CN108875222A - 基于水动力过程相似的水文模型流域比例尺确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水动力过程相似的水文模型流域比例尺确定方法，其包括获取研究流域的矢量信息，并将室内自定义坐标的矢量文件与研究流域的边界矢量文件进行匹配，得到模型流域的水平比例尺；基于水动力相似原则，采用研究流域的长和宽及水平比例尺分别计算研究流域和模型流域的水文参数；获取阻力相似模型，并采用研究流域和模型流域的水文参数及阻力相似模型得到垂直比例尺。

Description

基于水动力过程相似的水文模型流域比例尺确定方法

技术领域

本发明涉及水利工程技术领域，具体涉及一种基于水动力过程相似的水文模型流域比例尺确定方法。

背景技术

区域水文过程试验是当前水文试验研究的主要发展方向之一，开展室内区域水文过程试验首先需要根据试验研究目标科学确定室内区域水文过程试验的物理模型与研究流域之间的转换比例尺。由于水循环伴生过程涉及到水文、泥沙、环境、生态等多个方面，目前以泥沙和污染物运移等为主要研究目标的、以水动力过程为基础的模型试验方法中，确定室内物理模型比尺方法多以单一过程或点尺度为主。由于两者之间的关注点不一致，当前科学设定区域人工降雨过程的方法还不多见，这样可能会致使计算的与降雨直接相关参数的准确性，最终导致模拟的人工降雨难以达到预期的效果。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的基于水动力过程相似的水文模型流域比例尺确定方法能够通过阻力相似模型和水文参数准确地计算出模型流域的垂直比例尺。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种基于水动力过程相似的水文模型流域比例尺确定方法，其包括：

获取研究流域的矢量信息，并将室内自定义坐标的矢量文件与研究流域的边界矢量文件进行匹配，得到模型流域的水平比例尺；

基于水动力相似原则，采用研究流域的长和宽及水平比例尺分别计算研究流域和模型流域的水文参数；

获取阻力相似模型，并采用研究流域和模型流域的水文参数及阻力相似模型得到垂直比例尺。

进一步地，所述水文参数包括出口断面面积、湿周、水力半径、自分水岭到出口断面主河道的平均比降和断面出口流速。

进一步地，所述研究流域的水文参数的计算公式为：

A＝LH；W_P＝2H+L；

其中，L为研究流域的长；H为研究流域的宽；W_P为室外研究流域的湿周；R为室外研究流域的水力半径；J为研究流域自分水岭到出口断面主河道的平均比降；n为研究流域的糙率；

h₁、h₂、h₃······h_n为研究流域河道纵断面各转折点的河底高程与设计断面处河底高程的差值；L₁、L₂、L₃······L_n为研究流域各转折点之间的分段河长，L′为主河长；v为室外研究流域的断面出口流速。

进一步地，所述模型流域的水文参数的计算公式为：

A′＝K₁K₂A＝K₁K₂LH；W′_P＝2K₂H+K₁L；

其中，A′为室内模型流域的出口断面面积；W_P′为室内模型流域的湿周；R′为室内模型流域的水力半径；J′为模型流域自分水岭到出口断面主河道的平均比降；n′为模型流域的糙率；K₁为水平比例尺；K₂为垂直比例尺；

h′₁、h′₂、h′₃······h′_n为模型流域河道纵断面各转折点的河底高程与设计断面处河底高程的差值，且h′_n＝K₂h_n；L′₁、L′₂、L′₃······L′_n为模型流域各转折点之间的分段河长，L′_n＝K₁L_n；v′为室内模型流域的断面出口流速。

进一步地，所述阻力相似模型的计算公式为：

其中，α_u为流速比尺，α_L为水平几何比尺，α_L＝K₁；α_n为糙率比尺，α_R是水力半径比尺，

进一步地，根据模型流域和研究流域的水文参数的计算公式及阻力相似计算公式，得到垂直比例尺的计算公式：

进一步地，所述研究流域的矢量信息包括研究流域形状矢量信息和雨量站位置的矢量信息；

所述研究流域的矢量信息提取方法包括：获取研究流域的地形数据和雨量站位置；将所述地形数据与雨量站位置导入ArcGis中得到研究流域形状和雨量站位置的矢量信息。

本发明的有益效果为：本方案基于水动力过程相似和阻力相似，通过计算得到研究流域和模型流域的水文参数，可以知道两者水文参数之间关系，再结合构建的阻力相似模型就能够快速地计算出垂直比例尺。

由于构建的模型流域的垂直比例尺计算公式直接与水平比例尺及研究流域的高和宽相关，一旦得到水平比例尺后，通过该函数能够快速地得到不同地理特性的研究流域在室内研究区域进行人工模拟时的垂直比例尺。

另外，通过垂直比例尺和水平比例尺对研究流域缩放得到的模型流域计算的降雨控制参数更能够反应研究流域降雨的真实情况，从而保证了模拟的人工降雨的预期的效果。

附图说明

图1为基于水动力过程相似的水文模型流域比例尺确定方法的流程图。

图2为研究流域的示意图。

图3为模型流域导入室内降雨区的示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

参考图1，图1示出了基于水动力过程相似的水文模型流域比例尺确定方法的流程图；如图1所示，该方法包括步骤101至步骤103。

在步骤101中，获取研究流域的矢量信息，并将室内自定义坐标的矢量文件与研究流域的边界矢量文件进行匹配，得到模型流域的水平比例尺；

在实施时，本方案优选所述研究流域的矢量信息包括研究流域形状矢量信息和雨量站位置的矢量信息；

所述研究流域的矢量信息提取方法包括：获取研究流域的地形数据和雨量站位置；将所述地形数据与雨量站位置导入ArcGis中得到研究流域形状和雨量站位置的矢量信息。

图2示出的研究流域根据水平比例尺和垂直比例尺导入室内降雨区后可以得到如图3所示的示意图。其中，室内降雨区(区域降雨人工模拟系统)为：有效降雨面积26m×40m，共分为110个独立控制单元(其中共分为10个大区，每个大区又分为11个小区)；每个降雨单元雨强变化范围10-200mm/h；单元内均匀度大于0.8；雨强变化频率可以做到5分钟调整一次；通过输入降雨控制文件，可以实现人工降雨。

在步骤102中，基于水动力相似原则，采用研究流域的长和宽及水平比例尺分别计算研究流域和模型流域的水文参数。

其中的水文参数包括出口断面面积、湿周、水力半径、自分水岭到出口断面主河道的平均比降、断面出口流速和研究流域单位时间通过出口断面的流量，本方案主要考虑前面五个水文参数。

在本发明的一个实施例中，所述研究流域的水文参数的计算公式为：

A＝LH；W_P＝2H+L；

其中，L为研究流域的长；H为研究流域的宽；W_P为室外研究流域的湿周；R为室外研究流域的水力半径；J为研究流域自分水岭到出口断面主河道的平均比降；n为研究流域的糙率；

h₁、h₂、h₃······h_n为研究流域河道纵断面各转折点的河底高程与设计断面处河底高程的差值；L₁、L₂、L₃······L_n为研究流域各转折点之间的分段河长，L′为主河长；v为室外研究流域的断面出口流速。

所述模型流域的水文参数的计算公式为：

A′＝K₁K₂A＝K₁K₂LH；W_P′＝2K₂H+K₁L；

其中，A′为室内模型流域的出口断面面积；W_P′为室内模型流域的湿周；R′为室内模型流域的水力半径；J′为模型流域自分水岭到出口断面主河道的平均比降；n′为模型流域的糙率；K₁为水平比例尺；K₂为垂直比例尺；

h′₁、h′₂、h′₃······h′_n为模型流域河道纵断面各转折点的河底高程与设计断面处河底高程的差值，且h′_n＝K₂h_n；L′₁、L′₂、L′₃······L′_n为模型流域各转折点之间的分段河长，L′_n＝K₁L_n；v′为室内模型流域的断面出口流速。

在步骤103中，构建阻力相似模型，并采用研究流域和模型流域的水文参数及阻力相似模型得到垂直比例尺。其中，所述阻力相似模型为：

其中，α_u为流速比尺，α_L为水平几何比尺，α_L＝K₁；α_n为糙率比尺，α_R是水力半径比尺，

最后，根据模型流域和研究流域的水文参数的计算公式及阻力相似计算公式，得到垂直比例尺的计算公式：

综上所述，本方案通过研究流域的矢量信息可以快速的模型流域在X、Y轴的水平比例K₁，之后通过研究流域的宽和长，就能快速地求取模型流域的垂直比例尺K₂，这样采用通过垂直比例尺K₂和水平比例K₁对研究流域进行缩放后的模型流域求得的室内降雨强度进行人工降雨时，更能真实地反应研究区域的实际降雨情况。

Claims (7)

1.基于水动力过程相似的水文模型流域比例尺确定方法，其特征在于，包括：

获取研究流域的矢量信息，并将室内自定义坐标的矢量文件与研究流域的边界矢量文件进行匹配，得到模型流域的水平比例尺；

基于水动力相似原则，采用研究流域的长和宽及水平比例尺分别计算研究流域和模型流域的水文参数；

构建阻力相似模型，并采用研究流域和模型流域的水文参数及阻力相似模型得到垂直比例尺。

2.根据权利要求1所述的基于水动力过程相似的水文模型流域比例尺确定方法，其特征在于，所述水文参数包括出口断面面积、湿周、水力半径、自分水岭到出口断面主河道的平均比降和断面出口流速。

3.根据权利要求2所述的基于水动力过程相似的水文模型流域比例尺确定方法，其特征在于，所述研究流域的水文参数的计算公式为：

其中，L为研究流域的长；H为研究流域的宽；W_P为室外研究流域的湿周；R为室外研究流域的水力半径；J为研究流域自分水岭到出口断面主河道的平均比降；n为研究流域的糙率；

h₁、h₂、h₃……h_n为研究流域河道纵断面各转折点的河底高程与设计断面处河底高程的差值；L₁、L₂、L₃……L_n为研究流域各转折点之间的分段河长，L′为主河长；v为室外研究流域的断面出口流速。

4.根据权利要求3所述的基于水动力过程相似的水文模型流域比例尺确定方法，其特征在于，所述模型流域的水文参数的计算公式为：

其中，A′为室内模型流域的出口断面面积；W_P′为室内模型流域的湿周；R′为室内模型流域的水力半径；J′为模型流域自分水岭到出口断面主河道的平均比降；n′为模型流域的糙率；K₁为水平比例尺；K₂为垂直比例尺；

h′₁、h′₂、h′₃……h′_n为模型流域河道纵断面各转折点的河底高程与设计断面处河底高程的差值，且h′_n＝K₂h_n；L′₁、L′₂、L′₃……L′_n为模型流域各转折点之间的分段河长，且L′_n＝K₁L_n；v′为室内模型流域的断面出口流速。

5.根据权利要求4所述的基于水动力过程相似的水文模型流域比例尺确定方法，其特征在于，所述阻力相似模型为：

其中，α_u为流速比尺，α_L为水平几何比尺，α_L＝K₁；α_n为糙率比尺，α_R是水力半径比尺，

6.根据权利要求5所述的基于水动力过程相似的水文模型流域比例尺确定方法，其特征在于，根据模型流域和研究流域的水文参数的计算公式及阻力相似计算公式，得到垂直比例尺的计算公式：

7.根据权利要求1-6任一所述的基于水动力过程相似的水文模型流域比例尺确定方法，其特征在于，所述研究流域的矢量信息包括研究流域形状矢量信息和雨量站位置的矢量信息；

所述研究流域的矢量信息提取方法包括：获取研究流域的地形数据和雨量站位置；将所述地形数据与雨量站位置导入ArcGis中得到研究流域形状和雨量站位置的矢量信息。