平原河道桥群阻水叠加影响量化分析方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种平原河道桥群阻水叠加影响量化分析方法及系统，所述方法包括如下步骤：调取或基于遥感技术对预定区域进行测绘，获取河道和桥群数据，并构建河道和桥墩的三维数字模型；提取桥群数据并根据桥墩截面和桥墩布设方式进行分类，构建桥墩模拟模型，在标准实验流场中对桥墩模型进行测试，获得桥墩截面和桥墩布设方式对水流的影响数据；基于三维数字模型构建预定缩放尺寸的河道和桥群仿真测试模型，进行模拟并获取模拟结果；构建数字孪生模型并训练和模拟，通过与实测数据和模型模拟结果对比，优化数字孪生模型。本发明专利技术缩短了仿真实验的周期，提高了分析精确度，在部分实施案例中取得了较好的经济社会效益。施案例中取得了较好的经济社会效益。施案例中取得了较好的经济社会效益。

【技术实现步骤摘要】
平原河道桥群阻水叠加影响量化分析方法及系统


[0001]本专利技术涉及水利仿真模拟技术，尤其是平原河道桥群阻水叠加影响量化分析方法。

技术介绍

[0002]桥群阻水效应是指在河道上布置多个涉水桥梁时，由于桥墩、桥台等占用过水面积，造成河道局部阻力增大，上游水位升高，下游水位降低，形成桥梁上下游的水位差。桥群阻水效应会影响河道的过流能力、水流结构、河床冲刷、桥梁安全等方面，对行洪安全和河道生态环境造成不利影响。因此，研究桥群阻水效应的规律和影响因素，提出合理的补偿技术和对策，对于保障河道工程的安全运行和可持续发展具有重要意义。
[0003]目前，国内外对于单个涉水桥梁的阻水效应已经进行了较为深入的研究，采用了理论分析、模型试验和数值计算等方法，得到了一些经验公式、计算模型和防护措施。但是，对于桥群叠加阻水效应的研究还比较缺乏，尤其是在复杂的河道条件下，如弯道、变宽、变坡等情况。
[0004]但是，现有的研究方法也存在一些局限性和不足，如理论分析难以考虑多种因素的综合影响，模型试验难以模拟真实的河道形态和桥墩形状，数值计算需要大量的参数和边界条件等，复杂地形和水生植被共同作用下的水流结构和泥沙输运还缺乏系统的研究，如何将基于实验室水槽尺度研究所建立的模型应用于天然河道尺度而不导致严重偏差。
[0005]故需要进行研究创新，以解决现有技术存在的上述问题。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：提供一种平原河道桥群阻水叠加影响量化分析方法和系统，以解决现有技术存在的上述问题。
>[0007]技术方案：根据本申请的一个方面，提供平原河道桥群阻水叠加影响量化分析方法，包括如下步骤：步骤S1、调取或基于遥感技术对预定区域进行测绘，获取河道和桥群数据，并构建河道和桥墩的三维数字模型；步骤S2、提取桥群数据并根据桥墩截面和桥墩布设方式进行分类，构建桥墩模拟模型，在标准实验流场中对桥墩模型进行测试，获得桥墩截面和桥墩布设方式对水流的影响数据；步骤S3、基于三维数字模型构建预定缩放尺寸的河道和桥群仿真测试模型，并读取预存储的河道水文数据进行模拟实验，获取模型模拟结果；步骤S4、构建数字孪生模型并训练，以预定时间段的水文数据作为输入进行数值模拟，并通过与实测数据和模型模拟结果对比，优化数字孪生模型。
[0008]根据本申请的一个方面，所述步骤S1进一步为：步骤S11、判断预定存取的河道和桥群是否存在数字模型，若不存在，采用无人机
遥感技术获取预定分辨率的三维测绘数据并导入图像处理软件，对三维测绘数据进行预处理和格式转换，获得标准输出图像；步骤S12、构建图像分类模型，以标准输出图像作为输入，对河道和桥群图像进行分类，获得至少两类河道图像；步骤S13、从河道图像中提取桥群布设、河道地形和水生植物数据，并为各类河道图像赋予参数，所述参数包括粗糙度、阻力系数和弹性系数；步骤S14、基于含参的河道图像，重构河道和桥墩的三维数字模型并输出。
[0009]根据本申请的一个方面，所述步骤S2进一步为：步骤S21、调取三维数字模型并从中提取桥群数据，根据桥墩截面形状和尺寸以及桥墩布设方式进行分类，所述桥墩布设方式包括单排布设、双排布设和组合布设，所述桥墩截面形状包括圆形、方形、锥形、腰型和复合型；步骤S22、根据分类结果，选择桥墩制作材料并标注缩放参数和雷诺数；所述桥墩制作材料包括木材、高分子塑料和混凝土；步骤S23、逐次将各个桥墩模型安装于标准实验流场中，基于该桥墩模型对应的水文数据调整实验参数，获得各个桥墩在所有工作场景下的模拟数据；所述模拟数据包括作用力、压力分布、水流速度场分布和桥墩处水流加速范围；步骤S24、对模拟数据进行归一化处理，获得桥墩截面和桥墩布设方式对水流的影响数据并存储。
[0010]根据本申请的一个方面，所述步骤S3进一步为：步骤S31、采用三维打印或人工制作技术，基于三维数字模型构建预定缩放尺寸的河道和桥群仿真测试模型，以实现对河道的精确复原，获得更为准确的仿真测试数据；步骤S32、将河道和桥群仿真测试模型安装于测试用试验台，安装实验设备，包括水泵、流速计、压力计和摄像装置，通过控制中心调用河道水文数据并配置河道水流模拟的相关参数；步骤S33、采集实验设备的数据，并进行预处理和时序分析，获得模型模拟结果。
[0011]根据本申请的一个方面，所述步骤S4进一步为：步骤S41、利用根据三维数字模型和桥墩影响数据，构建数字孪生模型，并设置相关的参数和边界条件；步骤S42、采用遗传算法对数字孪生模型进行训练，并利用部分实测数据和模型模拟结果作为训练数据和标签；步骤S43、以预定时间段的水文数据作为输入，对数字孪生模型进行数值模拟，并输出相应的水流参数和桥群阻水叠加效应数据；步骤S44、将数值模拟结果与剩余的实测数据和模型模拟结果进行对比，并计算相应的误差和评价指标，如均方根误差、相关系数等，并根据对比结果优化数字孪生模型。
[0012]根据本申请的一个方面，所述步骤S44还包括：将数值模拟结果与实测结果进行对比分析，评估复杂地形和水生植被的影响因子的合理性和有效性；并利用卷积神经网络对数值计算结果和实测结果进行特征提取，根据特征之间的差异计算误差函数；利用反向传播或随机梯度下降方法对误差函数进行最小化，并根据优化结果调整模型参数。
[0013]根据本申请的一个方面，所述步骤S31还包括：根据相似理论，建立实验室水槽尺度与天然河道尺度之间的相似准则，并根据准则对河道参数进行尺度变换，得到实验模型尺度下的模型参数。
[0014]根据本申请的一个方面，所述步骤S33还包括将模型模拟结果变换到天然河道尺寸并与天然河道的水文数据进行对比分析，根据分析结果对模型参数进行优化。
[0015]根据本申请的一个方面，所述步骤S44中将数值模拟结果与剩余的实测数据和模型模拟结果进行对比的过程还包括：构建动态模拟模型并进行动态模拟，选择至少两个时间因素作为动态变量，设置变量的取值范围和步长，启动动态模拟过程；在模拟过程中查看动态曲线、表格以及动画图，以分析和展示河道水流和桥墩阻水在不同时间下的变化；调用概率分析模块进行概率分析，选择至少两个不确定性因素作为概率变量，设置变量的概率分布和参数，启动概率分析过程；在分析过程中查看概率曲线和表格，计算河道水流和桥墩阻水在不同概率水平下的结果，以及相应的风险指标。
[0016]根据本申请的一个方面，还提供一种平原河道桥群阻水叠加影响量化分析系统，其特征在于，包括：至少一个处理器；以及与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述任一项技术方案所述的平原河道桥群阻水叠加影响量化分析方法。
[0017]有益效果：通过测绘扫描、构建实验模型和数字孪生模型，形成实测、标准实验模拟、高精度仿真模拟和数字模拟等多层模拟，可以根据实测和标准实验仿真模拟的数据对高精度仿真模拟模型的参数进行修正，不断使得高精度仿真模型逼近真实值，因此准确度更高，也避免直接使用仿真模本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.平原河道桥群阻水叠加影响量化分析方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1、调取或基于遥感技术对预定区域进行测绘，获取河道和桥群数据，并构建河道和桥墩的三维数字模型；步骤S2、提取桥群数据并根据桥墩截面和桥墩布设方式进行分类，构建桥墩模拟模型，在标准实验流场中对桥墩模型进行测试，获得桥墩截面和桥墩布设方式对水流的影响数据；步骤S3、基于三维数字模型构建预定缩放尺寸的河道和桥群仿真测试模型，并读取预存储的河道水文数据进行模拟实验，获取模型模拟结果；步骤S4、构建数字孪生模型并训练，以预定时间段的水文数据作为输入进行数值模拟，并通过与实测数据和模型模拟结果对比，优化数字孪生模型。2.如权利要求1所述的平原河道桥群阻水叠加影响量化分析方法，其特征在于，所述步骤S1进一步为：步骤S11、判断预定存取的河道和桥群是否存在数字模型，若不存在，采用无人机遥感技术获取预定分辨率的三维测绘数据并导入图像处理软件，对三维测绘数据进行预处理和格式转换，获得标准输出图像；步骤S12、构建图像分类模型，以标准输出图像作为输入，对河道和桥群图像进行分类，获得至少两类河道图像；步骤S13、从河道图像中提取桥群布设、河道地形和水生植物数据，并为各类河道图像赋予参数，所述参数包括粗糙度、阻力系数和弹性系数；步骤S14、基于含参的河道图像，重构河道和桥墩的三维数字模型并输出。3.如权利要求2所述的平原河道桥群阻水叠加影响量化分析方法，其特征在于，所述步骤S2进一步为：步骤S21、调取三维数字模型并从中提取桥群数据，根据桥墩截面形状和尺寸以及桥墩布设方式进行分类，所述桥墩布设方式包括单排布设、双排布设和组合布设，所述桥墩截面形状包括圆形、方形、锥形、腰型和复合型；步骤S22、根据分类结果，选择桥墩制作材料并标注缩放参数和雷诺数；所述桥墩制作材料包括木材、高分子塑料和混凝土；步骤S23、逐次将各个桥墩模型安装于标准实验流场中，基于该桥墩模型对应的水文数据调整实验参数，获得各个桥墩在所有工作场景下的模拟数据；所述模拟数据包括作用力、压力分布、水流速度场分布和桥墩处水流加速范围；步骤S24、对模拟数据进行归一化处理，获得桥墩截面和桥墩布设方式对水流的影响数据并存储。4.如权利要求3所述的平原河道桥群阻水叠加影响量化分析方法，其特征在于，所述步骤S3进一步为：步骤S31、采用三维打印或人工制作技术，基于三维数字模型构建预定缩放尺寸的河道和桥群仿真测试模型，以实现对河道的精确复原，获得更为准确的仿真测试数据；步骤S32、将河道和桥群仿真测试模型安装于测试用试验台，安装实验设备，包括水泵、流速计、压力计和摄像装置，通过控制中心调用河道水文数据并配置河道水流模拟的相关参...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛万云，吴修锋，吴时强，戴江玉，张宇，查伟，俞雷，张维乐，杨倩倩，田付玮，
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：