【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及河网水动力模拟，尤其涉及基于水动力模拟的河网安全评估方法和系统。
技术介绍
1、河网是流域内各种水体构成脉络相通系统的总称，具体包含山区河网、平原河网、三角洲感潮河网，以及城市河、渠网等多种类型。河网的水动力模拟是支撑防洪排涝、航道整治、水质水污染预警等工作的重要内容。河网的复杂性表现在其空间结构的复杂性和水流流态的复杂性两个方面。山区河网一般为树状河网，而平原河网的河道纵横交错，其空间结构更加复杂。此外山区河网由于较大的坡度，常出现急、缓交互的复杂水流流态，给模型的数值精度提出了较高的要求。目前一些河网由于潮汐的顶托作用常出现水流往复运动的复杂流态，受河网潮汐相位差异影响，河网分叉口分流比动态变化甚至出现流向变化。现有技术中，水动力计算效率低、计算精确度低、复杂流态求解难度高。
技术实现思路
1、以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
2、本专利技术实施例提供了基于水动力模拟的河网安全评估方法和系统，有效地提高了水动力计算效率，提高了计算精确度，降低了复杂流态求解难度。
3、一方面，本专利技术实施例提供了基于水动力模拟的河网安全评估方法，包括以下步骤：
4、获取河网中河段数据和汊点数据；
5、对所述河段数据和所述汊点数据进行预处理，得到河网单元，所述河网单元包括河段单元和汊点单元；
6、根据所述河网单元，计算汊点水位与汊点面积关系、汊点水位与汊点水量关系和所述汊点单元与相
7、根据所述河网单元和所述方向向量，计算河段在汊点处的边界流速，所述边界流速用于为河段模拟提供边界条件，所述边界条件还包括汊点水位与汊点面积关系和汊点水位与汊点水量关系；
8、根据天然河道浅水方程和所述边界条件，计算河段变量，所述河段变量包括河段水位和河段流量；
9、根据二维浅水方程和二维计算单元，计算汊点变量，所述汊点变量包括汊点水深流速、汊点水位和汊点流量，所述二维计算单元由所述汊点单元概化得到；
10、根据所述河段变量和所述汊点变量，得到水动力模拟后的河网安全评估结果。
11、在一些实施例中，所述对所述河段数据和所述汊点数据进行预处理，得到河网单元，包括：
12、对所述河段数据和所述汊点数据进行概化处理，得到河网中河段与上下游汊点、汊点与相连接河段的拓扑关系；
13、对所述拓扑关系进行划分处理，得到所述河段单元和所述汊点单元，所述河段单元与相邻的所述河段单元之间存在内部界面，所述河段单元与相连接的所述汊点单元之间存在外部界面。
14、在一些实施例中，所述根据所述河网单元，计算汊点水位与汊点面积关系、汊点水位与汊点水量关系和所述汊点单元与相连所述河段单元的方向向量，包括：
15、根据与所述汊点单元相连的河段边界界面中心位置和所述汊点单元的中心位置，计算所述汊点单元与相连所述河段单元的所述方向向量；
16、根据所述河网单元和水深，计算在预设水深下河道断面的淹没点；
17、根据所述淹没点，通过沿所述汊点单元与相连所述河段单元的所述方向向量的方向进行投影，得到相交点；
18、根据所述淹没点和所述相交点，计算汊点面积，所述汊点面积用于获得汊点水位与汊点面积关系；
19、根据所述汊点面积和第一水位，通过沿水深方向进行积分计算汊点水量，所述汊点水量用于获得汊点水位与汊点水量关系。
20、在一些实施例中，所述根据所述河网单元和所述方向向量，计算河段在汊点处的边界流速，包括：
21、根据所述汊点单元处具有x、y方向的水流流速，通过沿所述汊点单元与相连所述河段单元的所述方向向量的方向进行投影，计算河段在汊点处的所述边界流速。
22、在一些实施例中，所述根据天然河道浅水方程和所述边界条件，计算河段变量，包括：
23、对天然河道浅水方程进行转换处理，得到一维浅水方程，所述一维浅水方程用于作为河段模拟的控制方程；
24、根据所述一维浅水方程和所述边界条件，通过有限体积法对所述河段单元进行守恒计算，得到所述河段水位和所述河段流量；
25、其中，所述一维浅水方程的计算公式如下：
26、
27、式中，sf＝n2q|q|/(a2r43)，t为时间，x为距离，u为守恒变量构成的矢量，f为通量，s为源项，a为过水断面面积，q为所述河段流量，i1为静水压力项，g为重力加速度，sf为摩阻项，r为水力半径，t为所述河段水位，n为曼宁糙率系数。
28、在一些实施例中，所述有限体积法的执行步骤包括：
29、根据muscl方法，获得空间二阶精度界面的状态变量，所述状态变量包括左侧变量和右侧变量；
30、根据所述状态变量，使用近似黎曼算子求解通过界面的数值通量；
31、根据所述的数值通量，对所述河段单元进行质量、动量守恒计算，获取下一个时间步更新后的单元中心变量，所述单元中心变量用于通过runge-kutta或muscl-hancock方法获得时间二阶精度。
32、在一些实施例中，所述二维计算单元的变量包括汊点水位、x方向流速和y方向流速，所述二维计算单元用于将与所述汊点单元相连所述河段单元的边界界面作为所述汊点单元的界面，所述二维计算单元还用于采用二维浅水方程作为控制方程，并通过有限体积法进行求解操作。
33、在一些实施例中，所述汊点水位与汊点面积关系的计算公式如下：
34、
35、式中，area|z为在预设水位z下的汊点面积，x为所述相交点的横坐标，y为所述相交点的纵坐标，n为与所述汊点单元相连的所述河段单元总数；
36、所述汊点水位与汊点水量关系的计算公式如下：
37、
38、式中，v|z为在预设水位z下的汊点水量，area|z为所述汊点面积。
39、在一些实施例中，所述二维浅水方程的计算公式如下：
40、
41、式中，为时间，x为横坐标方向，y为纵坐标方向，u为守恒变量构成的矢量，e为在x方向的通量，s为在y方向的通量，s为源项，h为水深，u为在x方向的汊点水深流速，v为在y方向的汊点水深流速，g是重力加速度，qin是入流项，sfx为在x方向上的摩阻坡度，sfy为在y方向上的摩阻坡度，n为曼宁糙率系数。
42、另一方面，本专利技术实施例提供了基于水动力模拟的河网安全评估系统，包括：
43、第一模块，用于获取河网中河段数据和汊点数据；
44、第二模块，用于对所述河段数据和所述汊点数据进行预处理，得到河网单元，所述河网单元包括河段单元和汊点单元；
45、第三模块，用于根据所述河网单元，计算汊点水位与汊点面积关系、汊点水位与汊点水量关系和所述汊点单元与相连所述河段单元的方向向量；
46、第四模本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于水动力模拟的河网安全评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于水动力模拟的河网安全评估方法，其特征在于，所述对所述河段数据和所述汊点数据进行预处理，得到河网单元，包括：
3.根据权利要求1所述的基于水动力模拟的河网安全评估方法，其特征在于，所述根据所述河网单元，计算汊点水位与汊点面积关系、汊点水位与汊点水量关系和所述汊点单元与相连所述河段单元的方向向量，包括：
4.根据权利要求1所述的基于水动力模拟的河网安全评估方法，其特征在于，所述根据所述河网单元和所述方向向量，计算河段在汊点处的边界流速，包括：
5.根据权利要求1所述的基于水动力模拟的河网安全评估方法，其特征在于，所述根据天然河道浅水方程和所述边界条件，计算河段变量，包括：
6.根据权利要求5所述的基于水动力模拟的河网安全评估方法，其特征在于，所述有限体积法的执行步骤包括：
7.根据权利要求1所述的基于水动力模拟的河网安全评估方法，其特征在于，所述二维计算单元的变量包括汊点水位、x方向流速和y方向流速，所述二维计算单元用于
8.根据权利要求1所述的基于水动力模拟的河网安全评估方法，其特征在于，所述汊点水位与汊点面积关系的计算公式如下：
9.根据权利要求1所述的基于水动力模拟的河网安全评估方法，其特征在于，所述二维浅水方程的计算公式如下：
10.基于水动力模拟的河网安全评估系统，其特征在于，包括：
...【技术特征摘要】
1.基于水动力模拟的河网安全评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于水动力模拟的河网安全评估方法，其特征在于，所述对所述河段数据和所述汊点数据进行预处理，得到河网单元，包括：
3.根据权利要求1所述的基于水动力模拟的河网安全评估方法，其特征在于，所述根据所述河网单元，计算汊点水位与汊点面积关系、汊点水位与汊点水量关系和所述汊点单元与相连所述河段单元的方向向量，包括：
4.根据权利要求1所述的基于水动力模拟的河网安全评估方法，其特征在于，所述根据所述河网单元和所述方向向量，计算河段在汊点处的边界流速，包括：
5.根据权利要求1所述的基于水动力模拟的河网安全评估方法，其特征在于，所述根据天然河道浅水方程和所述边界条件，计算河段变量，包括：
【专利技术属性】
技术研发人员：黄本胜，董柏良，谭超，赵璧奎，黄锋华，高帅领，
申请(专利权)人：广东省水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：
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