CN110135069A - 输水隧洞输水时的泥沙特征获取方法、装置、计算机设备 - Google Patents

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CN110135069A CN201910405767.5A CN201910405767A CN110135069A CN 110135069 A CN110135069 A CN 110135069A CN 201910405767 A CN201910405767 A CN 201910405767A CN 110135069 A CN110135069 A CN 110135069A
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Abstract

本申请涉及一种输水隧洞输水时的泥沙特征获取方法、装置、计算机设备。所述方法包括：将取水海域的边界参数输入三维数值模拟计算模型，进行取水海域的水流运动模拟，得到取水海域的潮流参数、水流含沙量和流场矢量图；将潮流参数、水流含沙量和流场矢量图，以及取水口的尺寸参数，输入三维数值模拟计算模型，进行取水口区域的泥沙冲淤状态模拟，得到取水口区域的淤积分布特征和含沙量变化曲线；将淤积分布特征和含沙量变化曲线，输入三维紊流泥沙数值模型，进行三维隧洞输水模拟，得到泥沙输移规律，从而确定输水隧洞在输水过程中的泥沙特征。采用本方法能够精准地获得获得隧洞输水过程中的泥沙特征。

Description

输水隧洞输水时的泥沙特征获取方法、装置、计算机设备
技术领域
本申请涉及数据处理技术领域，特别是涉及一种输水隧洞输水时的泥沙特征获取方法、装置、计算机设备和存储介质。
背景技术
随着经济及社会的发展，加大了人们对水的需求，而由于我国水资源分布极不均匀，而且淡水资源匮乏，实现水资源的优化配置成为一个必须解决的问题。部分布置在近海地区的大型石化、电力等工程需要大量对水质要求不高的冷却水，通常在海边取海水后，利用无压隧洞输水至用水点。
泥沙问题的处理是引水工程的主要问题之一，其中围绕泥沙长距离输送技术的研究更为生产之急需。无压隧洞泥沙淤积问题是引水工程中必须解决的问题，当引水隧洞发生淤积时，就会影响到整个引水工程的安全运行。
海水取水系统包括取水工程和输水工程，取水系统通常流程如下：取水口→海水拦污构筑物→箱涵过渡段→无压输水隧洞→末端用水点提升泵房。
海水取水工程实施后会在一定程度上改变工程附近水域的水动力及泥沙环境，另外取水海域还存在大风浪作用下的泥沙骤淤的问题。因此，取水口附近的泥沙淤积和骤淤将直接影响到取水安全问题。要研究输水隧洞的泥沙冲淤状况，首先需要在现有实测资料的基础上，研究取水工程海域海岸带泥沙运动情况，掌握航道泥沙的冲淤演变规律，确定取水口附近的流速场和含沙量分布，即掌握各种工况下来水来沙情况，并以此作为输入条件，进而研究输水隧洞工程沿线的泥沙冲淤情况，为工程设计提供科学依据。
目前有方案采用一维或者准二维的泥沙数学模型，或者借用明渠流的一维恒定全沙模型，对隧洞内悬移质泥沙的冲淤进行模拟用以获得隧洞所输送的水中的泥沙特征，然而上述方案所获得的泥沙特征存在精确度低的问题。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够获得高精度泥沙特征的的输水隧洞输水时的泥沙特征获取方法、装置、计算机设备和存储介质。
一种输水隧洞输水时的泥沙特征获取方法，所述方法包括：
将取水海域的边界参数输入三维数值模拟计算模型，进行取水海域的水流运动模拟，得到取水海域在水流运动模拟过程中产生的潮流参数、水流含沙量和流场矢量图；三维数值模拟计算模型为依据待测区域的实测参数进行待测区域三维水流运动模拟和泥沙冲淤状态模拟的模型；
将取水海域在模拟过程中产生的潮流参数、水流含沙量和流场矢量图，以及取水口的尺寸参数，输入三维数值模拟计算模型，进行取水口区域的泥沙冲淤状态模拟，得到取水口区域在泥沙冲淤状态模拟过程中产生的淤积分布特征和含沙量变化曲线；
将取水口区域在模拟过程中产生的淤积分布特征和含沙量变化曲线，输入三维紊流泥沙数值模型，进行三维隧洞输水模拟，得到输水隧洞的泥沙输移规律；
根据泥沙输移规律确定输水隧洞在输水过程中的泥沙特征。
一种输水隧洞输水时的泥沙特征获取装置，所述装置包括：
第一模拟模块，用于将取水海域的边界参数输入三维数值模拟计算模型，进行取水海域的水流运动模拟，得到取水海域在水流运动模拟过程中产生的潮流参数、水流含沙量和流场矢量图；三维数值模拟计算模型为依据待测区域的实测参数进行待测区域三维水流运动模拟和泥沙冲淤状态模拟的模型；
第二模拟模块，用于将取水海域在模拟过程中产生的潮流参数、水流含沙量和流场矢量图，以及取水口的尺寸参数，输入三维数值模拟计算模型，进行取水口区域的泥沙冲淤状态模拟，得到取水口区域在泥沙冲淤状态模拟过程中产生的淤积分布特征和含沙量变化曲线；
第三模拟模块，用于将取水口区域在模拟过程中产生的淤积分布特征和含沙量变化曲线，输入三维紊流泥沙数值模型，进行三维隧洞输水模拟，得到输水隧洞的泥沙输移规律；
确定模块，用于根据泥沙输移规律确定输水隧洞在输水过程中的泥沙特征。
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
将取水海域的边界参数输入三维数值模拟计算模型，进行取水海域的水流运动模拟，得到取水海域在水流运动模拟过程中产生的潮流参数、水流含沙量和流场矢量图；三维数值模拟计算模型为依据待测区域的实测参数进行待测区域三维水流运动模拟和泥沙冲淤状态模拟的模型；
将取水海域在模拟过程中产生的潮流参数、水流含沙量和流场矢量图，以及取水口的尺寸参数，输入三维数值模拟计算模型，进行取水口区域的泥沙冲淤状态模拟，得到取水口区域在泥沙冲淤状态模拟过程中产生的淤积分布特征和含沙量变化曲线；
将取水口区域在模拟过程中产生的淤积分布特征和含沙量变化曲线，输入三维紊流泥沙数值模型，进行三维隧洞输水模拟，得到输水隧洞的泥沙输移规律；
根据所述泥沙输移规律确定输水隧洞在输水过程中的泥沙特征。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
将取水海域的边界参数输入三维数值模拟计算模型，进行取水海域的水流运动模拟，得到取水海域在水流运动模拟过程中产生的潮流参数、水流含沙量和流场矢量图；三维数值模拟计算模型为依据待测区域的实测参数进行待测区域三维水流运动模拟和泥沙冲淤状态模拟的模型；
将取水海域在模拟过程中产生的潮流参数、水流含沙量和流场矢量图，以及取水口的尺寸参数，输入三维数值模拟计算模型，进行取水口区域的泥沙冲淤状态模拟，得到取水口区域在泥沙冲淤状态模拟过程中产生的淤积分布特征和含沙量变化曲线；
将取水口区域在模拟过程中产生的淤积分布特征和含沙量变化曲线，输入三维紊流泥沙数值模型，进行三维隧洞输水模拟，得到输水隧洞的泥沙输移规律；
根据泥沙输移规律确定输水隧洞在输水过程中的泥沙特征。
上述输水隧洞输水时的泥沙特征获取方法、装置、计算机设备和存储介质，通过针对大范围的取水海域进行水流运动模拟，获取取水海域在水流运动模拟过程中产生的潮流参数、水流含沙量和流场矢量图，依据上述潮流参数、水流含沙量和流场矢量图对取水口区域的泥沙冲淤状态进行模拟，获得取水口区域对应的淤积分布特征和含沙量变化曲线，再依据取水口区域在模拟过程中产生的淤积分布特征和含沙量变化曲线输入三维紊流泥沙数值模型进行三维隧洞输水模拟，实现隧洞输水过程的高度还原，以精准地获得隧洞输水过程中的泥沙输移规律，从上述泥沙输移规律中获得隧洞输水过程中的泥沙分布情况、泥沙含量等泥沙特征，使所获得的泥沙特征具有较高的准确性，可以为规避工程泥沙问题作贡献，可以确保取水工程、输水工程长期安全运行。
附图说明
图1为一个实施例中输水隧洞输水时的泥沙特征获取方法的流程示意图；
图2为一个实施例的三维数值模拟计算模型中的大范围模型网格划分；
图3为一个实施例中三维数值模拟计算模型中的大范围模型计算地形三维展示图；
图4为一个实施例中风暴潮期间取水口处含沙量变化曲线示意图；
图5为一个实施例的输水隧洞中工作井前后段的纵剖图；
图6为一个实施例中输水隧洞输水时的泥沙特征获取装置的结构框图；
图7为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
本申请提供的输水隧洞输水时的泥沙特征获取方法，可以应用于近岸海域取水工程相应设置的模拟终端。上述模拟终端可以将取水海域的边界参数输入三维数值模拟计算模型进行取水海域的水流运动模拟，获取取水海域在水流运动模拟过程中产生的潮流参数、水流含沙量和流场矢量图；将取水海域在模拟过程中产生的潮流参数、水流含沙量和流场矢量图，以及取水口的尺寸参数分别输入所述三维数值模拟计算模型进行取水口区域的泥沙冲淤状态模拟，获取取水口区域在泥沙冲淤状态模拟过程中产生的淤积分布特征和含沙量变化曲线；将取水口区域在模拟过程中产生的淤积分布特征和含沙量变化曲线，输入三维紊流泥沙数值模型，进行三维隧洞输水模拟，得到输水隧洞的泥沙输移规律，根据泥沙输移规律确定输水隧洞在输水过程中的泥沙特征，为输水工程提供相应参考。模拟终端可以但不限于是各种个人计算机、笔记本电脑和平板电脑。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种输水隧洞输水时的泥沙特征获取方法，以该方法应用于模拟终端为例进行说明，包括以下步骤：
S210，将取水海域的边界参数输入三维数值模拟计算模型，进行取水海域的水流运动模拟，得到取水海域在水流运动模拟过程中产生的潮流参数、水流含沙量和流场矢量图；三维数值模拟计算模型为依据待测区域的实测参数进行待测区域三维水流运动模拟和泥沙冲淤状态模拟的模型。
取水海域为包括取水口的大范围海域。取水海域的边界参数可以包括岸线参数、航道参数、堤线参数等取水海域的建筑物边界参数，其可以依据取水海域的水下地形图、陆域地形图和海图拟合得到。上述三维数值模拟计算模型包括海域潮流计算数学模型、海域波浪计算数学模型和海域泥沙计算数学模型等模型，其可以从潮流、波浪和泥沙含量等多个方面对取水海域的水流运动进行三维模拟，在三维模拟过程中，三维数值模拟计算模型可以输出模拟产生的潮流参数、水流含沙量、流场矢量图、淤积分布特征和含沙量变化曲线等数据。
在一个示例中，可以利用取水海域的实测水下地形图、陆域地形图和海图，测流与同步潮位观测资料、设计波浪要素及泥沙和底质等资料，基于MIKE3建立海区工程泥沙环境效应三维数值模拟计算模型。为拟合复杂岸线和航道、堤线等细致建筑物边界，三维数值模拟计算模型中的海域潮流数学模型中采用非结构化三角形网格对计算域进行剖分。模型边界条件通过率定厂址海域测站实测的潮位、流速和流向确定，网格划分采用局部加密方式，保证网格分辨率。上述三维数值模拟计算模型中的大范围模型网格划分可以参考图2所示，三维数值模拟计算模型中的大范围模型计算地形三维展示可以参考图3所示。
S230，将取水海域在模拟过程中产生的潮流参数、水流含沙量和流场矢量图，以及取水口的尺寸参数，输入三维数值模拟计算模型，进行取水口区域的泥沙冲淤状态模拟，得到取水口区域在泥沙冲淤状态模拟过程中产生的淤积分布特征和含沙量变化曲线；
取水口区域为以取水口为中心的设定范围内，比如取水口为中心，以设定距离为半径的圆形区域内，上述设定距离的取值范围可以为12km至20km。
上述淤积分布特征可以包括相应工况下的航道淤积分布特征、取水口区域淤积分布特征和取水口前端淤积分布特征。上述含沙量变化曲线为取水口处含沙量变化曲线。
上述步骤将取水口的尺寸参数输入三维数值模拟计算模型以确定与取水口尺寸相适应的三维数值模拟计算模型，将取水海域在模拟过程中产生的潮流参数、水流含沙量和流场矢量图输入上述与取水口尺寸相适应的三维数值模拟计算模型，便可以实现对取水口区域的泥沙冲淤状态模拟，获取模拟过程中产生的淤积分布特征和含沙量变化曲线。
在一个示例中，取水口区域的泥沙冲淤状态模拟范围包括取水口以外12km至20km处，最大网格空间步长200m，最小网格参考取水口管径设置，其中采用的模型网格可以使用划分渐近加密方式。风暴潮期间取水口处含沙量变化曲线可以参考图4所示。
S250，将取水口区域在模拟过程中产生的淤积分布特征和含沙量变化曲线，输入三维紊流泥沙数值模型，进行三维隧洞输水模拟，得到输水隧洞的泥沙输移规律。
上述三维紊流泥沙数值模型可以采用FLUENT计算流体力学软件构建，用于对隧洞输水进行模拟。在进行三维隧洞输水模拟过程中，可以研究全程泥沙输移规律，有效规避工程泥沙问题，是确保取水工程、输水工程长期安全运行的重要技术途径。
上述取水口区域为包括取水口的小范围区域，取水海域为包括取水口区域的大范围海域，输水隧洞为以取水口为输水入口的输水通道，本实施例首先获取取水海域这一大范围海域在水流运动模拟过程中产生的潮流参数、水流含沙量和流场矢量图，以此为取水口区域对应的泥沙冲淤状态模拟过程的输入条件，以确定取水口区域对应的淤积分布特征和含沙量变化曲线，从而依据上述取水口区域对应的淤积分布特征和含沙量变化曲线进行三维隧洞输水模拟，使上述三维隧洞输水模拟可以高度还原输水隧洞的输水过程，以保证所获得的泥沙输移规律的准确性。因而上述泥沙输移规律可以准确表征输水隧洞工程沿线的泥沙冲淤情况，为隧洞输水工程提供精准的泥沙特征；有助于有效规避工程泥沙问题，是确保取水工程、输水工程长期安全运行的重要技术途径。
S270，根据泥沙输移规律确定输水隧洞在输水过程中的泥沙特征。
上述泥沙特征可以包括输水隧洞在输水过程中的泥沙分布情况和泥沙含量等数据。从上述泥沙输移规律可以提取出输水隧洞输水过程中各个方面的泥沙特征，可以为规避工程泥沙问题作出有效贡献。
上述输水隧洞输水时的泥沙特征获取方法中，通过针对大范围的取水海域进行水流运动模拟，获取取水海域在水流运动模拟过程中产生的潮流参数、水流含沙量和流场矢量图，依据上述潮流参数、水流含沙量和流场矢量图对取水口区域的泥沙冲淤状态进行模拟，获得取水口区域对应的淤积分布特征和含沙量变化曲线，再依据取水口区域在模拟过程中产生的淤积分布特征和含沙量变化曲线输入三维紊流泥沙数值模型进行三维隧洞输水模拟，实现隧洞输水过程的高度还原，以精准地获得隧洞输水过程中的泥沙输移规律，从上述泥沙输移规律中获得隧洞输水过程中的泥沙分布情况、泥沙含量等泥沙特征，使所获得的泥沙特征具有较高的准确性，可以为规避工程泥沙问题作贡献，可以确保取水工程、输水工程长期安全运行。
在一个实施例中，将取水口区域在模拟过程中产生的淤积分布特征和含沙量变化曲线，输入三维紊流泥沙数值模型，进行三维隧洞输水模拟包括：
根据输水隧洞的一个工作井和与该工作井毗邻的一段隧洞确定一个输水单元模型，得到沿输水隧洞水流方向依次出现的多个输水单元模型；
将取水口区域在模拟过程中产生的淤积分布特征和含沙量变化曲线输入第一个输水单元模型进行三维隧洞输水模拟，获取模拟过程中产生的淤积分布特征和含沙量变化曲线；
依次将前一个输水单元模型在模拟过程中产生的淤积分布特征和含沙量变化曲线输入后一个输水单元模型进行输水模拟，直至最后一个输水单元模型实现三维隧洞输水模拟。
输水工程的输水隧洞一般较长，如果将整个输水系统建立在一个模型、统一划分的网格上计算，其网格数、计算量、计算时间用现有的计算机甚至工作站都难以承受。为研究长距离隧洞的沿程泥沙淤积情况，将输水隧洞段以隧洞工作井为界，以一个工作井和毗邻的一段隧洞为单元，将长距离输水隧洞划分为多个子模型分别进行泥沙三维数值模拟，首尾相连的子模型组中，前一子模型(输水单元模型)为后一子模型提供淤积分布特征、含沙量变化曲线、以及其他泥沙特征及流速等边界条件。每个子模型所含的单元相同，可以共用一套网格，这样在使得长距离输水隧洞沿程泥沙冲淤过程得以用复杂三维水沙紊流模型模拟的同时，还大大节省了计算工作量。
在一个示例中，输水隧洞中工作井前后段的纵剖图可以参考图5所示，针对上述工作井对应的输水单元模型，可以采用FLUENT计算流体力学软件的三维紊流泥沙数值模型模块进行构建。在构建过程中可以使用到如下方法、格式、条件以及处理方式：
1)离散方法：
由于因变量在节点之间的分布假设及推导离散方程的方法不同，数值模拟可以选用在CFD领域通用性和广泛性最好的有限体积法作为求解水沙流动问题的离散化方法。
将标准的k-ε模型的控制方程组写成如下对流-扩散问题的通用形式：
式中：t表示时间变量，u表示速度矢量；φ表示通用变量，如速度ui、紊动动能k、耗散动能ε；Γφ为变量φ的扩散系数；Sφ为方程的源项，符号表示微分算子。各输运方程中，Γφ和φ的具体形式与控制方程有关。
令对上述方程在单元控制体上进行积分，利用高斯定理将体积分化为单元面(A)积分，得：
式中，表示单元面外法向矢量。
对通用变量在控制体上取平均，则方程变为：
式中：m表示单元控制体的单元面总数；Aj表示单元j的面积；表示单元控制体的源项平均值；Fj(φ)Aj表示单元面的法向通量，包括对流通量和扩散通量。
2)离散格式
对流项采用的离散格式包括：一阶迎风格式、二阶迎风格式、指数格式、混合格式、幂函数格式以及QUICK格式等。本次模拟过程可以采用对结构网格和非结构网格适应性较好的二阶迎风格式。对流项的离散格式可应用于方程组的求解，其是否合适可以影响相应数值解的准确性、稳定性和经济性。
3)时间步长
模型时间步长按照库朗数(Global Courant Number)给出，库朗数(CourantNumber)计算方法包括：
式中：u表示流体速度；Δt表示时间步长；Δx表示网格尺寸。
当库朗数Courant＜1时，计算很稳定，但步长小，计算时间很长；当1＜Courant＜5时，计算稳定性仍然很好，不常出现计算发散；当Courant＞10时，计算可能出现发散而中断。上述模型的库朗数可以设定为2。
4)边界条件和网格划分
取水口进口水位变化可以采用FLUENT中的动边界处理，应用动网格技术，赋予用户自定义函数即UDF自定义边界，采用FLUENT功能中的相关命令(如DEFINE_GRID_MOTION宏命令)来给出潮汐潮高方程边界节点的运动方式。
5)壁面处理
紊流模型适用于离开壁面一定距离的紊流充分发展区域，也即紊流核心区，这些模型属于高雷诺数紊流模型。本次模拟可以采用无滑移固壁边界条件，近壁面采用标准壁面函数来处理。
6)网格划分
为了准确模拟输水工程泥沙分布及淤积状况，在保证模拟精度前提下，为了控制网格数目，提高计算速度，在划分网格时可以采用如下措施：①计算区域尽量选用六面体网格进行划分；对于模型中一些难以用六面体网格划分的几何体，采用非结构化网格；②创建“非对接”网格的交界面，所谓“非对接”，就是在选取的交界面两侧，网格可以根据各自划分原则独自划分，即节点数目和位置无需在交界面上一一对应，而交界面两侧的流速、压力、体积分数等数据能够通过交界面传递。最终输水工程系统网格尺寸控制在0.3m以内，模型网格尺寸控制在约300万。
在一个实施例中，上述将取水海域在模拟过程中产生的潮流参数、水流含沙量和流场矢量图，以及取水口的尺寸参数，输入三维数值模拟计算模型，进行取水口区域的泥沙冲淤状态模拟包括：
根据取水口的尺寸参数确定与取水口区域相适配的三维数值模拟计算模型，得到取水口区域模拟计算模型；
将取水海域在模拟过程中产生的潮流参数、水流含沙量和流场矢量图输入所述取水口区域模拟计算模型，进行取水口区域的泥沙冲淤状态模拟。
本实施例所进行的取水口区域的泥沙冲淤状态模拟，可以高度还原相应取水口区域的泥沙冲淤状态。
在一个实施例中，在将取水海域的建筑物边界参数输入三维数值模拟计算模型，进行取水海域的水流运动模拟，得到取水海域在水流运动模拟过程中产生的潮流参数、水流含沙量和流场矢量图之前，上述方法还包括：
分别对取水海域的各类建筑物边界进行拟合，获取拟合得到的建筑物边界的边界参数。
取水海域的各类建筑物包括复杂岸线和航道、堤线等细致建筑物。对取水海域的各类建筑物边界进行拟合，获取拟合得到的建筑物边界的边界参数，可以保证所获取的边界参数的准确性。
在一个实施例中，上述三维数值模拟计算模型包括海域潮流计算数学模型、海域波浪计算数学模型和海域泥沙计算数学模型。
作为一个实施例，在将取水海域的建筑物边界参数输入三维数值模拟计算模型，进行取水海域的水流运动模拟，得到取水海域在水流运动模拟过程中产生的潮流参数、水流含沙量和流场矢量图之前，上述方法还包括：
采用Mike系列软件中的水动力模块构建海域潮流计算数学模型，采用Mike21系列软件中的波浪模块构建海域波浪计算数学模型，采用Mike系列软件中的输沙模块构建海域泥沙计算数学模型。
上述海域潮流计算数学模型、海域波浪计算数学模型和海域泥沙计算数学模型可以分别从潮流、波浪和泥沙分别特征等多个方面对各范围海域的水流运动进行高仿真模拟，以保证模拟过程产生的各类数据的准确性。
近岸海域取水工程、输水工程全系统内的水沙运动空间尺度变化大，从取水工程所处的外海大尺度波浪潮流作用下的泥沙运动，到复杂输水工程中的管流挟沙，水沙环境变化显著，本实施例可以建立全范围、全过程的大范围海域、取水口区域的水沙运动、海水输水隧洞冲淤的数值模拟方法，研究全程泥沙输移规律，确保取水工程、输水工程长期安全运行。
作为一个实施例，上述方法还包括：
分别对海域潮流计算数学模型、海域波浪计算数学模型和海域泥沙计算数学模型进行验证；
在海域潮流计算数学模型、海域波浪计算数学模型和海域泥沙计算数学模型均验证通过后，将取水海域的边界参数分别输入海域潮流计算数学模型、海域波浪计算数学模型和海域泥沙计算数学模型进行取水海域的水流运动模拟。
本实施例可以采用海域最新实测的大潮全潮水文测验数据进行海域潮流计算数学模型的验证；采用海域实测冬季和夏季分别发生的大、中、小潮水文测验数据进行海域波浪计算数学模型和海域泥沙计算数学模型在模拟取水海域的水流运动时的含沙量、泥沙冲淤验证；采用风浪期间海域泥沙的运动状况模拟与悬沙遥感分析图分别对海域潮流计算数学模型、海域波浪计算数学模型和海域泥沙计算数学模型进行验证；若上述海域潮流计算数学模型、海域波浪计算数学模型和海域泥沙计算数学模型在模拟过程中产生的各项数据与相应实测数据之间的差值均在预设的差值范围内，表明海域潮流计算数学模型、海域波浪计算数学模型和海域泥沙计算数学模型均验证通过，此时可以依据相应输入条件对取水海域、取水口区域等各个范围进行准确模拟。
在一个示例中，上述海域潮流计算数学模型采用Mike系列软件中的Mike3水动力模块(FM模块)构建，具体可以采用非结构化三角形网格，模型采用有限体积法显式求解，并采用干湿网格判断法对潮流动边界进行模拟。控制方程以不可压缩流体的Navier-Stokes方程为基础，并将紊流作用以涡粘系数的形式参数化。在海域潮流计算数学模型进行潮流计算求解的结果变量u，v和w分别为水平x和y方向，垂直z方向上的流速。其中采用的基本方程包括：
式中：t表示时间；x和y表示水平空间坐标，z表示垂直方向坐标；η表示水面高度；d表示静水深；h＝η+d表示水深；u，v和w分别表示水平x和y方向，垂直z方向上的流速；f＝2Ωsinφ表示科氏力系数(Ω是地球旋转的角速率，φ是地理纬度)；g表示重力加速度；ρ表示水的密度；ρ0表示水的参考密度；Txx，Txy，Tyx和Tyy分别表示辐射应力张量；vt表示垂直方向的涡粘系数；Pa表示大气压强；Q表示点源流量。
水平应力Fu，Fv的计算公式包括：
式中：A表示水平方向的涡粘系数。
底部应力由下式计算：
式中：表示距底部ΔZb处的流速；cf表示拖曳力系数。拖曳力系数的计算公式包括：
式中：κ＝0.4，表示卡门常数，Z0表示底层粗糙厚度。
风应力的计算公式如下所示：
式中：ρa表示空气密度，cd表示空气拖曳力系数，表示海面上10m高处的风速。
水平涡粘性系数A可以采用Smagorinsky亚网格尺度模型求解，可以较好地描述各种涡的形成，水平涡粘系数计算如下式所示：
式中：Cs表示可调常数，根据经验取为0.28等值；l为网格边长；Sij与速度梯度相关，计算方式如下式所示：
式中：(ui,uj)为流体速度，ui和uj分别为流体速度在i、j方向上的分量；xi和xj是指方向。
垂直方向涡粘系数的计算下式所示：
式中：Uτ＝max(Uτs，Uτb)，Uτs和Uτb分别是与表层和底层应力有关的摩擦速率；c1，c2为可调常数，可取c1＝0.41，c2＝-0.41。
z为垂直方向坐标；η为水面高度；d为静水深；h＝η+d为水深。
海域波浪计算数学模型的波浪模拟耦合了Mike21系列软件中的SW模块(波浪模块)。采用非结构化三角形网格，流场与波浪耦合计算，亦可保证波浪数值模拟中的网格配置与潮流模拟中相同。SW模块的基本控制方程包括：
式中：N表示动谱密度，t表示时间，表示笛卡尔坐标系，表示波群速度，S表示能量平衡方程中的源项，表示微分算子，s表示沿θ方向的空间坐标,为波浪的传播方向；m表示垂直于s的空间坐标，θ和m垂直于s的方向，表示在空间上的二维微分算子，d表示水深；U表示流速；k表示波速，表示流速单位可以为m/s，cθ表示由水深和水流引起的折射，cσ表示由于水深和水流变化造成的相对频率的变化，(cx,cy)表示波作用在地理空间(x,y)中传播时的变化。
海域泥沙计算数学模型的泥沙运动模拟计算需同时兼顾悬移质与推移质的综合作用。一般情况下，悬移质泥沙的运动主要受三方面的影响即：平流、沉降和扩散。模型选择的悬移质运动方程基于Galapatti(1983)。
其中三维非恒定不平衡状态下悬沙运动基本方程表达式如下：
式中：c表示含沙量；t表示时间；x和y分别表示水平空间坐标，z垂表示直方向坐标；u，v和w分别表示水平x和y方向，垂直z方向上的流速；εx，εy和εz是各方向上的扩散系数，耦合模型中扩散系数的取值与流场中的涡粘系数相同；ωs为泥沙的沉速。
泥沙沉速计算如下式所示：
式中：d表示泥沙粒径；ρn表示沉积物的相对密度；g表示重力加速度；ν表示流体的运动粘滞系数。
海域泥沙计算数学模型中在潮流和波浪共同作用下泥沙的扩散系数主要由三方面因素产生：
(1)波浪边界层作用
(2)波浪破碎产生能量耗损作用
(3)潮流的流场作用
三种因素共同影响下，泥沙的扩散系数计算如下：
ε扩散系数，εbl是边界层作用的扩散系数，εc是流场作用的扩散系数，εbr是波浪破碎作用的扩散系数。它们的计算如下所示：
式中：δ为边界层厚度；Uf为由于波浪产生的瞬时剪切速度；z为距底床的高度。
式中：k为底床粗糙度，为中值粒径2.5倍；为平均流速。
式中：是规则破浪作用中每周期平均耗能；T为波浪周期；H为波高；D为水深；n为波的数量。
海域泥沙计算数学模型计算泥沙运输加入Mike系列软件中的STPQ3D模块，泥沙运输模拟兼顾悬移质和推移质的综合作用，输沙率计算如下：
qt＝qb+qs
式中：qt为总输沙率；qb为推移质输沙率；qs为悬移质输沙率。
上述输水隧洞输水时的泥沙特征获取过程中的输水隧洞泥沙冲淤的三维数值模拟方法具有良好的扩展性，对于各种取水海域的地形地貌条件、取水口型式、输水隧洞型式及布置均没有限制，可以采用高性能计算机可以实现大范围海域、取水口局部水域、隧洞输水工程泥沙冲淤的分析。本示例提出的计算方法在MIKE 3和ANSYS FLUENT计算流体力学(CFD)软件平台上实现，MIKE 3是三维自由水面流的专业工程软件包，可以用于模拟河流、湖泊、水库、大型河口和外海的水利、水质和泥沙传输问题，ANSYS FLUENT是目前业内公认的商用计算流体力学软件，在此基础上开发的海水输水隧洞泥沙冲淤数值模拟技术具备可信的理论和先进的数值方法支撑。数学模型经过大量算例的测试，具有很高的可靠性，可以用于海水输水隧洞泥沙冲淤数值模拟研究。
应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中，如图6所示，提供了一种输水隧洞输水时的泥沙特征获取装置，包括：第一模拟模块210、第二模拟模块230、第三模拟模块250和确定模块270，其中：
第一模拟模块210，用于将取水海域的边界参数输入三维数值模拟计算模型，进行取水海域的水流运动模拟，得到取水海域在水流运动模拟过程中产生的潮流参数、水流含沙量和流场矢量图；三维数值模拟计算模型为依据待测区域的实测参数进行待测区域三维水流运动模拟和泥沙冲淤状态模拟的模型；
第二模拟模块230，用于将取水海域在模拟过程中产生的潮流参数、水流含沙量和流场矢量图，以及取水口的尺寸参数，输入三维数值模拟计算模型，进行取水口区域的泥沙冲淤状态模拟，得到取水口区域在泥沙冲淤状态模拟过程中产生的淤积分布特征和含沙量变化曲线；
第三模拟模块250，用于将取水口区域在模拟过程中产生的淤积分布特征和含沙量变化曲线，输入三维紊流泥沙数值模型，进行三维隧洞输水模拟，得到输水隧洞的泥沙输移规律；
确定模块270，用于根据泥沙输移规律确定输水隧洞在输水过程中的泥沙特征。
在一个实施例中，上述第三模拟模块进一步用于：
根据输水隧洞的一个工作井和与该工作井毗邻的一段隧洞确定一个输水单元模型，得到沿输水隧洞水流方向依次出现的多个输水单元模型；
将取水口区域在模拟过程中产生的淤积分布特征和含沙量变化曲线输入第一个输水单元模型进行三维隧洞输水模拟，获取模拟过程中产生的淤积分布特征和含沙量变化曲线；
依次将前一个输水单元模型在模拟过程中产生的淤积分布特征和含沙量变化曲线输入后一个输水单元模型进行输水模拟，直至最后一个输水单元模型实现三维隧洞输水模拟。
在一个实施例中，上述第二模拟模块进一步用于：
根据取水口的尺寸参数确定与所述取水口区域相适配的三维数值模拟计算模型，得到取水口区域模拟计算模型；
将取水海域在模拟过程中产生的潮流参数、水流含沙量和流场矢量图输入所述取水口区域模拟计算模型，进行取水口区域的泥沙冲淤状态模拟。
在一个实施例中，上述输水隧洞输水时的泥沙特征获取装置还包括：
获取模块，用于分别对取水海域的各类建筑物边界进行拟合，获取拟合得到的建筑物边界的边界参数。
在一个实施例中，上述三维数值模拟计算模型包括海域潮流计算数学模型、海域波浪计算数学模型和海域泥沙计算数学模型。
作为一个实施例，上述输水隧洞输水时的泥沙特征获取装置还包括：
构建模块，用于采用Mike系列软件中的水动力模块构建海域潮流计算数学模型，采用Mike21系列软件中的波浪模块构建海域波浪计算数学模型，采用Mike系列软件中的输沙模块构建海域泥沙计算数学模型。
作为一个实施例，上述输水隧洞输水时的泥沙特征获取装置还包括：
验证模块，用于分别对海域潮流计算数学模型、海域波浪计算数学模型和海域泥沙计算数学模型进行验证；
输入模块，用于在海域潮流计算数学模型、海域波浪计算数学模型和海域泥沙计算数学模型均验证通过后，将取水海域的边界参数分别输入海域潮流计算数学模型、海域波浪计算数学模型和海域泥沙计算数学模型进行取水海域的水流运动模拟。
关于输水隧洞输水时的泥沙特征获取装置的具体限定可以参见上文中对于输水隧洞输水时的泥沙特征获取方法的限定，在此不再赘述。上述输水隧洞输水时的泥沙特征获取装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，其内部结构图可以如图7所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种输水隧洞输水时的泥沙特征获取方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
本领域技术人员可以理解，图7中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现以下步骤：
将取水海域的边界参数输入三维数值模拟计算模型，进行取水海域的水流运动模拟，得到取水海域在水流运动模拟过程中产生的潮流参数、水流含沙量和流场矢量图；三维数值模拟计算模型为依据待测区域的实测参数进行待测区域三维水流运动模拟和泥沙冲淤状态模拟的模型；
将取水海域在模拟过程中产生的潮流参数、水流含沙量和流场矢量图，以及取水口的尺寸参数，输入三维数值模拟计算模型，进行取水口区域的泥沙冲淤状态模拟，得到取水口区域在泥沙冲淤状态模拟过程中产生的淤积分布特征和含沙量变化曲线；
将取水口区域在模拟过程中产生的淤积分布特征和含沙量变化曲线，输入三维紊流泥沙数值模型，进行三维隧洞输水模拟，得到输水隧洞的泥沙输移规律；
根据泥沙输移规律确定输水隧洞在输水过程中的泥沙特征。
在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：
根据输水隧洞的一个工作井和与该工作井毗邻的一段隧洞确定一个输水单元模型，得到沿输水隧洞水流方向依次出现的多个输水单元模型；将取水口区域在模拟过程中产生的淤积分布特征和含沙量变化曲线输入第一个输水单元模型进行三维隧洞输水模拟，获取模拟过程中产生的淤积分布特征和含沙量变化曲线；依次将前一个输水单元模型在模拟过程中产生的淤积分布特征和含沙量变化曲线输入后一个输水单元模型进行输水模拟，直至最后一个输水单元模型实现三维隧洞输水模拟。
在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：
根据取水口的尺寸参数确定与取水口区域相适配的三维数值模拟计算模型，得到取水口区域模拟计算模型；将取水海域在模拟过程中产生的潮流参数、水流含沙量和流场矢量图输入取水口区域模拟计算模型，进行取水口区域的泥沙冲淤状态模拟。
在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：
分别对取水海域的各类建筑物边界进行拟合，获取拟合得到的建筑物边界的边界参数。
在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：
采用Mike系列软件中的水动力模块构建海域潮流计算数学模型，采用Mike21系列软件中的波浪模块构建海域波浪计算数学模型，采用Mike系列软件中的输沙模块构建海域泥沙计算数学模型。
在一个实施例中，处理器执行计算机程序时还实现以下步骤：
分别对海域潮流计算数学模型、海域波浪计算数学模型和海域泥沙计算数学模型进行验证；在海域潮流计算数学模型、海域波浪计算数学模型和海域泥沙计算数学模型均验证通过后，将取水海域的边界参数分别输入海域潮流计算数学模型、海域波浪计算数学模型和海域泥沙计算数学模型进行取水海域的水流运动模拟。
据此，在一个实施例中还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，该程序被处理器执行时实现如上述各实施例中的任意一种输水隧洞输水时的泥沙特征获取方法。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
本申请实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。
在本文中提及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种输水隧洞输水时的泥沙特征获取方法，其特征在于，所述方法包括：
将取水海域的边界参数输入三维数值模拟计算模型，进行所述取水海域的水流运动模拟，得到所述取水海域在水流运动模拟过程中产生的潮流参数、水流含沙量和流场矢量图；所述三维数值模拟计算模型为依据待测区域的实测参数进行所述待测区域三维水流运动模拟和泥沙冲淤状态模拟的模型；
将所述取水海域在模拟过程中产生的潮流参数、水流含沙量和流场矢量图，以及取水口的尺寸参数，输入所述三维数值模拟计算模型，进行取水口区域的泥沙冲淤状态模拟，得到所述取水口区域在泥沙冲淤状态模拟过程中产生的淤积分布特征和含沙量变化曲线；
将所述取水口区域在模拟过程中产生的淤积分布特征和含沙量变化曲线，输入三维紊流泥沙数值模型，进行三维隧洞输水模拟，得到输水隧洞的泥沙输移规律；
根据所述泥沙输移规律获得输水隧洞在输水过程中的泥沙特征。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述取水口区域在模拟过程中产生的淤积分布特征和含沙量变化曲线，输入三维紊流泥沙数值模型，进行三维隧洞输水模拟包括：
根据输水隧洞的一个工作井和与所述工作井毗邻的一段隧洞确定一个输水单元模型，得到沿所述输水隧洞水流方向依次出现的多个输水单元模型；
将所述取水口区域在模拟过程中产生的淤积分布特征和含沙量变化曲线输入第一个输水单元模型进行三维隧洞输水模拟，获取模拟过程中产生的淤积分布特征和含沙量变化曲线；
依次将前一个输水单元模型在模拟过程中产生的淤积分布特征和含沙量变化曲线输入后一个输水单元模型进行输水模拟，直至最后一个输水单元模型实现三维隧洞输水模拟。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述取水海域在模拟过程中产生的潮流参数、水流含沙量和流场矢量图，以及取水口的尺寸参数，输入所述三维数值模拟计算模型，进行取水口区域的泥沙冲淤状态模拟包括：
根据所述取水口的尺寸参数确定与所述取水口区域相适配的三维数值模拟计算模型，得到取水口区域模拟计算模型；
将所述取水海域在模拟过程中产生的潮流参数、水流含沙量和流场矢量图输入所述取水口区域模拟计算模型，进行取水口区域的泥沙冲淤状态模拟。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述将取水海域的边界参数输入三维数值模拟计算模型，进行所述取水海域的水流运动模拟，得到所述取水海域在水流运动模拟过程中产生的潮流参数、水流含沙量和流场矢量图之前，所述方法还包括：
分别对所述取水海域的各类建筑物边界进行拟合，获取拟合得到的建筑物边界的边界参数。
5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述三维数值模拟计算模型包括海域潮流计算数学模型、海域波浪计算数学模型和海域泥沙计算数学模型。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述将取水海域的边界参数输入三维数值模拟计算模型，进行所述取水海域的水流运动模拟，得到所述取水海域在水流运动模拟过程中产生的潮流参数、水流含沙量和流场矢量图之前，所述方法还包括：
采用Mike系列软件中的水动力模块构建所述海域潮流计算数学模型，采用Mike21系列软件中的波浪模块构建所述海域波浪计算数学模型，采用所述Mike系列软件中的输沙模块构建所述海域泥沙计算数学模型。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
分别对所述海域潮流计算数学模型、所述海域波浪计算数学模型和所述海域泥沙计算数学模型进行验证；
在所述海域潮流计算数学模型、所述海域波浪计算数学模型和所述海域泥沙计算数学模型均验证通过后，将取水海域的边界参数分别输入所述海域潮流计算数学模型、所述海域波浪计算数学模型和所述海域泥沙计算数学模型进行所述取水海域的水流运动模拟。
8.一种输水隧洞输水时的泥沙特征获取装置，其特征在于，所述装置包括：
第一模拟模块，用于将取水海域的边界参数输入三维数值模拟计算模型，进行所述取水海域的水流运动模拟，得到所述取水海域在水流运动模拟过程中产生的潮流参数、水流含沙量和流场矢量图；所述三维数值模拟计算模型为依据待测区域的实测参数进行所述待测区域三维水流运动模拟和泥沙冲淤状态模拟的模型；
第二模拟模块，用于将取水海域在模拟过程中产生的潮流参数、水流含沙量和流场矢量图，以及取水口的尺寸参数，输入所述三维数值模拟计算模型，进行取水口区域的泥沙冲淤状态模拟，得到取水口区域在泥沙冲淤状态模拟过程中产生的淤积分布特征和含沙量变化曲线；
第三模拟模块，用于将所述取水口区域在模拟过程中产生的淤积分布特征和含沙量变化曲线，输入三维紊流泥沙数值模型，进行三维隧洞输水模拟，得到所述三维隧洞输水模拟过程中的泥沙输移规律；
确定模块，用于根据所述泥沙输移规律确定输水隧洞在输水过程中的泥沙特征。
9.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。
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