CN115408959A - 波浪作用下冰盖破碎过程模拟方法、系统、设备及介质 - Google Patents

波浪作用下冰盖破碎过程模拟方法、系统、设备及介质 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种波浪作用下冰盖破碎过程模拟方法、系统、设备及介质，属于数字水利工程领域。该方法首先根据地形高程数据进行计算网格划分和高程插值，建立目标河道的河道模型；根据目标河道的流量水位监测数据确定河流平稳期时的稳态水力模型并率定所述河道模型的糙率；根据河道模型和所述稳态水力模型调试构造目标涌水波的流量边界条件；采集目标河道的图像并根据图像建立目标河道水面处的冰盖计算模型；基于涌水波的流量边界条件和冰盖计算模型模拟目标涌水波与冰盖的相互作用过程和冰盖破碎过程并进行模拟结果的可视化显示。采用本发明方法能够实现对特定目标河道中不同形状波浪和冰盖相互作用以及冰盖破碎过程的准确模拟。

Description

波浪作用下冰盖破碎过程模拟方法、系统、设备及介质
技术领域
本发明涉及数字水利工程技术领域，特别是涉及一种波浪作用下冰盖破碎过程模拟方法、系统、设备及介质。
背景技术
随着黄河流域生态保护和高质量发展以及数字水利建设进程不断推进，通过计算机模拟技术建立或发展基于河流动力学理论的数值模拟方法以直接描述河流具体物理过程已经成为现阶段中国国家水利工作发展的热点问题。高寒地区的河流冬季都要面临河冰现象，春季开河期由融雪化冰或降雨导致的流量急剧上涨会产生涌水波浪，波浪与静止冰盖发生相互作用使得冰盖发生断裂进而开河，开河后冰盖破碎会产生大量碎冰。碎冰在输移过程中如果遇到弯道、浅滩或束窄等特殊地形易发展形成冰坝，由此引发的冰坝洪水会对流域防洪、航运以及水力发电、渠系输水等工程带来重大危害。对河道冰情发展趋势的准确推断，是河道流域防凌治灾工作的重点。由于波浪导致的冰盖破碎过程发生突然、过程短暂，很难通过野外观测捕捉到整个冰-水动力过程，这就需要建立一种考虑涌水波-冰层相互作用机理的冰盖破碎数值模拟方法，以此对浪-冰相互作用过程进行研究以及对波浪作用下冰盖破碎状态进行预警预报。然而，现有的研究成果中还未有能够模拟河流冰盖破碎过程的数值模拟方法。
发明内容
本发明的目的是提出一种波浪作用下冰盖破碎过程模拟方法、系统、设备及介质，以对开河期冰盖破碎行为和冰情发展进行准确模拟，进而为河冰动力学研究和冰期洪水预测提供参考。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一方面，本发明提供一种波浪作用下冰盖破碎过程模拟方法，包括：
获取目标河道的地形高程数据并根据所述地形高程数据进行计算网格划分和高程插值，建立所述目标河道的河道模型；
根据所述目标河道的流量水位监测数据确定河流平稳期时的稳态水力模型并率定所述河道模型的糙率；
根据所述河道模型和所述稳态水力模型调试构造目标涌水波的流量边界条件；
采集所述目标河道的冰情图像资料并根据冰情图像资料建立目标河道水面处的冰盖计算模型；
基于所述目标涌水波的流量边界条件和所述冰盖计算模型模拟目标涌水波与冰盖的相互作用过程和冰盖破碎过程并进行模拟结果的可视化显示。
可选地，所述获取目标河道的地形高程数据并根据所述地形高程数据进行计算网格划分和高程插值，建立所述目标河道的河道模型，具体包括：
获取目标河道的地形高程数据；
基于所述地形高程数据，通过水文软件SMS对所述目标河道的边界进行高程插值，对计算网格进行构建，以此确定河道模型计算域和计算网格，确定河道入流和出流的上下游边界，从而建立出所述目标河道的河道模型。
可选地，所述根据所述目标河道的流量水位监测数据确定河流平稳期时的稳态水力模型并率定所述河道模型的糙率，具体包括：
根据所述目标河道的流量水位监测数据确定河流平稳期时的流量边界条件Q0(t)；
将所述河流平稳期时的流量边界条件Q0(t)代入河流二维浅水方程进行求解，得到河道沿程流速和水位分布情况并据此构建河流平稳期时的稳态水力模型；
通过将所述河道沿程流速和水位分布情况与所述流量水位监测数据对比率定所述河道模型的糙率。
可选地，所述根据所述目标河道的河道模型和稳态水力模型调试构造目标涌水波的流量边界条件，具体包括：
根据所述河流平稳期时的流量边界条件Q0(t)建立涌水波水力模型的流量边界条件
Figure BDA0003842058590000031
其中t表示时间变量，Q(t)为涌水波水力模型的流量边界条件；δ为流量最大增量比例系数，t0为流量变化的时间；
基于所述河道模型和所述稳态水力模型，由上游至下游依次选取河道深泓线附近处的节点，以节点沿河道距上游边界距离为横坐标，以节点处的水面高程为纵坐标，绘制河道沿程水面线分布曲线；所述河道沿程水面线能够反映所述涌水波水力模型中设置流量边界条件生成的波浪波形；
根据所述河道沿程水面线反映的波浪波形对所述涌水波水力模型中的流量边界条件Q(t)做适当调整，调试出目标涌水波的流量边界条件。
可选地，所述采集所述目标河道的冰情图像资料并根据冰情图像资料建立目标河道水面处的冰盖计算模型，具体包括：
采集所述目标河道的冰情图像资料并根据冰情图像资料确定目标河道水面处冰盖的几何信息，所述冰盖的几何信息包括冰盖的形状和尺寸；
根据现场观测资料确定目标河道水面处冰盖的厚度和强度；
将所述冰盖的几何信息等比例嵌入所述河道模型的河道边界中以形成计算冰域；
通过网格划分软件将所述计算冰域划分成冰域计算平面网格；
采用闵可夫斯基差运算对所述冰域计算平面网格进行腐蚀运算，并根据所述冰盖的厚度对冰域计算平面网格进行厚度方向的拉伸，根据闵可夫斯基和运算用球体扩展多边形得到计算冰域内部的扩展多面体单元；
采用离散元方法粘结模型将所述扩展多面体单元进行粘结组成完整的冰盖离散元计算模型；
根据所述冰盖的强度设定所述冰盖离散元计算模型中各计算单元的粘结强度，得到所述冰盖计算模型。
可选地，所述基于所述目标涌水波的流量边界条件和所述冰盖计算模型模拟目标涌水波与冰盖的相互作用过程和冰盖破碎过程并进行模拟结果的可视化显示，具体包括：
将所述目标涌水波的流量边界条件和所述冰盖计算模型置于同一坐标系中进行离散元水动力学耦合计算，模拟目标涌水波与冰盖的相互作用过程和冰盖破碎过程；
通过绘制断开的河冰粘结单元来反映冰盖裂纹分布变化时程结果，统计碎冰块的数量和尺寸分布并进行模拟结果的可视化显示。
另一方面，本发明还提供一种波浪作用下冰盖破碎过程模拟系统，包括：
河道模型建立模块，用于获取目标河道的地形高程数据并根据所述地形高程数据进行计算网格划分和高程插值，建立所述目标河道的河道模型；
水力模型建立模块，用于根据所述目标河道的流量水位监测数据确定河流平稳期时的稳态水力模型并率定所述河道模型的糙率；
流量边界条件调试模块，用于根据所述河道模型和所述稳态水力模型调试构造目标涌水波的流量边界条件；
冰盖计算模型建立模块，用于采集所述目标河道的冰情图像资料并根据冰情图像资料建立目标河道水面处的冰盖计算模型；
冰盖破碎过程模拟模块，用于基于所述目标涌水波的流量边界条件和所述冰盖计算模型模拟目标涌水波与冰盖的相互作用过程和冰盖破碎过程并进行模拟结果的可视化显示。
另一方面，本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述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所述的波浪作用下冰盖破碎过程模拟方法。
另一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现所述的波浪作用下冰盖破碎过程模拟方法。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种波浪作用下冰盖破碎过程模拟方法、系统、设备及介质，所述方法包括：获取目标河道的地形高程数据并根据所述地形高程数据进行计算网格划分和高程插值，建立所述目标河道的河道模型；根据所述目标河道的流量水位监测数据确定河流平稳期时的稳态水力模型并率定所述河道模型的糙率；根据所述河道模型和所述稳态水力模型调试构造目标涌水波的流量边界条件；采集所述目标河道的冰情图像资料并根据冰情图像资料建立目标河道水面处的冰盖计算模型；基于所述目标涌水波的流量边界条件和所述冰盖计算模型模拟目标涌水波与冰盖的相互作用过程和冰盖破碎过程并进行模拟结果的可视化显示。采用本发明方法能够实现对特定目标河道中不同形状波浪和冰盖相互作用以及冰盖破碎过程的准确模拟，合理计算特定河道中冰盖在波浪作用下的裂纹分布和破碎状态，为河冰动力学研究和冰期洪水预测提供准确的参考依据。
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获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的波浪作用下冰盖破碎过程模拟方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的冰盖卫星图像示意图；
图3为本发明实施例提供的冰域范围示意图；
图4为本发明实施例提供的Minkowski Differences腐蚀运算的过程示意图；
图5为本发明实施例提供的Minkowski Sums扩展运算的过程示意图；
图6为本发明实施例提供的冰盖破碎裂纹结果示意图；
图7为本发明实施例提供的不同边界条件参数下的波浪示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做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。
本发明的目的提出一种波浪作用下冰盖破碎过程模拟方法、系统、设备及介质，以对开河期冰盖破碎行为和冰情发展进行准确模拟，进而为河冰动力学研究和冰期洪水预测提供参考。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例提供的波浪作用下冰盖破碎过程模拟方法的流程图。参见图1，本发明一种波浪作用下冰盖破碎过程模拟方法包括：
步骤1：获取目标河道的地形高程数据并根据所述地形高程数据进行计算网格划分和高程插值，建立所述目标河道的河道模型。
本发明将待研究的特定河道作为目标河道，获取该目标河道的地形高程数据。基于特定河道的地形高程数据，通过水文软件SMS(Surface Water Modeling System，表面水建模系统)对所述目标河道的边界进行高程插值，并对计算网格(通常为三角网格)进行构建，以此确定河道模型计算域和计算网格，确定河道入流和出流的上下游边界，从而建立出所述目标河道的河道模型。该河道模型是水流计算依托的河道河床河岸边界，相当于固体边界，水流只在该固体边界内运动。
步骤2：根据所述目标河道的流量水位监测数据确定河流平稳期时的稳态水力模型并率定所述河道模型的糙率。
该步骤2根据目标河道的历史水文监测数据(主要包含流量和水位监测数据)确定河流平稳期时的流量边界条件Q0(t)，将其代入河流二维浅水方程进行求解，建立目标河道的稳态水力模型，并率定河道模型的糙率，以保证后续水力计算的准确性。
因此，所述步骤2根据所述目标河道的流量水位监测数据确定河流平稳期时的稳态水力模型并率定所述河道模型的糙率，具体包括：
步骤2.1：根据所述目标河道的流量水位监测数据确定目标河道的初始稳态流量Q0(t)，作为河流平稳期时的流量边界条件Q0(t)，简写为Q0；
步骤2.2：将所述河流平稳期时的流量边界条件Q0(t)代入河流二维浅水方程进行求解，得到河道沿程流速、水位分布情况并据此构建河流平稳期时的稳态水力模型；
步骤2.3：通过将所述河道沿程流速和水位分布情况与所述流量水位监测数据对比率定所述河道模型的糙率。
该河流二维浅水方程是常用的水流数值计算控制方程，表示河道沿程流量和水位随位置和时间的变化关系，带入边界条件能够计算出整个河道的流速和水位的变化。而本发明建立的稳态水力模型，指的是河道的河水运动情况，即流速、水位随时间的变化情况，是水流条件，用来驱动冰块运动，由河流二维浅水方程求解得到。河道模型的糙率是二维浅水方程计算需要的一个参数，会影响计算的准确性，本发明通过与河道水位实测数据对比来率定该参数，以保证后续水力计算的准确性。
步骤3：根据所述河道模型和所述稳态水力模型调试构造目标涌水波的流量边界条件。
首先，基于所述河道模型和所述稳态水力模型，在上游开边界处设置流量Q(t)，Q(t)在初始稳态流量Q0(t)的基础上，线性增大，即：
Figure BDA0003842058590000071
其中Q0(t)为初始稳态流量，t表示时间变量，Q(t)为涌水波水力模型的流量边界条件。δ为流量最大增量比例系数，t0为流量变化的时间。通过调整δ和t0能够改变生成的波浪形状。下游边界处设置固定水位，其值为初始稳态流量Q0(t)对应的正常水位。
然后，基于所述河道模型和所述稳态水力模型，由上游至下游依次选取河道深泓线附近处的节点，以节点沿河道距上游边界距离为横坐标，以节点处的水面高程为纵坐标，绘制河道沿程水面线分布曲线；所述河道沿程水面线能够反映所述涌水波水力模型中设置流量边界条件生成的波浪波形。
最后根据所述河道沿程水面线分布曲线反映的波浪波形对所述涌水波水力模型中的流量边界条件Q(t)做适当调整，调试得到目标涌水波及其生成的流量边界条件，即得到构造出目标涌水波的流量边界条件Q(t)。本发明所述边界条件通常是流量和水位，即除流量边界条件Q(t)外还包括正常水位。
步骤4：采集所述目标河道的冰情图像资料并根据冰情图像资料建立目标河道水面处的冰盖计算模型。
该步骤4用于确定河道水面处的冰盖计算模型，首先根据卫星图片或无人机航拍图确定冰域范围，获得冰盖的形状和尺寸；根据图像将整块冰盖划分为离散的计算单元，通过离散元方法对冰盖进行模拟，调整计算单元计算参数以正确反映冰盖的力学性质，为后续冰-水耦合计算做准备。
因此，所述步骤4采集所述目标河道的冰情图像资料并根据冰情图像资料建立目标河道水面处的冰盖计算模型，具体包括：
步骤4.1：采集所述目标河道的冰情图像资料并根据冰情图像资料确定目标河道水面处冰盖的几何信息；所述冰盖的几何信息包括冰盖的形状和尺寸；
可以根据卫星或无人机拍摄的冰情图像资料来确定冰盖范围(尺寸)、形状等几何特征，图2为冰盖卫星图像示意图。
步骤4.2：根据现场观测资料确定目标河道水面处冰盖的厚度和强度；
步骤4.3：将所述冰盖的几何信息等比例嵌入所述河道模型的河道边界中以形成计算冰域；图3示出了图2对应的计算冰域范围；
步骤4.4：通过网格划分软件将所述计算冰域划分成冰域计算平面网格；
将步骤4.1得到的冰盖几何信息等比例嵌入步骤1中建立的河道模型的河道边界中，通过网格划分软件(如，CAE前处理软件Hypermesh或地表水模拟软件SMS)，将计算冰域划分成冰域计算平面网格，例如三角网格或者多边形网格；
步骤4.5：采用闵可夫斯基差运算对所述冰域计算平面网格进行腐蚀运算，并根据所述冰盖的厚度对冰域计算平面网格进行厚度方向的拉伸，根据闵可夫斯基和运算用球体扩展多边形得到计算冰域内部的扩展多面体单元；
参见公式(2)和图4，采用闵可夫斯基差(MinkowskiDifferences)运算对冰域三角网格或者多边形网格进行腐蚀运算，并对冰域计算平面网格进行厚度方向的拉伸；参见公式(3)和图5，根据闵可夫斯基和(Minkowski Sums)运算用球体扩展多边形得到计算冰域内部的扩展多面体单元：
Figure BDA0003842058590000091
Figure BDA0003842058590000092
其中A和B表示两个几何体，x和y是几何体中的点坐标。公式(2)对应于图4，公式(3)对应于图5。
步骤4.6：采用离散元方法粘结模型将所述扩展多面体单元进行粘结组成完整的冰盖离散元计算模型；
步骤4.7：根据所述冰盖的强度设定所述冰盖离散元计算模型中各计算单元的粘结强度，得到所述冰盖计算模型。
步骤5：基于所述目标涌水波的流量边界条件和所述冰盖计算模型模拟目标涌水波与冰盖的相互作用过程和冰盖破碎过程并进行模拟结果的可视化显示。
该步骤5将所述目标涌水波的流量边界条件所述冰盖计算模型置于同一坐标系中进行河冰离散元水动力学耦合计算，模拟目标涌水波与冰盖的相互作用过程和冰盖破碎过程；通过绘制断开的河冰粘结单元来反映冰盖裂纹分布变化时程结果，统计碎冰块的数量和尺寸分布并进行模拟结果的可视化显示。
具体地，将步骤3和步骤4得到的目标涌水波水力模型和冰盖模型组合置于同一坐标系中，进行离散元水动力学耦合计算，例如可以通过离散元河冰数值模型计算模拟目标涌水波与冰盖的相互作用过程和冰盖破碎过程，得到涌水波传播过程中各时刻冰盖的运动、破碎情况。
冰盖单元的相对运动会导致单元之间作用力超过粘结强度，进而发生粘结单元的断开，单元断裂准则如下所示：
Figure BDA0003842058590000093
其中，σb和τb分别是单元间法向应力和切向应力，ft和fs分别是粘结单元间的拉伸强度和剪切强度。
满足公式(4)所示条件，单元就会断裂，会产生小裂缝，当裂缝衍生贯穿时，会形成一条完整的裂纹，就会发生冰盖断裂。将断裂的粘结单元的交界面与冰盖边缘一同绘制以查看冰盖的分布情况，如图6所示。图6横纵坐标x、y表示几何位置，图中黑色的是水，灰色的是冰盖，冰盖下方也有水，细线表示裂纹。根据图6计算结果中的裂纹状态和位置，本发明数值模拟中每个时间间隔会输出冰盖中的裂纹状态，通过检查裂纹结果还可以确定裂纹出现的时间和位置。
本发明以解决实际工程问题为导向，针对具体工程，联合河流水动力学数值模型计算和离散元冰动力学数值模型计算，提供一种波浪作用下冰盖破碎过程模拟方法，采用本发明方法可以实现对特定河道中不同形状波浪和冰盖相互作用以及冰盖破碎过程的模拟，合理计算特定河道中冰盖在波浪作用下的裂纹分布和破碎状态，为河冰动力学研究和冰期洪水预测提供准确有力的参考。
通过本发明提供的波浪作用下冰盖破碎过程模拟方法，还可分析不同波浪参数下如不同波高、不同波前缘坡度以及不同冰厚等工况下冰盖的破碎状态，确定波浪参数对冰盖的破碎结果的影响。由此可以确定在实际工况特定流量变化条件下其产生的洪水波是否会造成冰盖的破碎。在流量最大增量比例系数δ和冰厚固定的情况下，可将流量变化时间t0延长设置多组数值算例，以确定特定河道工况下冰盖不发生破碎时上下游边界水力参数变化的临界条件。
采用公式(1)通过设定流量边界条件Q(t)可以构造出不同波高、不同波前缘坡度的涌水波，如图7所示，图7横坐标为距离(Distance)，纵坐标为水位(WaterLevel)。在流量变化总量一定的情况下，t0表示流量变化的时间，反映流量变化的剧烈程度。t0越小，波形越陡，冰盖越容易发生破碎。当t0由小增大到某值
Figure BDA0003842058590000101
时，冰盖便不会破碎，
Figure BDA0003842058590000102
就是该临界条件。
本发明提供的波浪作用下冰盖破碎过程模拟方法，以基于二维浅水方程的水力模型对河流涌水波发展传播进行模拟，以离散单元法对冰盖进行构造和计算，通过水动力学与离散元耦合方法描述波浪和冰盖的作用力的传递，通过水力模型边界条件的改变构造不同形状的波浪，通过改变离散单元形状和计算参数构造不同形态和力学性质的冰盖模型，实现对特定河道中不同形状波浪和冰盖相互作用以及冰盖破碎过程的模拟，合理计算特定河道中冰盖在波浪作用下的裂纹分布和破碎状态。相对于现有技术，本发明方法的优点如下：
1)本发明方法完全基于实际工况进行建模，考虑了河道地形、水力变化、冰盖参数等重要信息，较现有简化模型更加具体准确；
2)本发明方法实现了对水力变化下冰盖破碎过程的动力学过程的模拟，计算出了冰盖裂纹出现的时刻和位置，对冰盖破碎过程和裂纹发展的过程有清楚直观的描述；
3)通过对不同参数波浪形态的构造，考虑了不同形态下波浪对冰盖的破环作用，定量确定特定河道工况下冰盖不发生破碎时的上下游边界水力参数变化的临界条件，因此能够更加准确地模拟涌水波与冰盖的相互作用过程和冰盖破碎过程。
基于本发明提供的波浪作用下冰盖破碎过程模拟方法，本发明还提供一种波浪作用下冰盖破碎过程模拟系统，包括：
河道模型建立模块，用于获取目标河道的地形高程数据并根据所述地形高程数据进行计算网格划分和高程插值，建立所述目标河道的河道模型；
水力模型建立模块，用于根据所述目标河道的流量水位监测数据确定河流平稳期时的稳态水力模型并率定所述河道模型的糙率；
流量边界条件调试模块，用于根据所述河道模型和所述稳态水力模型调试构造目标涌水波的流量边界条件；
冰盖计算模型建立模块，用于采集所述目标河道的冰情图像资料并根据冰情图像资料建立目标河道水面处的冰盖计算模型；
冰盖破碎过程模拟模块，用于基于所述目标涌水波的流量边界条件和所述冰盖计算模型模拟目标涌水波与冰盖的相互作用过程和冰盖破碎过程并进行模拟结果的可视化显示。
本发明实施例提供的波浪作用下冰盖破碎过程模拟系统与上述实施例所述的波浪作用下冰盖破碎过程模拟方法，其工作原理和有益效果类似，故此处不再详述，具体内容可参见上述方法实施例的介绍。
本发明还提供一种电子设备，该电子设备可以包括：处理器、通信接口、存储器和通信总线。其中，处理器、通信接口、存储器通过总线完成相互间的通信。处理器可以调用存储器中的计算机程序，以执行所述的波浪作用下冰盖破碎过程模拟方法。
此外，上述的存储器中的计算机程序通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器、随机存取存储器、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
进一步地，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时可以实现所述的波浪作用下冰盖破碎过程模拟方法。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种波浪作用下冰盖破碎过程模拟方法，其特征在于，包括：
获取目标河道的地形高程数据并根据所述地形高程数据进行计算网格划分和高程插值，建立所述目标河道的河道模型；
根据所述目标河道的流量水位监测数据确定河流平稳期时的稳态水力模型并率定所述河道模型的糙率；
根据所述河道模型和所述稳态水力模型调试构造目标涌水波的流量边界条件；
采集所述目标河道的冰情图像资料并根据冰情图像资料建立目标河道水面处的冰盖计算模型；
基于所述目标涌水波的流量边界条件和所述冰盖计算模型模拟目标涌水波与冰盖的相互作用过程和冰盖破碎过程并进行模拟结果的可视化显示。
2.根据权利要求1所述的波浪作用下冰盖破碎过程模拟方法，其特征在于，所述获取目标河道的地形高程数据并根据所述地形高程数据进行计算网格划分和高程插值，建立所述目标河道的河道模型，具体包括：
获取目标河道的地形高程数据；
基于所述地形高程数据，通过水文软件SMS对所述目标河道的边界进行高程插值，对计算网格进行构建，以此确定河道模型计算域和计算网格，确定河道入流和出流的上下游边界，从而建立出所述目标河道的河道模型。
3.根据权利要求2所述的波浪作用下冰盖破碎过程模拟方法，其特征在于，所述根据所述目标河道的流量水位监测数据确定河流平稳期时的稳态水力模型并率定所述河道模型的糙率，具体包括：
根据所述目标河道的流量水位监测数据确定河流平稳期时的流量边界条件Q0(t)；
将所述河流平稳期时的流量边界条件Q0(t)代入河流二维浅水方程进行求解，得到河道沿程流速和水位分布情况并据此构建河流平稳期时的稳态水力模型；
通过将所述河道沿程流速和水位分布情况与所述流量水位监测数据对比率定所述河道模型的糙率。
4.根据权利要求3所述的波浪作用下冰盖破碎过程模拟方法，其特征在于，所述根据所述河道模型和所述稳态水力模型调试构造目标涌水波的流量边界条件，具体包括：
根据所述河流平稳期时的流量边界条件Q0(t)建立涌水波水力模型的流量边界条件
Figure FDA0003842058580000021
其中t表示时间变量，Q(t)为涌水波水力模型的流量边界条件；δ为流量最大增量比例系数，t0为流量变化的时间；
基于所述河道模型和所述稳态水力模型，由上游至下游依次选取河道深泓线附近处的节点，以节点沿河道距上游边界距离为横坐标，以节点处的水面高程为纵坐标，绘制河道沿程水面线分布曲线；所述河道沿程水面线能够反映所述涌水波水力模型中设置流量边界条件生成的波浪波形；
根据所述河道沿程水面线反映的波浪波形对所述涌水波水力模型中的流量边界条件Q(t)做适当调整，调试出目标涌水波的流量边界条件。
5.根据权利要求4所述的波浪作用下冰盖破碎过程模拟方法，其特征在于，所述采集所述目标河道的冰情图像资料并根据冰情图像资料建立目标河道水面处的冰盖计算模型，具体包括：
采集所述目标河道的冰情图像资料并根据冰情图像资料确定目标河道水面处冰盖的几何信息，所述冰盖的几何信息包括冰盖的形状和尺寸；
根据现场观测资料确定目标河道水面处冰盖的厚度和强度；
将所述冰盖的几何信息等比例嵌入所述河道模型的河道边界中以形成计算冰域；
通过网格划分软件将所述计算冰域划分成冰域计算平面网格；
采用闵可夫斯基差运算对所述冰域计算平面网格进行腐蚀运算，并根据所述冰盖的厚度对冰域计算平面网格进行厚度方向的拉伸，根据闵可夫斯基和运算用球体扩展多边形得到计算冰域内部的扩展多面体单元；
采用离散元方法粘结模型将所述扩展多面体单元进行粘结组成完整的冰盖离散元计算模型；
根据所述冰盖的强度设定所述冰盖离散元计算模型中各计算单元的粘结强度，得到所述冰盖计算模型。
6.根据权利要求5所述的波浪作用下冰盖破碎过程模拟方法，其特征在于，所述基于所述目标涌水波的流量边界条件和所述冰盖计算模型模拟目标涌水波与冰盖的相互作用过程和冰盖破碎过程并进行模拟结果的可视化显示，具体包括：
将所述目标涌水波的流量边界条件所述冰盖计算模型置于同一坐标系中进行离散元水动力学耦合计算，模拟目标涌水波与冰盖的相互作用过程和冰盖破碎过程；
通过绘制断开的河冰粘结单元来反映冰盖裂纹分布变化时程结果，统计碎冰块的数量和尺寸分布并进行模拟结果的可视化显示。
7.一种波浪作用下冰盖破碎过程模拟系统，其特征在于，包括：
河道模型建立模块，用于获取目标河道的地形高程数据并根据所述地形高程数据进行计算网格划分和高程插值，建立所述目标河道的河道模型；
水力模型建立模块，用于根据所述目标河道的流量水位监测数据确定河流平稳期时的稳态水力模型并率定所述河道模型的糙率；
流量边界条件调试模块，用于根据所述河道模型和所述稳态水力模型调试构造目标涌水波的流量边界条件；
冰盖计算模型建立模块，用于采集所述目标河道的冰情图像资料并根据冰情图像资料建立目标河道水面处的冰盖计算模型；
冰盖破碎过程模拟模块，用于基于所述目标涌水波的流量边界条件和所述冰盖计算模型模拟目标涌水波与冰盖的相互作用过程和冰盖破碎过程并进行模拟结果的可视化显示。
8.一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述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如权利要求1至6中任一项所述的波浪作用下冰盖破碎过程模拟方法。
9.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被执行时实现如权利要求1至6中任一项所述的波浪作用下冰盖破碎过程模拟方法。
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