[发明专利]一种河湖过渡区水文边界界定方法

权利要求书

1.一种河湖过渡区水文边界界定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，获取研究区河流及湖泊的监测数据，监测数据包括水文数据、河流断面数据、湖底高程数据、气象数据；

步骤2，利用获取的监测数据，建立河湖过渡区一、二维水动力耦合模型，模拟出河湖过渡区流速分布；

步骤3，根据河湖过渡区河流段流速分布模拟结果，建立丰、枯水期河流流速与沿程距离对应关系，拟合出丰水期流速与沿程距离的函数关系方程；

步骤4，对步骤3中建立的丰水期流速与沿程距离的函数关系方程进行二阶求导运算，f″_(x)，令f″_(x)＝0，对函数方程进行求解，找出函数拐点；

步骤5，将拐点坐标对照步骤3中建立的丰、枯水期河流流速与沿程距离对应关系进行验证，识别出发生流速突变的拐点，将流速突变拐点的位置确定为河湖过渡区上边界；

步骤6，根据河湖过渡区流速模拟结果，提取流速线，明确流速分布状况，计算最外侧流速线间的流速梯度；

步骤7，根据步骤6中计算的流速梯度结果，比较流速梯度大小，确定河湖过渡区下边界，河湖过渡区上边界和河湖过渡区下边界共同组成了河湖过渡区的水文边界。

2.根据权利要求1所述的河湖过渡区水文边界界定方法，其特征在于，在步骤1中，还包括以下步骤：

步骤1.1，获取研究区河流及湖泊水文站点一个水文年的水文数据，水文数据包括流量、水位、流速数据；

步骤1.2，获取研究区入湖河流的断面数据，断面数据包括河宽、右岸最低点、左岸最低点、河床最低点数据；

步骤1.3，获取研究区湖泊的湖底高程数据，湖底高程数据为通过DEM高程数据提取的湖泊地形数据；

步骤1.4，获取覆盖研究区的气象站点的气象数据，气象数据包括风速、风向、蒸发量、降水量数据。

3.根据权利要求1所述的河湖过渡区水文边界界定方法，其特征在于，在步骤2中，还包括以下步骤：

步骤2.1，按照如下公式(1)，利用MIKE ZERO软件平台中的MIKE11模块建立河流一维水动力模型，河流水流运动规律符合Saint-Venant方程组，见以下公式(1)，河流水文数据包括模型范围内河流入口端的流量，出口端的水位数据，作为模型边界，河流断面数据作为模型的地形输入地形基础，运转模型，提取河流主要水文站点的水位或流量模拟数据和实测数据进行对比，不断调整模型参数，直至模拟数据与实测数据相吻合，即完成模型的验证；

式中：x、t分别为沿河长距离和时间；Q为流量，单位为m³/s；A为过水断面面积，单位为m²；h为水位，单位为m；R为水力半径，单位为m；C为谢才系数；α为动量校正系数；g为重力加速度；

步骤2.2，利用MIKE ZERO软件平台中的MIKE21模块，建立湖泊二维水动力模型，其水动力过程遵循Navier-Stokes平均方程沿水深积分的连续性方程和动量方程，见以下公式(2)、以下公式(3)和以下公式(4)，水文数据包括湖泊的水位、入湖河流流量和出湖流量作为模型的边界输入，气象数据作为模型蒸发、降水、风力模块的输入，湖底高程数据作为模型的地形基础，提取湖泊水文站点的水位和流量模拟数据与实测数据进行对比，不断调整模型参数，直至模拟数据与实测数据相吻合，即完成模型校验；

连续性方程如以下公式(2)：

动量方程如以下公式(3)、(4)：

式中：t为时间，单位为s；x、y分别为笛卡尔坐标，单位为m；η为水位，单位为m；d为静止水深，单位为m；h＝η+d为总水深，单位为m；u、v分别为x,y方向上的速度分量，单位为m/s；和为沿水深平均的流速，单位为m/s；f为哥氏力系数，ω为地球自转角速度；为当地纬度；g为重力加速度，单位为m/s²；ρ为水的密度，单位为kg/m³；ρ₀为水的相对密度，单位为kg/m³；τ_sx、τ_sy分别为水面风应力张量，单位为Pa；τ_bx、τ_by分别为河床床面应力张量，单位为Pa；pa为大气压，单位为Pa；s_xx、s_xy、s_yy分别为辐射应力分量，单位为Pa；S为源项，单位为kg；u_s、v_s分别为源项水流流速，单位为m/s；横向应力T_xx，T_xy，T_yy包括黏滞阻力、紊流摩擦阻力和差动平流摩擦阻力，单位为Pa，

步骤2.3，根据连接处动量守恒原则，利用MIKE ZERO软件平台中的MIKE FLOOD模块将一维水动力模型和二维水动力模型进行耦合；

步骤2.4，根据“水位～流量”的衔接关系，一维水动力模型水流流向二维水动力模型区域时，由一维水动力模型计算出连接河道末端的流量，并作为源项提供给二维水动力模型连接网格单元，建立河湖过渡区一、二维水动力耦合模型；

步骤2.5，运转河湖过渡区一、二维水动力耦合模型，在输出结果设置中选择Currentspeed输出项，模拟出河湖过渡区流速分布。