一种基于河道与防洪保护区一体化的溃堤洪水模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种基于河道与防洪保护区一体化的溃堤洪水模拟方法。将河道与防洪保护区作为一个整体进行一体化二维非结构剖分，通过溃口连接器连接河道与防洪保护区，当河道洪水位触发了溃口连接器的溃决条件时，采用堰流公式计算溃口流量，该溃口流量在对应河道单元和防洪保护区单元内作为源项处理，从而实现河道洪水与防洪保护区洪水均采用二维水动力模型进行一体化模拟分析。该方法可以细致考虑堤防内外水动力变化过程对溃口出流的影响，克服现有一、二维模型耦合模拟时遇到的河道水面均化的缺陷，另外溃口连接器物理意义清晰，可方便实现各种溃决方式和溃决情形的计算。本方法为防洪保护区溃堤洪水风险分析提供了一种新的解决方案。的解决方案。的解决方案。

【技术实现步骤摘要】
一种基于河道与防洪保护区一体化的溃堤洪水模拟方法


[0001]本专利技术涉及水利工程领域，尤其涉及防洪减灾领域，具体为一种基于河道与防洪保护区一体化的溃堤洪水模拟方法。

技术介绍

[0002]堤防是防洪工程体系中的重要一环，受到堤防保护的区域称为防洪保护区。对于堤防岸线长、地质条件复杂的地区，堤防建设的防洪标准不够或者堤防质量不达标都有可能造成堤防的溃决问题。堤防一旦溃决，将会给防洪保护区内的人员生命和财产安全造成重大威胁。
[0003]目前，在进行溃堤洪水模拟时一般较多采用水动力模型的方法。在进行溃堤洪水演进模拟时，有两种常见的处理模式，一种是根据溃口出流经验公式提前估算出溃口的出流过程，然后再进行二维水动力模型的演进模拟，这种方法的好处是不需要河道断面数据，可以简化计算的流程，缺陷是根据经验公式估算的溃口出流过程不能准确反映溃口内外水动力的相互影响过程，存在一定的不确定性；第二种处理模式是河道水流采用一维水动力模型模拟，溃堤洪水采用二维水动力模型模拟，一、二维模型之间通过堰流公式进行连接，这种方法的好处是可以考虑溃口内外河道和防洪保护区水流的相互影响，缺点是河道水面本身具有一定的宽度，在溃口发生的河段，水面不在是一平面，横比降非常显著，而一维河道模型不能反映出河道横比降的影响，只能采用河道断面的平均水位值来计算溃口出流过程，会降低溃口出流结果的计算精度。
[0004]近几年，随着计算机数值计算技术和硬件技术的快速发展，二维水动力模型的计算效率有了量级的提升，在此基础上，研究河道和防洪保护区溃决洪水的一体化二维数值模拟方法有重要的学术价值和工程应用价值。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供的一种基于河道与防洪保护区一体化的溃堤洪水模拟方法中，将河道和防洪保护区进行一体化的二维非结构非结构剖分，采用溃口连接器存储各种溃决属性信息，可实现河道洪水和防洪保护区溃决洪水的统一二维模拟，克服现有常规方法的缺陷。
[0006]本专利技术的目的是通过以下方案实现的：
[0007]一种基于河道与防洪保护区一体化的溃堤洪水模拟方法，将河道与防洪保护区作为一个整体进行统一二维非结构剖分，堤防顶部作为设置溃口连接器的区域不参与剖分，在可能溃决堤段，设置溃口连接器，溃口连接器上设置相关的溃决属性，当河道洪水位触发了溃口连接器内存储的溃决条件时，采用堰流公式计算溃口出流量，该溃口出流量在对应河道单元和防洪保护区单元内作为源项处理，从而实现河道洪水与防洪保护区溃决洪水均采用二维水动力模型进行一体化模拟分析，具体步骤如下：
[0008]1)获取基础数据资料：包括河道和防洪保护区地形高程数据、土地利用类型数据、堤防的空间分布数据、堤防险工险段数据、河道上游入流过程数据以及河道下游的水位流
量关系数据；
[0009]2)计算区域网格离散：采用四边形非结构网格对河道和防洪保护区进行空间离散，其中堤防顶部的两条边线作为网格剖分的控制线，控制线离散后的线段称为离散单元的连接边，网格离散的长度控制在10～50m之间，两条控制线之间的区域不参与网格剖分；
[0010]3)溃口连接器设置：根据险工险段的数据在两条控制线之间设置不同数量的溃口连接器，每个溃口连接器属性包括对应的河道单元编号与防洪保护区单元编号、溃决触发水位阈值Z
c
、溃口底高程信息Z
b
、溃口发展历时T
b
和溃口宽度L
b
，溃口宽度L
b
的长度与对应所有河道单元连接边总长度和所有防洪保护区单元的连接边的总长度相等；
[0011]4)模型参数赋值及初始化：根据地形高程数据给四边形非结构网格单元赋值高程信息，利用土地利用类型数据给四边形非结构网格单元赋值糙率值，给河道单元赋值初始水深值和流速值，给防洪保护区单元的初始水深值和流速值均赋值为0；
[0012]5)确定时间步长dt：模型计算采用显格式进行，稳定性受到CFL条件限制，根据当前t时刻各单元的水力要素值获取dt值；获取t时刻河道边界条件值；
[0013]6)洪水过程模拟：采用完整二维浅水方程组统一模拟河道与防洪保护区内洪水的运动，当没有触发溃口连接器的溃决条件时，洪水仅在河道内运动，计算更新河道水力要素值到t+1时刻；当溃口连接器对应的河道单元平均水位值达到了设置的溃决水位阈值时触发溃决，溃口的溃决模式默认为瞬时溃决，溃口为矩形，此时根据该溃口连接器对应的河道单元和防洪保护区单元水位的平均值采用堰流公式计算溃口出流量Q
b
，然后根据溃口连接器对应的每个河道单元的连接边长占溃口宽度的权重计算各单元出流量Q
bi
，公式如下：
[0014][0015]式中，Q
bi
为与溃口连接器对应的第i个河道单元的出流量，L
i
为与溃口连接器对应的第i个河道单元的连接边长；
[0016]再根据溃口连接器对应的每个防洪保护区单元连接边长占溃口宽度的权重计算单元出流量Q
bj
，具体公式如下：
[0017][0018]式中，Q
bj
为与溃口连接器对应的第j个防洪保护区单元的入流量，L
j
为与溃口连接器对应的第j个防洪保护区单元的连接边长；
[0019]Q
bi
和Q
bj
在各自单元的连续方程求解中作为源项处理，溃决条件触发后，河道和防洪保护区均有洪水运动，计算更新河道和防洪保护区单元的水力要素值到t+1时刻；
[0020]7)更新t＝t+dt，重复步骤5)～6)直至计算结束。
[0021]进一步的优化，步骤3)中，溃口连接器可以通过设置的溃决触发水位阈值Z
c
来模拟不同的溃决情形，如Z
c
大于等于堤顶高程，则可以模拟漫顶溃决模式，如Z
c
小于堤顶高程，则可以模拟管涌和白蚁破坏等溃决模式。
[0022]进一步的，步骤3)中如果T
b
为0，则溃口为瞬时溃决，如果T
b
大于0，则溃口为逐渐溃决。
[0023]进一步的，步骤6)中，采用的完整二维浅水方程组的守恒形式如下：
[0024][0025]式中：
[0026]h为水深，u，v分别为x，y方向的流速，t为时间，分别x，y方向的坡度，Z
b
为地面高程，g为重力加速度，
[0027]分别为x，y方向的摩阻项，其中n为Manning糙率系数，q为单位面积的入流量。
[0028]采用具有良好激波捕捉能力的Godunov格式离散该方程组构建二维水动力模型。
[0029]进一步的步骤6)中，当溃口连接器被触发时采用的堰流公式如下：
[0030]堰流公式的具体形式如下：
[0031][0032]式中，h
up
＝Z
up
‑
Z
b
；h
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于河道与防洪保护区一体化的溃堤洪水模拟方法，其特征在于：将河道与防洪保护区作为一个整体进行统一二维非结构剖分，堤防顶部作为设置溃口连接器的区域不参与剖分，在可能溃决堤段，设置溃口连接器，溃口连接器上设置相关的溃决属性，当河道洪水位触发了溃口连接器内存储的溃决条件时，采用堰流公式计算溃口出流量，所述溃口出流量在对应河道单元和防洪保护区单元内作为源项处理，实现河道洪水与防洪保护区溃决洪水均采用二维水动力模型进行一体化模拟分析，具体步骤如下：1)获取基础数据资料：包括河道和防洪保护区地形高程数据、土地利用类型数据、堤防的空间分布数据、堤防险工险段数据、河道上游入流过程数据以及河道下游的水位流量关系数据；2)计算区域网格离散：采用四边形非结构网格对河道和防洪保护区进行空间离散，其中堤防顶部的两条边线作为网格剖分的控制线，控制线离散后的线段称为离散单元的连接边，网格离散的长度控制在10～50m之间，两条控制线之间的区域不参与网格剖分；3)溃口连接器设置：根据险工险段的数据在两条控制线之间设置不同数量的溃口连接器，每个溃口连接器属性包括对应的河道单元编号与防洪保护区单元编号、溃决触发水位阈值Z
c
、溃口底高程信息Z
b
、溃口发展历时T
b
和溃口宽度L
b
，溃口宽度L
b
的长度与对应所有河道单元连接边总长度和所有防洪保护区单元的连接边的总长度相等；4)模型参数赋值及初始化：根据地形高程数据给四边形非结构网格单元赋值高程信息，利用土地利用类型数据给四边形非结构网格单元赋值糙率值，给河道四边形非结构网格单元赋值初始水深值和流速值，给防洪保护区四边形非结构网格单元的初始水深值和流速值均赋值为0；5)确定时间步长dt：模型计算采用显格式进行，稳定性受到CFL条件限制，根据当前t时刻各单元的水力要素值获取dt值；获取t时刻河道边界条件值；6)洪水过程模拟：采用完整二维浅水方程组统一模拟河道与防洪保护区内洪水的运动，当没有触发溃口连接器的溃决条件时，洪水仅在河道内运动，计算更新河道水力要素值到t+1时刻；当溃口连接器对应的河道单元平均水位值达到了设置的溃决水位阈值时触发溃决，溃口的溃决模式默认为瞬时溃决，溃口为矩形，此时根据该溃口连接器对应的河道单元和防洪保护区单元水位的平均值采用堰流公式计算溃口出流量Q
b
，然后根据溃口连接器对应的每个河道单元的连接边长占溃口宽度的权重计算各单元出流量Q
bi
，公式如下：式中，Q
bi
为与溃口连接器对应的第i个河道单元的出流量，L<...

【专利技术属性】
技术研发人员：张大伟，褚明华，张诚，冯新政，刘慧文，
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：