[发明专利]一种基于水动力学模拟的灌区渠网输配水优化调控方法

权利要求书

1.一种基于水动力学模拟的灌区渠网输配水优化调控方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1：构建渠网水动力学模拟模型；

S2：基于渠网水动力学模拟模型，采用结合矢通量分裂格式和双时间步法的有限体积法，求解圣维南方程组；

S3：基于求解的圣维南方程组，构建灌区渠网输配水优化调控模型；

S4：采用遗传算法求解灌区渠网输配水优化调控模型；

S5：针对某一灌区，按照上述步骤计算生育期内每一次灌水的优化调控方案，完成灌区渠网输配水的优化调控。

2.根据权利要求1所述的基于水动力学模拟的灌区渠网输配水优化调控方法，其特征在于，所述S1中采用渠道一维圣维南方程组和渠道连接节点的质量与动量守恒方程，包括以下公式：

基于断面流速平均假设，利用圣维南方程组描述渠道水流运动过程，取水位ζ和流量Q为因变量的向量形式的一维圣维南方程组描述渠道水流运动过程，公式如下所示：

其中，U为因变量向量，F为对流通量项，t为时间坐标，x为空间坐标，S_ζ为水力坡度项，S_f为摩阻项，S_in为入渗项，S_p为分水项，为求偏导；

上式的向量表达形式如下所示：

其中，A为渠段的过流断面面积，Ω为分水口的自由水面面积，h为水深，u为流速，I为地表水入渗系数，g为重力加速度，n为曼宁糙率系数，R为水力半径，i为渠段，N为渠段数，为符号函数，Q_i为从渠段i的分水汊点流出/入的流量；

渠道连接节点水流的质量守恒方程向量形式为

A_mδζ＝R

其中，A_m为质量守恒方程的系数矩阵，R为所有节点的质量守恒残差，δ为水流系数；

渠道连接节点水流的动量守恒方程向量形式为

A_Mu＝B

其中，A_M为动量守恒方程的系数矩阵，B为渠段的自由水面宽度；

对渠道设置初始条件为

ζ＝HI+z_b

其中，HI为最小水深假设，z_b为地表相对高程；

对渠道设置边界条件：上游边界条件为灌区水源的引水流量，引水停止后，相关节点流量设置为0，下游边界在非排水期为封闭状态，排水期设置为自由出流条件，根据渠道内水深插值获得渠尾水位，强排处设置为相应的强排流量。

3.根据权利要求2所述的基于水动力学模拟的灌区渠网输配水优化调控方法，其特征在于，所述S2中包括以下公式：

空间离散过程中，方程积分形式如下

其中，i为单元格编号；

对水位的变量在任意单元格边界上进行二阶重构，防止数值震荡，采用min mod限制器计算Δζi和Δζi+1；

基于高斯散度定理，对流通量项的空间离散形式如下

采用AUSM格式计算流速分量中的弗劳德数

其中，和为单元格边界处的弗劳德数的分裂函数；

最终得到离散格式如下

其中，α_i、β_i、γ_i和η_i为方程经过空间重构和AUSM格式离散后得到的系数，U_i-1为单元格边界i-1上的因变量向量，U_i为单元格处的因变量向量，U_i+1为单元格边界i+1上的因变量向量；

S_ζ采用中心差分方法计算，S_f＝-f_iU_i，S_in＝-I_iU_i，S_p利用单元格中心值计算，其中，f_i和I_i为离散过程中产生的系数矩阵。