一种河道口门区水流特性模型分析方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种河道口门区水流特性模型分析方法及系统，涉及弯曲分汊河道建模技术领域，该方法包括：获取河道口门区的分汊河道数量，根据水面的纵比降，区分主分汊和副分汊，获取所述主分汊的主水流信息和多个所述副分汊的副水流信息；建立河道口门区的水流特性模型，并根据所述主水流信息和每个所述副水流信息，从所述主分汊和多个所述副分汊中，找出水流最可能流向的分汊；获取水流经过弯曲河道时，水流的弯曲水流信息；根据弯曲水流信息，调整所述水流特性模型，结合所述主水流信息和所述副水流信息，动态调整水流最可能流向的分汊，最终完成弯曲河道口门区的水流特征分析。通过本发明专利技术，能够为船舶航行提供安全保障。能够为船舶航行提供安全保障。能够为船舶航行提供安全保障。

【技术实现步骤摘要】
一种河道口门区水流特性模型分析方法及系统


[0001]本专利技术属于弯曲分汊河道建模
，更具体地，涉及一种河道口门区水流特性模型分析方法及系统。

技术介绍

[0002]随着我国综合国力的提升，我国的港口航道的建设已经趋于饱和的状态，但是对于内河航道的建设大多发生在60年代，因此很多内陆的水利枢纽面临重新改造的需求，尤其是在复杂地形上兴建的水利枢纽——弯曲分汊河流。同样，在水利工程中建造的发电建筑物和通航建筑物也在不断增加，而在复杂地形—弯曲分汊河段建立通航建筑物显得尤其重要。弯曲分汊河道的水流条件相对复杂，水流不仅受到弯道的离心力的作用，而且也容易受到河流分汊带来的影响，现有的对弯曲河道的研究和分汊河道的研究已经有很多，但是他们大多是研究的单一弯道或者是单一分汊河段的研究；很少有人研究在弯曲分汊河道情况，对这方面的研究还不够完善，所以对弯曲分汊河段的口门区的通航水流条件进行研究，探索弯曲分汊河道的同行水流特性，以及提出能够改善弯曲河道口门区通航水流条件的有效措施具有很重要的实际意义和工程价值。
[0003]弯曲河道的水流主要受到河床的形态变化的影响，例如：地形、岸坡和流量。同时，顺直形的河道又与弯曲分汊河道的水流变化不同，主要的原因就是由于边界条件的不同导致的。在弯道处最容易产生的特殊的水流现象之一就是横向环流，由于水流在竖直方向上存在侧向压力梯度，底部水流向内侧流动，表层水流向外侧流动，靠近河岸处将形成平衡性垂向流速分量。该流速分量在在凹岸方向向下，凸岸方向向上，从而形成对弯道环流。
[0004]研究弯曲河段水流的主要方法包括理论分析、物理模型试验和数值模拟计算等。1986年英国的河道防洪设施机构分别针对明渠水流和弯道水流进行了长期的试验研究，得到了大量的试验数据，为弯道水流的进一步研究提供了详细的参考。Kyong等在韩国建筑技术研究所修建了“S”形的弯道模型，通过试验对弯道水流的水力特性进行研究，并对泥沙在连续弯道水流中的掺混作用进行了深入的研究，发现横向掺混和纵向掺混作用与弯道环流的产生、发展和演变有很大的关系。
[0005]分流区和汇流区是分汊河段水流运动最显著的特征。分流区的分流点是变化的，一般是高水位下移、低水位上提，类似于弯道顶冲部位的变化，这是由水流动量的大小与河道平面形态共同决定的；自分流点起水流分为左右两支，而流线的弯曲方向往往相反，且表层流线比较顺直，而底层流线由于受到地形的影响往往比较弯曲；分流区的纵比降往往是支汊小于主汊；分流区的断面平均流速逐渐减小，断面上的等速线有两个高速区，靠近主汊的一侧流速最大，靠近支汊的一侧次之。对于汇流区的水位，支汊一侧水位也高于主汊一侧水位，水位沿程降低，主汊一侧比支汊一侧降低的更快一些，因而其纵比降是主汊一侧高于支汊一侧。同时需要注意，由于两岸存在水位差，故汇流区同样存在横降比。汇流区的断面平均流速沿程增大，来自主汊一侧和支汊一侧的垂线平均流速也加大，但是主汊一侧大于支汊一侧。
[0006]针对分汊河道的研究也有很多，Taylor通过试验研究了分流比和水深比的关系，Grace等人研究了在不同主汊、支汊宽度比和不同分汊角度的情况下分流比的变化规律，此外还有Law，Ramamurthy等人从能量的角度通过分汊水槽对分流分沙比例进行了定性研究，结合概化模型试验以及理论分析，王伟峰研究了关于弯曲分汊河道内边滩和洲头低滩的演变机理，以及弯曲分汊河道内水流紊动特性。顾莉构建了顺直型分汊河道的物理模型试验系统，对不同汊道宽度比和上游流量对于水流在分汊河道内紊动能分布的影响进行了系统的探究。
[0007]综上所述，有关弯曲分汊河道的水流动力研究已有不少，同时国内外的学者对弯曲河道的水流流速分布以及分汊河道的水流的运动规律方面也做了大量的研究工作，并且取得了较为显著的成果，但是目前很少有学者把弯曲河道和分汊河道相结合，研究弯曲分汊河道的水流特性，在这方面的研究成果相对较少。

技术实现思路

[0008]为解决以上技术问题，本专利技术提出一种河道口门区水流特性模型分析方法，包括：
[0009]获取河道口门区的分汊河道数量，根据水面的纵比降，区分主分汊和副分汊，获取所述主分汊的主水流信息和多个所述副分汊的副水流信息，其中所述主水流信息包括：主分汊水流量、主分汊宽度、主分汊水位差、主分汊糙率，所述副水流信息包括：副分汊水流量、副分汊宽度、副分汊水位差、副分汊糙率；
[0010]建立河道口门区的水流特性模型，并根据所述主水流信息和每个所述副水流信息，从所述主分汊和多个所述副分汊中，找出水流最可能流向的分汊；
[0011]获取水流经过弯曲河道时，水流的弯曲水流信息，其中所述弯曲水流信息包括：弯曲水流量、弯曲水位差、曲度；根据所述弯曲水流信息，调整所述水流特性模型，结合所述主水流信息和所述副水流信息，动态调整水流最可能流向的分汊，最终完成弯曲河道口门区的水流特征分析。
[0012]进一步的，所述水流特性模型为：
[0013][0014]其中，w为所述主分汊糙率，p为所述主分汊水流量，m为所述主分汊水位差，q为所述主分汊宽度，R
i
为所述副分汊糙率，a
i
为所述副分汊水流量，b
i
为所述副分汊水位差，c
i
为所述副分汊宽度，i为第i个副分汊；
[0015]所述m和b
i
为正数，当f大于1时，水流最可能流向的主分汊，当f小于1时，水流最可能流向的与相对于的副分汊。
[0016]进一步的，根据所述弯曲水流信息，调整所述水流特性模型，具体包括：所述副分汊为弯曲副分汊，则：
[0017][0018]其中，l为所述弯曲水流量，n为所述弯曲水位差，δ为所述曲度，k为第k个所述曲度。
[0019]进一步的，根据所述弯曲水流信息，调整所述水流特性模型，具体包括：所述主分汊为弯曲主分汊，则：
[0020][0021]其中，l为所述弯曲水流量，n为所述弯曲水位差，δ为所述曲度。
[0022]进一步的，还包括：持续训练所述水流特性模型，预测新的河流的口门区的水流特征。
[0023]本专利技术还提出一种河道口门区水流特性模型分析系统，包括：
[0024]获取河道信息模块，用于获取河道口门区的分汊河道数量，根据水面的纵比降，区分主分汊和副分汊，获取所述主分汊的主水流信息和多个所述副分汊的副水流信息，其中所述主水流信息包括：主分汊水流量、主分汊宽度、主分汊水位差、主分汊糙率，所述副水流信息包括：副分汊水流量、副分汊宽度、副分汊水位差、副分汊糙率；
[0025]建立水流特性模型模块，用于建立河道口门区的水流特性模型，并根据所述主水流信息和每个所述副水流信息，从所述主分汊和多个所述副分汊中，找出水流最可能流向的分汊；
[0026]水流特征分析模块，用于获取水流经过弯曲河道时，水流的弯曲水流信息，其中所述弯曲水流信息包括：弯曲水流量、弯曲水位差、曲度；根据所述弯曲水流信息，调整所述水流特性模型，结合所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种河道口门区水流特性模型分析方法，其特征在于，包括：获取河道口门区的分汊河道数量，根据水面的纵比降，区分主分汊和副分汊，获取所述主分汊的主水流信息和多个所述副分汊的副水流信息，其中所述主水流信息包括：主分汊水流量、主分汊宽度、主分汊水位差、主分汊糙率，所述副水流信息包括：副分汊水流量、副分汊宽度、副分汊水位差、副分汊糙率；建立河道口门区的水流特性模型，并根据所述主水流信息和每个所述副水流信息，从所述主分汊和多个所述副分汊中，找出水流最可能流向的分汊；获取水流经过弯曲河道时，水流的弯曲水流信息，其中所述弯曲水流信息包括：弯曲水流量、弯曲水位差、曲度；根据所述弯曲水流信息，调整所述水流特性模型，结合所述主水流信息和所述副水流信息，动态调整水流最可能流向的分汊，最终完成弯曲河道口门区的水流特征分析。2.如权利要求1所述的一种河道口门区水流特性模型分析方法，其特征在于，所述水流特性模型为：其中，w为所述主分汊糙率，p为所述主分汊水流量，m为所述主分汊水位差，q为所述主分汊宽度，R
i
为所述副分汊糙率，a
i
为所述副分汊水流量，b
i
为所述副分汊水位差，c
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为所述副分汊宽度，i为第i个副分汊；所述m和b
i
为正数，当f大于1时，水流最可能流向的主分汊，当f小于1时，水流最可能流向的与相对于的副分汊。3.如权利要求2所述的一种河道口门区水流特性模型分析方法，其特征在于，根据所述弯曲水流信息，调整所述水流特性模型，具体包括：所述副分汊为弯曲副分汊，则：其中，l为所述弯曲水流量，n为所述弯曲水位差，δ为所述曲度，k为第k个所述曲度。4.如权利要求2所述的一种河道口门区水流特性模型分析方法，其特征在于，根据所述弯曲水流信息，调整所述水流特性模型，具体包括：所述主分汊为弯曲主分汊，则：其中，l为所述弯曲水流量，n为所述弯曲水位差，δ为所述曲度。5.如权利要求1所述的一种河道口门区水流特性模型分析方法，其特征在于，还包括：持续训练所述水流特性模型，预测新的河流的口门区的水流特征。6.一种河道口门区水流特性模型分析系统，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：周丁，安小刚，陈明慧，李元博，王俊文，
申请(专利权)人：交通运输部水运科学研究所，
类型：发明
国别省市：