CN113642274B - 一种基于流场模型的河流流量计算方法 - Google Patents

一种基于流场模型的河流流量计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于流场模型的河流流量计算方法，包括河道断面测绘：对河道的边界条件进行测绘，结合数值积分算法，对各个断面网格进行重构拟合，构建拟合断面；河流流速CFD仿真：利用流体力学对河道断面流速进行仿真，得到河道断面各点的流速分布；重构流速场：采用径向神经网络的方法重构建立流速场；修正流速场：采用基于修正函数的有限元分析方法对重构的流速场进行修正；河道流量测算：通过修正后的流速场和拟合断面，两者共同构成了流场模型，结合现场监测点数据和流场模型，反演出整个河道断面的流速分布及断面面积。本发明相较于现有技术，通过测绘、仿真、重构、反演能够因地制宜的实现河流流量的动态监测，极大节省了人力成本。

Description

一种基于流场模型的河流流量计算方法
技术领域
本发明涉及水资源管理技术领域，尤其涉及一种基于流场模型的河流流量计算方法。
背景技术
流量是河流的重要水文特征，是反映水资源的基本资料，也是小水电站可行性研究的必要的资料。
河流流量测量是水文工作者的重要任务之一，传统的河流流量测量方法包括人工船测、桥测、缆道测量和涉水测量。其基本原理是在测流断面上布设多条垂线，在每条垂线处测量水深并用流速仪测量一至几个点的流速从而得到垂线平均流速，这种传统方法费工费时，效率低。
在河流流量测试过程中，一般来讲，测试人员多是运用转子式的流速仪进行河流流速以及水深的测量，并利用断面面积将测量结果转化为流量的真实数据。在运用上述两种河流流量测量方法时，测量人员应先行修建缆道，盖房观测，牵高、低压线等，整个过程下来耗费时间较长，工作量较大，成本投入较高，且难以实现在线观测。针对这种情况，作为水资源发达的身份，防洪预警工作较为艰难。
实际的河流断面流量测量中，由于河道断面的不规整，水深随着断面位置和河岸距离变化，且流速的变化也更加复杂，这都使得河流流量测量十分棘手。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于流场模型的河流流量计算方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于流场模型的河流流量计算方法，包括：
河道断面测绘：将河道断面划分为多个断面网格，对河道的边界条件进行测绘，结合数值积分算法，对各个断面网格进行重构拟合，构建拟合断面；
河流流速CFD仿真：结合河流流速、水位和河道边界条件的测绘结果，利用流体力学对河道断面流速进行仿真，得到河道断面各点的流速分布；
重构流速场：在利用流体力学仿真得到的流速场数据的基础之上，采用径向神经网络的方法重构建立流速场；
修正流速场：以测绘阶段积累的流速数据以及河流的历史数据为依据，采用基于修正函数的有限元分析方法对重构的流速场进行修正；
河道流量测算：通过修正后的流速场和拟合断面，两者共同构成了流场模型，结合现场监测点数据和流场模型，反演出整个河道断面的流速分布及断面面积。
所述划分河道断面具体包括：根据河道宽度，将河道等间距划分，并在划分处设立垂线，使得河道横截面被划分成多个网格。
所述边界条件测绘的目标是得到河流水质情况、河道坡度和糙率。
所述数值积分算法包括梯形公式、辛普森公式、中矩形公式和高斯公式。
所述河道断面流速仿真采用流体力学中的3D湍流计算模型。
所述河道流量测算具体步骤为：沿河道横向布置k个监测点，监测此处的河流水位
Figure 953182DEST_PATH_IMAGE001
及其表面流速数据
Figure 808006DEST_PATH_IMAGE002
，i=1、2、...、k；通过河流水位、表面流速和测绘阶段划分的n个网格断面，利用建立的流场模型得到各网格断面的平均流速
Figure 56585DEST_PATH_IMAGE003
，网格断面面积
Figure 655056DEST_PATH_IMAGE004
，从而采用面积包围法计算断面流量：
Figure 935340DEST_PATH_IMAGE005
。
本发明的有益效果：
首先相较于传统的人工测绘的流速面积法，本发明在传统基础上只需要一次的测绘，后续采用CFD和径向神经网络相结合的方式可以实现流量监测。
其次相较于现有技术采用的固定流速推演公式，本发明在利用CFD仿真的基础上采用径向神经网络进行重构，可以适应多种工况和环境，且后续还可以根据实际数据进行动态修正。
最后，相较于图像测流的方式而言，每一次测量都需要布置测流粒子来获取图像进行测流分析，且需要购买特定的摄像设备，本发明的优势在于和传统的测流方式相结合，成本降低，同时也可实现流量监测。
本发明相较于现有技术，通过测绘、仿真、重构、反演能够因地制宜的实现河流流量的动态监测，极大的节省了人力成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明的流程框图；
图2是本发明的河道断面网格划分图。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种基于流场模型的河流流量计算方法，包括：
河道断面测绘：人为设置垂线将河道断面划分为多个断面网格，对河道的边界条件工况进行测绘，结合数值积分算法，对各个断面网格进行重构拟合，构建一个目标河道的及时拟合断面；
在实际的河流断面流量测量中，区别于传统的明渠测流，河道断面往往是不规则的断面。基于此，利用测量装置从河道的左岸开始每隔一定的距离设立垂线进行此垂线河流流速和水位的测量一直到河道的右岸；这些垂线将河道断面划分为了多个网格。最后对河道的边界条件工况进行测绘。
测绘过程依据河道的宽度施测n条横向水平测线，并记录其到河道一岸的距离
Figure 961065DEST_PATH_IMAGE006
；得到n个水位数据
Figure 696940DEST_PATH_IMAGE007
，并在每条水平测线出摘取m条垂线流速数据
Figure 364682DEST_PATH_IMAGE008
，其中i=1、2、3...n，j=1、2、3...m。边界条件需要测绘得到河流水质情况，河道的大致坡度、糙率等。(距离和水位单位为m，流速单位m/s）
垂线将河道断面划分为了多个断面网格，基于垂线的水位数据，结合适应的数值积分算法：梯形公式、梯形公式、辛普森公式、中矩形公式、高斯法等，可以对各断面网格分别进行重构拟合。
由于这些断面网格代表了河道的整个断面情况，从而可以构建出一个目标河道的近似拟合断面。
网格断面的重构拟合要依据实际的工况确定：梯形公式和中矩形公式适合于断面网格较为规整的情况；辛普森公式适合于断面网格不规整、水深呈现线性变化的情况；高斯公式则很大程度取决于权重系数和测点情况的选择。
以区间
Figure 502402DEST_PATH_IMAGE009
的断面网格为例，
Figure 699028DEST_PATH_IMAGE010
,
Figure 922199DEST_PATH_IMAGE011
分别表示
Figure 128052DEST_PATH_IMAGE012
,
Figure 120279DEST_PATH_IMAGE013
处的水位，
Figure 753386DEST_PATH_IMAGE014
表示
Figure 463853DEST_PATH_IMAGE015
和
Figure 207818DEST_PATH_IMAGE016
中间的水位，S表示断面网格的拟合面积，则：
梯形公式法：
Figure 54551DEST_PATH_IMAGE017
辛普森公式法：
Figure 858559DEST_PATH_IMAGE018
中矩形公式法：
Figure 70971DEST_PATH_IMAGE019
高斯公式法：
Figure 618627DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 319867DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 560355DEST_PATH_IMAGE022
为权重系数，S单位为
Figure 979835DEST_PATH_IMAGE023
。
河流流速CFD仿真：结合测绘阶段得到的流速、水位数据以及河道边界工况的测绘，利用流体力学对河道断面流速进行仿真，得到河道断面各点的流速分布；
对于规则断面的水力学问题的处理比较容易, 而天然河流断面形状很复杂, 水深随断面位置和与河岸的距离而变化, 流速变化就更复杂,它是一种三维动态函数, 其大小和方向都随位置和时间变化, 为了解决这种复杂水流的流场结构问题, 最好是采用流体力学中的3D湍流计算模型。
基于测绘阶段得到的流速和水位数据，以及河道边界工况的测绘，我们采用计算流体力学（CFD）的方法对河道的断面流速分布进行仿真以此来得到河道断面各点的流速分布。
重构流速场：利用流体力学仿真得到的流速场数据的基础之上，采用径向神经网络的方法重构建立流速场；
天然河道中由于流速变化的复杂性，单一的指数分布或对数分布规律不足以描述整体的流速分布情况，在利用流体力学仿真得到的流速场数据的基础之上，采用径向神经网络的方法重构建立流速场。
修正流速场：以测绘阶段积累的流速数据以及河流的历史数据为依据，采用基于修正函数的有限元分析方法对重构的流速场进行修正；
以测绘阶段积累的流速数据以及河流的历史数据为依据，采用基于修正函数的有限元分析方法对重构的流速场进行修正，使其能够更加的接近于实际的流速场。
河道流量测算：通过修正的流速场和拟合得到的河道断面，两者共同构成了流场模型，结合现场监测点数据和建立的流场模型，反演出整个河道断面的流速分布及断面面积。
如图2所示，所述划分河道断面具体包括：根据河道宽度，将河道等间距划分，并在划分处设立垂线，使得河道横截面被划分成多个网格。
所述边界条件测绘的目标是得到河流水质情况、河道坡度和糙率。
所述数值积分算法包括梯形公式、辛普森公式、中矩形公式和高斯公式。
所述河道断面流速仿真采用流体力学中的3D湍流计算模型。
在经历了上述的测绘-仿真-重构-修正四个阶段，可以得到一个修正的流速场和拟合得到的河道断面，两者共同构成了流场模型。沿河道横向布置k个监测点（监测点的选取应具有代表性，如河道中部和两侧），监测此处的河流水位
Figure 65603DEST_PATH_IMAGE024
及其表面流速数据
Figure 886928DEST_PATH_IMAGE025
，i=1、2、...、k；通过河流水位、表面流速和测绘阶段划分的n个网格断面，利用建立的流场模型得到各网格断面的平均流速
Figure 298318DEST_PATH_IMAGE026
，网格断面面积
Figure 205094DEST_PATH_IMAGE027
，从而采用面积包围法计算断面流量：
Figure 94553DEST_PATH_IMAGE028
，流量Q单位：
Figure 770385DEST_PATH_IMAGE029
。
首先相较于传统的人工测绘的流速面积法，本专利在其基础上只需要一次的测绘，后续采用CFD和径向神经网络相结合的方式可以实现流量监测。
其次相较于部分专利采用的固定流速推演公式，本专利在利用CFD仿真的基础上采用径向神经网络进行重构，可以适应多种工况和环境，且后续还可以根据实际数据进行动态修正。
最后，相较于图像测流的方式而言，每一次测量都需要布置测流粒子来获取图像进行测流分析，且需要购买特定的摄像设备，本专利的优势在于和传统的测流方式相结合，成本降低，同时也可实现流量监测
本发明相较于现有技术，通过测绘、仿真、重构、反演能够因地制宜的实现河流流量的动态监测，极大的节省了人力成本。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种基于流场模型的河流流量计算方法，其特征在于，包括：
河道断面测绘：将河道断面划分为多个断面网格，对河道的边界条件进行测绘，结合数值积分算法，对各个断面网格进行重构拟合，构建拟合断面；
河流流速CFD仿真：结合河流流速、水位和河道边界条件的测绘结果，利用流体力学对河道断面流速进行仿真，得到河道断面各点的流速分布；
重构流速场：在利用流体力学仿真得到的流速场数据的基础之上，采用径向神经网络的方法重构建立流速场；
修正流速场：以测绘阶段积累的流速数据以及河流的历史数据为依据，采用基于修正函数的有限元分析方法对重构的流速场进行修正；
河道流量测算：通过修正后的流速场和拟合断面，两者共同构成了流场模型，结合现场监测点数据和流场模型，反演出整个河道断面的流速分布及断面面积。
2.根据权利要求1所述的一种基于流场模型的河流流量计算方法，其特征在于，划分所述河道断面具体包括：根据河道宽度，将河道等间距划分，并在划分处设立垂线，使得河道横截面被划分成多个网格。
3.根据权利要求1所述的一种基于流场模型的河流流量计算方法，其特征在于，测绘所述河道的边界条件的目标是得到河流水质情况、河道坡度和糙率。
4.根据权利要求1所述的一种基于流场模型的河流流量计算方法，其特征在于，所述数值积分算法包括梯形公式、辛普森公式、中矩形公式和高斯公式。
5.根据权利要求1所述的一种基于流场模型的河流流量计算方法，其特征在于，仿真所述河道断面流速采用流体力学中的3D湍流计算模型。
6.根据权利要求1所述的一种基于流场模型的河流流量计算方法，其特征在于，所述河道流量测算具体步骤为：沿河道横向布置k个监测点，监测此处的河流水位
Figure 190429DEST_PATH_IMAGE001
及其表面流速数据
Figure 584501DEST_PATH_IMAGE002
，i=1、2、...、k；通过河流水位、表面流速和测绘阶段划分的n个网格断面，利用建立的流场模型得到各网格断面的平均流速
Figure 12072DEST_PATH_IMAGE003
，网格断面面积
Figure 542410DEST_PATH_IMAGE004
，从而采用面积包围法计算断面流量：
Figure 292673DEST_PATH_IMAGE005
。
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