[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

说明书

本发明涉及一种河‑湖‑泵站相互影响作用下的河道水面线计算方法，是将泵站作为河道和湖泊的内边界条件，其中内边界条件大小由泵站的约束条件决定，利用有限体积方法数值求解河道一维水流流动和湖泊二维浅水水流流动，并将计算的水流参数同泵站的约束条件进行对比，动态修改泵站的内边界条件，成功的解决了如何求解河‑湖‑泵站三者相互影响作用下的水面线的问题。通过本发明获得的结果此方法有明确的物理意义，且能够较快速精确地计算河‑湖‑泵站三者相互影响作用下的水面线。

技术领域

本发明属于计算水力学领域，尤其涉及河-湖-泵站复杂系统下的河道水面线计算方法。

背景技术

人类为了方便自己而对河流的改造会对河流形态和流态产生巨大的影响，从而在经历洪水时使河道水面线发生巨大的变化。水面线的计算是计算水力学的重要内容，是河道整治的基础工作,其推算结果直接影响到河道断面的规划设计,进而影响到河道整治的工程量和工程造价。水面线的计算结果偏低会导致堤防建设防水效果较差，洪水来临时无法起到堤防应有的作用；计算结果较高会导致堤防建设偏高，增加建设成本。总之，正确的求解河道水面线在河流治理和岸边防护等方面有着不可忽视的意义。

近年来，我国建设了多项长距离、跨流域、跨地区的长距离调水工程，例如南水北调东线工程采用梯级泵站提水方式将长江流域的水运往华北地区。受泵站约束条件和配水量等因素的变化，梯级泵站输水过程中水位、流量一直处于动态变化中；水位、流量的变化反过来又会约束泵站的抽水能力，影响河道的水流流态。因此，准确、科学的求解梯级泵站系统作用下的水面线是一个难题。目前，常用的方法是静态水量方法，不考虑泵站抽水过程中河道中水体的动态变化，没有将河-湖-泵站复杂系统耦合起来计算，计算的结果精度很低，可靠性较低。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种考虑河-湖-泵站相互影响作用下的河道水面线计算方法。河道水流模拟采用采用Godunov格式的有限体积法求解守恒形式的一维圣维南方程组，对于不规则的河道断面，提出了采用复化Simpson公式计算天然河道下任意不规则断面的静水压力的方法。湖泊水流流动模拟采用适用于复杂地形条件的二维浅水水流高精度数学模型，根据半隐式格式的构造方法，推导了摩阻源项的半隐式离散格式，增加了数值模型的稳定性。泵站布置在河道和湖泊之间，成梯级分布；泵站的抽水量受到其约束条件限制，包括水位约束条件、扬程约束条件和流量约束条件。泵站的抽水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；同时，河道和湖泊数学模型计算的泵站前后水位和流量值又会约束泵站的抽水量，河-湖-泵站三者相互约束。此方法有明确的物理意义，且能够较快速精确地计算河-湖-泵站三者相互影响作用下的水面线。

本发明的技术方案为一种河-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；