CN104750985B - 一种蓄水关系近似一致的复杂平原河网概化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种蓄水关系近似一致的复杂平原河网概化方法，包括如下步骤：获取并处理河道地理信息资料；构建模拟河网多边形；确定模拟河网多边形内概化河网总蓄水量参数；确定河网多边形每个模拟河段叠加宽度；确定河网多边形每个河段的宽度叠加位置。本发明能够使概化后的河网蓄水能力与原型河网基本一致，可有效提高模拟精度，且便于进行洪水风险分析；对于水行政主管部门，本发明给出了明确的资料需求，便于在平原河网管理工作中进行资料整编；对于水利行业科研人员，采用本方法构建概化河网水动力模型，能避免过度依赖经验，造成不同人员构建模型水平参差不齐。
Description
技术领域
本发明涉及计算水力学领域，具体涉及一种水动力模型的建模概化方法。
背景技术
我国东南沿海发达地区主要水系形态为平原河网，随着近年来城市化水平的加快，许多地区的下垫面不透水性明显增加，降雨产汇流过程加快。为开发、利用水资源，人类修建了大量泵站、枢纽以及圩区，也使得平原河网地区水系结构变得更加复杂，增加了这些地区的洪水风险。复杂河网水动力模型可为洪水预报、灾害评估及防洪决策响应提供支撑。河网水动力模型一般采用求解一维圣维南方程的方法进行建模，将河网离散为具有一定空间步长的小河段，利用数值方法计算各个小河段两端节点的水位和流量，从而得到整个河网的水位流量过程。在复杂平原河网地区利用一定的方法对河网进行概化，可以提高计算效率、增强数值模型的稳定性。以太湖流域苏州地区河网为例，该区域有各级河道约2万余条。在建模过程中若不对河道进行一定概化，将使模型非常复杂，工作量巨大。因此，对复杂平原河网进行适当概化，用于建立水动力模型具有重要的实用价值。然而，目前研究成果大多基于工作人员的个人经验，有的甚至将低等级河道直接忽略，尚未形成较为系统和完善的方法体系。
河网概化需要经过河道地理信息资料的收集、计算、汇总三个过程。随着地理信息系统(GIS)技术的发展，明确提出平原河网概化过程中的地理信息资料需求，不仅能为水行政主管部门工作提供参考，所建立的基础地理信息数据库也能为后续研究提供支撑。
河网蓄水量是平原地区洪水管理工作中的重要参数，同时也体现了研究区域的洪水安全形势，影响整个河网的水动力特性。因此，在概化平原河网时应当尽量保证概化后的河网与原状河网河道蓄水能力近似。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种蓄水关系近似一致的复杂平原河网概化方法，能够得到总蓄水体积随水位的变化关系与原河网近似一致的概化河网。
技术方案：本发明提供了一种蓄水关系近似一致的复杂平原河网概化方法，包括如下步骤：
(1)获取并处理河道地理信息资料；
(2)构建模拟河网多边形；
(3)确定模拟河网多边形内概化河网总蓄水量参数；
(4)确定河网多边形每个模拟河段叠加宽度；
(5)确定河网多边形每个河段的宽度叠加位置。
进一步，步骤(1)获取的所述河道地理信息资料包括研究区域内所有河道的长度、左右岸坡度、河底宽度以及河底高程，若水利部门对河道进行过分级则还包括河道等级。
进一步，步骤(1)处理河道地理信息资料是将平原河网中所有有岸坡资料的河道断面类型简化为梯形断面，无岸坡资料的河道断面类型简化为矩形断面；求出河道平均河底宽、平均河底高程作为描述断面形状的基本参数，由于平原河网地区地形高程起伏不大，计算每条河道的平均河底高程作为该河道的底高程，构建水动力模型时作为平底考虑，忽略河道底坡。
进一步，步骤(2)构建所述河网多边形时，根据研究问题的复杂程度选择适当的河道宽度或河道等级阈值，高于此阈值河道作为模拟河网予以保留，低于该阈值的河道作为概化河网进行合并。对于部分需要重点考虑的区域可以分区域给出较低阈值，以保留更多河道进行建模。
进一步，步骤(3)所述模拟河网多边形内的概化河网断面形状都为矩形，河宽等于底宽，总蓄水面积等于各概化河段平均河底宽度乘以河道长度的总和。
进一步，步骤(4)所述每个模拟河段叠加宽度等于概化河网总蓄水面积除以模拟河段总河道长度。
进一步，步骤(5)根据概化河网的平均河底高程，将叠加宽度分配至每个模拟河段的相应高程，且分左岸和右岸进行分别叠加。
有益效果：本发明能够使概化后的河网蓄水能力与原型河网基本一致，可有效提高模拟精度，且便于进行洪水风险分析；对于水行政主管部门，本发明给出了明确的资料需求，便于在平原河网管理工作中进行资料整编；对于水利行业科研人员，采用本方法构建概化河网水动力模型，能避免过度依赖经验，造成不同人员构建模型水平参差不齐。
附图说明
图1为本发明河网概化方法的流程图；
图2为实施例中河网基本资料数据结构；
图3为河网多边形示意图；
图4为概化河网宽度叠加至模拟河段的示意图；
图5为概化前的苏州阳澄淀泖区河网图；
图6为概化后的苏州阳澄淀泖区河网图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例：一种蓄水关系近似一致的复杂平原河网概化方法，具体实施过程如图1所示。
首先，在确定计算区域后获取河道的基本地理信息数据，将获取到的地理信息数据编入GIS数据库(如ArcGIS、MapGIS等)，所需获取的地理信息数据结构如图2所示，河网基本资料包括河道名称、河道长度、左右岸坡度、河底宽度、河底高程和河道等级。
然后，对获取的资料进行处理。其中有左右岸坡度资料的概化为梯形断面河道；若仅有一侧的岸坡资料，则认为左右岸对称布置；无左右岸坡度资料的概化为矩形断面河道。由于平原河网地区河道比降较小，可近似为平底，根据现有资料求出平均河底高程作为某河道河底高程。对于宽度沿程变化的河道，本实施例仅采用平均河底宽度描述该河道，不对河道具体位置宽度进行细化处理。通过以上的处理方法，即得到了具有规则断面形状的平原河网。
之后，指定河道宽度或河道等级阈值，高于此阈值的河道作为模拟河道用以建立水动力模型，低于此阈值的河道则称为概化河道，经过处理后将其叠加入模拟河网。
按照给定阈值进行河网筛选后形成如图3所示的河网多边形，该河网多边形由4条模拟河段L1L2L3L4构成，内有5条概化河道l1l2l3l4l5，概化河道总蓄水面积为：
式中：Al为概化河道的总水面面积，bi为i概化河段的河道底宽(忽略概化河道中的梯形断面河道岸坡)，li为i概化河段的河道长度。
将概化河道的总水面面积按照模拟河道长度加权分配到各模拟河道，每个模拟河道分配得到的断面增加宽度(即叠加宽度)为：
式中：Bia为叠加宽度，Li为i模拟河段的河道长度。
概化河道的平均河底高程计算方法为：
式中：为概化河网的平均河底高程，hi为概化河段i的河底高程。
叠加宽度Bia加入模拟河段的方式如图4所示。当概化河网平均河底高程低于模拟河段的河底高程H时，叠加宽度位于模拟断面的中心位置；当概化河网处于模拟河段右侧时叠加位置如Biamr，处于左侧时如Biaml所示，叠加高程为当概化河网平均河底高程高于模拟河段的河底高程H时，叠加位置位于模拟河段的岸坡，左岸和右岸叠加位置分别如图4中Bial与Biar所示。
通过以上步骤将图4中所示模拟河段初始河道断面整合为一复式断面，该复式断面河道的河槽蓄水量接近于模拟河段原河槽蓄水量加上分配到该模拟河道上的概化河网的河槽蓄水量。主要偏差由概化河网的断面矩形近似和水位不均匀分布所引起，考虑到概化河网水面比降以及河道宽度均相对较小，因此本发明能够有效对原状复杂河网水位与蓄水量关系进行近似概化。
以上即完成了所述的蓄水关系近似一致的复杂平原河网概化过程，图5为概化前苏州地区阳澄淀泖区实际河网分布情况，通过以上方法得到了图6中所示的概化河网。可以看出，利用概化后的河网建立平原河网水动力模型，难度将大大降低。
Claims (4)
1.一种蓄水关系近似一致的复杂平原河网概化方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）获取并处理河道地理信息资料；
（2）构建模拟河网多边形；
（3）确定模拟河网多边形内概化河网总蓄水量参数，所述模拟河网多边形内的概化河网断面形状都为矩形，总蓄水面积等于各概化河段平均河底宽度乘以河道长度的总和；
（4）确定河网多边形每个模拟河段叠加宽度，所述每个模拟河段叠加宽度等于概化河网总蓄水面积除以模拟河段总河道长度；
（5）确定河网多边形每个河段的宽度叠加位置，根据概化河网的平均河底高程，将叠加宽度分配至每个模拟河段的相应高程，且分左岸和右岸进行分别叠加。
2.根据权利要求1所述的蓄水关系近似一致的复杂平原河网概化方法，其特征在于：步骤（1）获取的所述河道地理信息资料包括研究区域内所有河道的长度、左右岸坡度、河底宽度以及河底高程，若水利部门对河道进行过分级则还包括河道等级。
3.根据权利要求1或2所述的蓄水关系近似一致的复杂平原河网概化方法，其特征在于：步骤（1）处理河道地理信息资料是将平原河网中所有有岸坡资料的河道断面类型简化为梯形断面，无岸坡资料的河道断面类型简化为矩形断面；求出河道平均河底宽、平均河底高程作为描述断面形状的基本参数，不考虑河道底坡。
4.根据权利要求1所述的蓄水关系近似一致的复杂平原河网概化方法，其特征在于：步骤（2）构建所述河网多边形时，给出河道等级或河道平均河底宽阈值，高于此阈值河道予以保留，形成模拟河网多边形。
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