沿x方向的水流切应力，作用面法向量为x方向；Txy为沿y方向的水流切应力，作用面法向量为x方向；Tyy为沿y方向的水流切应力，作用面法向量为y方向；Tyx为沿x方向的水流切应力，作用面法向量为y方向；τsx为冰水界面沿x方向的切应力；τsy为冰水界面沿y方向的切应力；τbx为床面与水流沿x方向的切应力；τby为床面与水流沿y方向的切应力；g为重力加速度；η为水面高程；ub为推移质泥沙的运动速度；qb为推移质泥沙的输沙率；α′bx，α′by分别为两个方向考虑岸坡的推移质运动修正系数；α为悬移质的恢复饱和系数；ωs为泥沙颗粒的沉速；C*为悬移质的饱和输沙浓度；C为悬移质的水深平均浓度；p′m为床沙的孔隙率；zb为河床高程；
步骤3，水沙要素的计算：通过步骤2计算给定时间的包括水位、流速、水温、流量、输沙率及床面高程在内...
【专利技术属性】
技术研发人员：潘佳佳，郭新蕾，王涛，付辉，李甲振，郭永鑫，余弘婧，施春蓉，路锦枝，杨涛，
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
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