[发明专利]一种河-湖-泵站相互影响作用下的河道水面线计算方法

权利要求书

1.一种河-湖-泵站相互影响作用下的河道水面线计算方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1，收集资料：收集河道、湖泊的地形资料和水文数据，包括水深、水位、流速、河道流量；根据实际需求确定泵站机组最大数量限制条件；根据泵站的性能确定泵站约束条件，包括泵站特征水位变化范围约束条件、泵站特征扬程变化范围约束条件；根据泵站约束条件和已有实测流量、泵站扬程资料，拟合出泵站扬程-流量变化曲线；

步骤2，数值计算：泵站将河道分为若干段，将泵站的抽水流量作为河道一维数学模型和湖泊二维浅水数学模型的内边界条件，泵站上游河道将泵站抽水流量作为下边界条件，泵站下游河道将泵站抽水流量作为上边界条件；采用数值离散方法数值模拟河道水流流动和湖泊水流流动，得到河道和湖泊的水位、流速、流量三个水流参数；

步骤3，判断泵站约束条件：根据步骤2数值模拟得到的泵站上游和下游水位计算泵站扬程，判断扬程是否满足泵站约束条件，若满足约束条件，根据扬程-流量变化曲线计算得到泵站最新的抽水流量；若不满足，根据泵站扬程约束条件的最大值计算泵站抽水流量；

步骤4，再次数值计算：根据步骤3得到的泵站抽水量作为数学模型的新的内边界条件，返回步骤2，重新采用数值离散方法求解河道水流流动和湖泊水流流动，得到新的水位、水深、流速三个水流参数；

步骤5，数据输出和处理数据步骤。

2.根据权利要求1所述的一种河-湖-泵站相互影响作用下的河道水面线计算方法，其特征在于，步骤2中数值离散的具体操作方法如下：

步骤2.1、将计算区域进行网格剖分；

步骤2.2、输入相关计算参数，包括计算区域长度、计算结束时间、时间步长、河床曼宁系数；

步骤2.3、初始化：给定计算区域初始值，区域初始值包括水深、流速；

步骤2.4、确定河道和湖泊入流、出流边界条件；

步骤2.5、泵站的约束条件作为模型计算的边界条件，泵站的抽水流量作为河道的内边界条件，泵站将河道分为若干个河道，泵站上游河道将泵站抽水流量作为下边界条件，泵站下游河道将泵站抽水流量作为上边界条件；

步骤2.6、采用一维数值模型对每个河道分别进行数值求解，湖泊采用二维数学模型进行数值求解，对任意网格控制体采用有限体积Godunov格式对控制方程进行积分，运用格林公式将对流通量梯度项由控制体的面积分转化为沿其边界的线积分；

河道一维圣维南控制方程组为：

其中，t表示时间变量，B表示河道水面宽度，z表示水位，x表示沿着河道深泓线的坐标，A表示过水断面面积；Q表示流量；q_in表示旁侧入流单宽流量，若不考虑旁侧入流，可设置为零；g表示重力加速度；S_b表示河床斜率，z_b表示河床高程；S_f表示沿程阻力损失，n表示曼宁糙率系数，R＝A/P表示水力半径，P表示湿周，gI₁代表静水压力；

一维数值模型更新水位、流速、流量的公式如下：

式中，i表示控制体编号，n表示计算时间层，Δt表示计算时间步长，Δx表示控制体间距；当控制体编号i位于泵站所在位置时，需采用泵站的抽水流量作为边界条件；

湖泊二维浅水数学模型的控制方程为：

其中，x表示沿着河道深泓线的坐标，y表示沿河道横向方向，g表示重力加速度，z_b表示河床高程；n表示曼宁糙率系数，h表示水深，u，v分别代表x、y方向上的流速，水位z＝h+z_b；

二维数值模型更新水位、流速、流量的公式如下：

式中，i表示x方向控制体编号，j表示y方向控制体编号，n表示计算时间层，Δt表示计算时间步长，Δx表示x方向控制体间距，Δy表示y方向控制体间距,流量

步骤2.7、根据步骤2.3的初始条件、步骤2.4和2.5的边界条件以及2.6的控制方程，采用有限体积方法进行数值求解，计算得到河道和湖泊水深、水位、流速三个水流参数；

步骤2.8循环步骤2.4至2.7，直至满足计算时间和精度要求，输出和处理数据。