CN115564238A - 一种基于水动力机制的小水库洪水预报调洪分析方法 - Google Patents

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CN115564238A CN202211225221.XA CN202211225221A CN115564238A CN 115564238 A CN115564238 A CN 115564238A CN 202211225221 A CN202211225221 A CN 202211225221A CN 115564238 A CN115564238 A CN 115564238A
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Abstract

本发明公开了一种基于水动力机制的小水库洪水预报调洪分析方法。在本方法中，采用三角形非结构网格对整个小水库所在流域进行离散，然后采用完整二维水动力模型模拟流域的径流运动过程，同时根据泄流构筑物的特点，采用源项处理的方法直接计算库区的出流过程，从而实现完全基于水动力机制的小水库洪水预报过程和调洪过程的一体化分析计算。该方法可克服小水库流域历史水文资料普遍匮乏的缺陷，同时调洪计算方法可摆脱对水库的水位库容关系和水位泄量关系等水库特征数据的依赖。本方法可以为小型水库的预报和调洪计算提供一种新的解决途径。

Description

一种基于水动力机制的小水库洪水预报调洪分析方法
技术领域
本发明属于水利工程技术领域，特别涉及一种基于水动力机制的小水库洪水预报调洪分析方法。
背景技术
我国的小型水库数量有9.3万多座，占我国水库总量的95％。这些小水库多建成于上世纪60～70年代，缺乏严格的设计流程，管理机构不健全，大量小(Ⅱ) 型水库甚至无人管理，同时维修养护投入严重不足，老化失修严重，通讯等基础设施不完善。再加上，近些年，由于全球气候变化的影响，局地强降雨事件频繁发生，由此引发的小型水库的溃坝事件更是时有发生，因此，小型水库已成为我国防洪体系中最薄弱的环节之一。
为了更好的应对小型水库的洪水风险，对其进行预报调洪的分析计算是一项非常重要的工作。与大中型水库不同的是，小型水库所在流域一般缺少详细的水文监测数据，同时缺乏完整准确的特征设计数据资料，如水位库容关系资料和水位泄量关系曲线资料等，所以在大中型水库使用较成熟的基于水文原理的水库预报调洪计算方法在应用到小型水库时受到一定的限制，一方面原因是这些基于水文原理的预报模型需要大量的历史水文数据对其模型参数进行率定，但这些模型参数大部分都是概念性的，没有完整的物理机制，离开历史水文数据的支撑，传统的基于水文原理的方法和模型在小型水库所在流域是很难适用的；另一方面原因是，水库调洪计算时一般都是基于水文的水量平衡的方法，这种方法需要水库的特征设计数据支撑，如水位库容关系曲线和水位泄量关系曲线等，但是很多小型水库是缺失这方面的资料的。因此，研究与小型水库自身的数据特点相匹配的洪水预报调洪计算方法是非常必要的。
发明内容
本发明提出的一种基于水动力机制的小水库洪水预报调洪分析方法，采用基于完整二维浅水方程组的水动力模型实现水库的入库和出库流量过程的一体化模拟，该方法可以较好的解决历史水文资料匮乏的小型水库洪水预报调洪计算难的问题。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
一种基于水动力机制的小水库洪水预报调洪分析方法，将水库所在流域分为陆面部分和库面部分，用三角形非结构网格对整个计算区域进行空间离散，采用完整二维水动力模型对小水库所在流域的陆面汇流和库区汇流过程进行一体化模拟，同时在小水库泄流单元处采用源项处理的方法计算小水库泄水构筑物的泄流过程，实现基于水动力机制的小水库洪水预报和调洪过程的一体化计算；具体步骤如下：
1)获取小水库的基础数据：包括高于或等于10m分辨率的全流域地形数据 (包含库区水下地形)、土壤类型数据、土地利用类型数据以及水库的泄流构筑物位置、尺寸和调度规则。
2)对小水库所在流域进行非结构剖分：采用三角形非结构网格对小水库所在流域的陆面部分和库区部分进行一体化均匀剖分，网格的平均剖分尺寸与地形数据的分辨率保持一致，以小于等于2m的尺寸对坝体泄水构筑物所对应的外边界边进行均匀剖分；库区部分离散后的单元定义为库区单元，流域其它单元定义为陆面单元，将库区单元与陆面单元的共用边称为分界边；小水库泄流构筑物类型主要考虑两种：无闸门控制的溢洪道和有闸门控制的溢洪道，水库泄流构筑物对应的网格单元称为泄流单元，其中无闸门控制的溢洪道单元的属性设置为1，有闸门控制的溢洪道单元的属性设置为2，泄流构筑物的特征数据存储在对应的泄流单元上。
3)模型初始化：采用地形数据对三角形网格单元赋值高程值；采用土地利用类型数据对各网格单元赋值Manning糙率系数n；将库区单元的初始水位设置为汛限水位，陆面单元的水力要素值均设置为零；根据土地利用类型和土壤类型数据对SCS产流模型的参数CN赋值；计算区域的外边界统一设置为不透水固壁边界。
4)净雨过程计算：首先通过算术平均法将小水库流域各点雨量过程换算成流域面雨量过程，再采用SCS产流模型计算面净雨量过程；库区单元直接采用面雨量过程作为输入条件，陆面单元采用面净雨量过程作为输入条件。
5)计算时间步长：根据满足二维水动力模型稳定的CFL条件，获取计算时间步长dt。
6)获取降雨条件：采用线性插值计算的方法获取t时刻库区单元面降雨强度P和陆面单元面净雨强度R。
7)采用二维水动力模型对小水库所在流域的水流运动过程进行模拟：
采用Roe格式的有限体积法离散上述完整二维浅水方程组构建二维水动力模型，模型具体离散格式可参见如下文献(张大伟等,基于Godunov格式的流域地表径流二维数值模拟[J],水利学报,2018,49(7):787-794,802.)。
用Roe格式计算t时刻通过各单元边(各单元包括库区单元、陆面单元，泄流单元属于库区单元中的特殊形式)的数值通量，将通过库区单元与陆面单元分界边法线方向的质量通量依次相加即可获得t时刻入库洪水流量值；再根据水库泄流单元对应的泄流构筑物的泄流方式，计算t时刻泄流单元单位面积的泄流量 qd，各泄流单元的泄流量相加即可获得t时刻水库的出库洪水流量值。
8)各单元水力要素更新：根据通过t时刻各单元界面处的数值通量值、各单元的降雨输入源项和泄流单元的泄流量源项值更新t+dt时刻各单元中心的水力要素值。
9)令t＝t+dt，重复步骤5)～7)，直到整个计算过程结束。
进一步的，步骤2)中的库区部分指的是以汛限水位为高程的库水面覆盖的区域，在小水库所在流域中，去除库区部分的流域其它部分为陆面部分。
进一步的，步骤2)中小水库坝体泄流构筑物类型主要有无闸门控制的溢洪道和有闸门控制的溢洪道，关于溢洪道和闸门的数量以及闸门的类型，不失一般性，两种类型的泄流构筑物分别设定为单个无闸门控制的溢洪道和单孔平板闸门控制的溢洪道。
进一步的，步骤2)中泄流构筑物的特征数据存储在对应的泄流单元上，对于无闸门控制的溢洪道其特征数据主要包括溢洪道顶部高程和溢洪道过流宽度，对于有闸门控制的溢洪道其特征数据主要包括闸门的底坎高程、闸门的过流宽度、闸门的调度规则数据。
进一步的，步骤7)其中二维水动力模型采用的控制方程方程组如下：
Figure BDA0003879560460000031
其中：
Figure BDA0003879560460000041
式中，h为水深，u，v分别为网格单元中心x，y方向的流速分量，t为时间，
Figure BDA0003879560460000042
和
Figure BDA0003879560460000043
分别为x方向和y方向的单位向量；
Figure BDA0003879560460000044
分别为x，y方向的坡度，Zb为地面高程，g为重力加速度；
Figure BDA0003879560460000045
分别为x，y方向的摩阻项，其中n为 Manning糙率系数，Re为净雨强度值，qd为泄流单元单位面积泄流量大小。
进一步的，步骤7)各泄流单元单位面积的泄流量qd的计算方法如下：
(a)当泄流构筑物为无闸门控制的溢洪道时：
Figure BDA0003879560460000046
式中：Zi为第i个无闸门控制的溢洪道类型的泄流单元的水位，Ai为第i个无闸门控制的溢洪道类型的泄流单元的面积，g为重力加速度，kw为无闸门控制的溢洪道类型泄流单元的个数，Zw为无闸门控制的溢洪道的顶部高程，lw为无闸门控制的溢洪道的过流长度；
(b)当泄流构筑物为有闸门控制的溢洪道类型时：
Figure BDA0003879560460000047
式中：μo为闸门的泄流系数，e为根据闸门的调度规则获取的闸门实时开度， Zj为第j个有闸门控制的溢洪道类型的泄流单元的水位，Aj为第j个有闸门控制的溢洪道类型的泄流单元的面积，g为重力加速度，kg为有闸门控制的溢洪道类型泄流单元的个数，Zg为闸门的底坎高程，lg为闸门的过流宽度。
进一步的，步骤5)中CFL条件的具体表达如下：
Figure BDA0003879560460000048
其中，u，v为网格单元中心x，y方向的流速分量，h为网格单元中心水深，g为重力加速度，Ncfl为CFL数，dt为计算时间步长，LL,LR为网格单元中心到对应边中点之间的距离。
本发明的优点和有益效果是：
本发明针对小型水库洪水预报调洪计算时遇到的历史水文资料匮乏以及缺乏水库特征设计数据的难题，采用具有清晰物理机制的水动力模型对水库的入库洪水过程和泄流过程进行一体化分析计算，整套方法只有产流参数CN和 Manning糙率系数需要确定，这两个参数可以根据流域的土地利用类型和土壤类型资料直接给出，同时调洪计算时直接采用源项处理的方法计算泄流过程，可以摆脱对水位库容和水位泄量关系等水库特征数据的依赖，为历史水文数据和详细设计数据普遍匮乏的小水库预报调洪分析计算提供了一种新的解决途径。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
附图说明
图1是本发明实施例所述装置方法的流程图或结构图或原理框图；
图2是小水库所在流域分区示意图。
具体实施方式
实施例一：
下面结合附图1、附图2和实施例对本发明作进一步说明。
本发明为一种基于水动力机制的小水库洪水预报调洪分析方法，该方法充分考虑我国小型水库历史水文数据和详细设计数据普遍匮乏的问题，将水库所在流域分为陆面部分和库面部分，用三角形非结构网格对整个计算区域进行空间离散，采用完整二维水动力模型对小水库所在流域的陆面汇流和库区汇流过程进行一体化模拟，同时在小水库泄流单元处采用源项处理的方法计算小水库泄水构筑物的泄流过程，实现基于水动力机制的小水库洪水预报和调洪过程的一体化计算；具体步骤如下：
1)获取小水库的基础数据：包括高于或等于10m分辨率的全流域地形数据 (包含库区水下地形)、土壤类型数据、土地利用类型数据以及水库的泄水构筑物位置、尺寸和调度规则等。
2)对小水库所在流域进行非结构剖分：采用三角形非结构网格对整个水库流域的陆面部分和库区部分进行一体化均匀剖分，库区部分指的是以汛限水位为高程的库水面覆盖的区域，在小水库所在流域中，去除库区部分的流域其它部分为陆面部分，网格的平均剖分尺寸与地形数据的分辨率保持一致，以小于等于2m 的尺寸对坝体泄水构筑物所对应的外边界边进行均匀剖分；库区部分离散后的单元定义为库区单元，陆面部分离散后的单元定义为陆面单元，将库区单元与陆面单元的共用边称为分界边，小水库所在流域的分区示意图如图2所示；小水库泄流构筑物类型主要考虑两种：无闸门控制的溢洪道和有闸门控制的溢洪道，关于溢洪道和闸门的数量以及闸门的类型，不失一般性，两种类型的泄流构筑物分别设定为单个无闸门控制的溢洪道和单孔闸门控制的溢洪道；水库泄流构筑物对应的网格单元称为泄流单元，其中无闸门控制的溢洪道单元的属性设置为1，有闸门控制的溢洪道单元的属性设置为2，泄流构筑物的特征数据存储在对应的泄流单元上，对于无闸门控制的溢洪道其特征数据主要包括溢洪道顶部高程和溢洪道过流宽度，对于有闸门控制的溢洪道其特征数据主要包括闸门的底坎高程、闸门的过流宽度、闸门的调度规则数据。
3)模型初始化：采用地形数据对三角形网格单元赋值高程值；采用土地利用类型数据对各网格单元赋值Manning糙率系数n；将库区单元的初始水位设置为汛限水位，陆面单元的水力要素值均设置为零；根据土地利用类型和土壤类型数据对SCS产流模型的参数CN赋值，SCS(Soil Conservation Service)产流模型由美国农业部水土保持局提出，非常适用于水文资料匮乏地区进行产流阶段净雨过程的计算，CN值的具体取值可参考如下文献(USDA-SCS.National Engineering Handbook.Section 4-Hydrology[M],Washington DC，1985)；计算区域的外边界统一设置为不透水固壁边界，此处的外边界实际上就是小水库所在流域的分水岭。
4)净雨过程计算：首先通过算术平均法将小水库流域各点雨量过程换算成流域面雨量过程，再采用SCS产流模型计算面净雨量过程；库区水面上的降雨不考虑各种损失，降雨量即是净雨量，所以库区单元直接采用面雨量过程作为输入条件，陆面单元采用面净雨量过程作为输入条件。
5)计算时间步长：根据满足二维水动力模型稳定的CFL条件，获取计算时间步长dt。
6)获取降雨条件：采用线性插值计算的方法获取t时刻库区单元面降雨强度P和陆面单元面净雨强度R。
7)采用二维水动力模型对小水库所在流域的水流运动过程进行模拟：二维水动力模型的控制方程为完整二维浅水方程组，具体表达如下：
Figure BDA0003879560460000071
其中：
Figure BDA0003879560460000072
式中，h为水深，u，v分别为网格单元中心x，y方向的流速分量，t为时间，
Figure BDA0003879560460000073
和
Figure BDA0003879560460000074
分别为x方向和y方向的单位向量；
Figure BDA0003879560460000075
分别为x，y方向的坡度，Zb为地面高程，g为重力加速度；
Figure BDA0003879560460000076
分别为x，y方向的摩阻项，其中n为 Manning糙率系数，Re为净雨强度值，qd为泄流单元单位面积泄流量大小。
使用Roe格式计算t时刻通过各单元边的数值通量，将通过库区单元与陆面单元分界边法线方向的质量通量依次相加即可获得t时刻入库洪水流量值；再根据水库泄流单元对应的泄流构筑物的泄流方式，计算t时刻泄流单元单位面积的泄流量qd，其计算方法如下：
(a)当泄流构筑物为无闸门控制的溢洪道时：
Figure BDA0003879560460000077
式中：Zi为第i个无闸门控制的溢洪道类型的泄流单元的水位，Ai为第i个无闸门控制的溢洪道类型的泄流单元的面积，g为重力加速度，kw为无闸门控制的溢洪道类型泄流单元的个数，Zw为无闸门控制的溢洪道的顶部高程，lw为无闸门控制的溢洪道的过流长度；
(b)当泄流构筑物为有闸门控制的溢洪道类型时：
Figure BDA0003879560460000078
式中：μo为闸门的泄流系数，e为根据闸门的调度规则获取的闸门实时开度， Zj为第j个有闸门控制的溢洪道类型的泄流单元的水位，Aj为第j个有闸门控制的溢洪道类型的泄流单元的面积，g为重力加速度，kg为有闸门控制的溢洪道类型泄流单元的个数，Zg为闸门的底坎高程，lg为闸门的过流宽度。
各泄流单元的泄流量相加即可获得t时刻水库的出库洪水流量值。
8)各单元水力要素更新：根据通过t时刻各单元界面处的数值通量值、各单元的降雨输入源项和泄流单元的泄流量源项值更新t+dt时刻各单元中心的水力要素值。
9)令t＝t+dt，重复步骤5)～7)，直到整个计算过程结束。
上述的实施例仅是本发明的部分体现，并不能涵盖本发明的全部，在上述实施例以及附图的基础上，本领域技术人员在不付出创造性劳动的前提下可获得更多的实施方式，因此这些不付出创造性劳动的前提下获得的实施方式均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于水动力机制的小水库洪水预报调洪分析方法，其特征在于：基于小水库所在流域的地形数据对小水库所在流域进行三角形非结构剖分，采用完整二维水动力模型对小水库所在流域的陆面汇流和库区汇流过程进行一体化模拟，同时在小水库出流单元处采用源项处理的方法计算小水库泄流构筑物的泄流过程，实现基于水动力机制的小水库洪水预报和调洪过程的一体化计算；具体方法如下：
1)获取小水库的基础数据：包括高于或等于10m分辨率的小水库所在流域的地形数据、土壤类型数据、土地利用类型数据以及水库的泄流构筑物位置、尺寸和调度规则；所述小水库所在流域的地形数据包含库区水下地形；
2)对小水库所在流域进行非结构剖分：采用三角形非结构网格对小水库所在流域的陆面部分和库区部分进行一体化均匀剖分，网格的平均剖分尺寸与地形数据的分辨率保持一致，以≦2m的尺寸对小水库泄流构筑物所对应的外边界边进行均匀剖分；库区部分离散后的单元定义为库区单元，陆面部分离散后的单元定义为陆面单元，将库区单元与陆面单元的共用边称为分界边；小水库泄流构筑物类型分为两种：无闸门控制的溢洪道和有闸门控制的溢洪道，水库泄流构筑物对应的网格单元称为泄流单元，其中无闸门控制的溢洪道单元的属性设置为1，有闸门控制的溢洪道单元的属性设置为2，泄流构筑物的特征数据存储在对应的泄流单元上；
3)模型初始化：采用地形数据对三角形网格单元赋值高程值；采用土地利用类型数据对各网格单元赋值Manning糙率系数n；将库区单元的初始水位设置为汛限水位，陆面单元的水力要素值均设置为零；根据土地利用类型和土壤类型数据对SCS产流模型的参数CN赋值；计算区域的外边界统一设置为不透水固壁边界；
4)净雨过程计算：首先通过算术平均法将小水库流域各点雨量过程换算成流域面雨量过程，再采用SCS产流模型计算面净雨量过程；库区单元直接采用面雨量过程作为输入条件，陆面单元采用面净雨量过程作为输入条件；
5)计算时间步长：根据满足二维水动力模型稳定的CFL条件，获取计算时间步长dt；
6)获取降雨条件：采用线性插值计算的方法获取t时刻库区单元面降雨强度P和陆面单元面净雨强度R；
7)采用二维水动力模型对小水库所在流域的水流运动过程进行模拟：使用Roe格式计算t时刻通过各单元边的数值通量，将通过库区单元与陆面单元分界边法线方向的质量通量依次相加即可获得t时刻入库洪水流量值；再根据水库泄流单元对应的泄流构筑物的泄流方式，计算t时刻泄流单元单位面积的泄流量qd，各泄流单元的泄流量相加即可获得t时刻水库的出库洪水流量值；
8)各单元水力要素更新：根据通过t时刻各单元界面处的数值通量值、各单元的降雨输入源项和泄流单元的泄流量源项值更新t+dt时刻各单元中心的水力要素值；
9)令t＝t+dt，重复步骤5)～7)，直到整个计算过程结束。
2.根据权利要求1所述的一种基于水动力机制的小水库洪水预报调洪分析方法，步骤2)中的库区部分指的是以汛限水位为高程的库水面覆盖的区域，在小水库所在流域中，去除库区部分的流域其它部分为陆面部分。
3.根据权利要求1所述的一种基于水动力机制的小水库洪水预报调洪分析方法，步骤2)中小水库坝体泄流构筑物类型包括无闸门控制的溢洪道和有闸门控制的溢洪道，两种类型的泄流构筑物分别设定为单个无闸门控制的溢洪道和单孔平板闸门控制的溢洪道。
4.根据权利要求1所述的一种基于水动力机制的小水库洪水预报调洪分析方法，步骤2)中泄流构筑物的特征数据存储在对应的泄流单元上，对于无闸门控制的溢洪道其特征数据包括溢洪道顶部高程和溢洪道过流宽度，对于有闸门控制的溢洪道其特征数据包括闸门的底坎高程、闸门的过流宽度、闸门的调度规则数据。
5.根据权利要求1所述的一种基于水动力机制的小水库洪水预报调洪分析方法，步骤7)中采用的二维水动力模型的控制方程为完整二维浅水方程组，具体表达如下：
Figure FDA0003879560450000021
其中：
Figure FDA0003879560450000031
式中，h为水深，u，v分别为网格单元中心x，y方向的流速分量，t为时间，
Figure FDA0003879560450000032
和
Figure FDA0003879560450000033
分别为x方向和y方向的单位向量；
Figure FDA0003879560450000034
分别为x，y方向的坡度，Zb为地面高程，g为重力加速度；
Figure FDA0003879560450000035
分别为x，y方向的摩阻项，其中n为Manning糙率系数，Re为净雨强度，qd为泄流单元单位面积泄流量大小；
采用Roe格式的有限体积法离散上述完整二维浅水方程组构建二维水动力模型。
6.根据权利要求1所述的一种基于水动力机制的小水库洪水预报调洪分析方法，步骤7)中各泄流单元单位面积的泄流量qd的计算方法如下：
(a)当泄流构筑物为无闸门控制的溢洪道时：
Figure FDA0003879560450000036
式中：Zi为第i个无闸门控制的溢洪道类型的泄流单元的水位，Ai为第i个无闸门控制的溢洪道类型的泄流单元的面积，g为重力加速度，kw为无闸门控制的溢洪道类型泄流单元的个数，Zw为无闸门控制的溢洪道的顶部高程，lw为无闸门控制的溢洪道的过流长度；
(b)当泄流构筑物为有闸门控制的溢洪道类型时：
Figure FDA0003879560450000037
式中：μo为闸门的泄流系数，e为根据闸门的调度规则获取的闸门实时开度，Zj为第j个有闸门控制的溢洪道类型的泄流单元的水位，Aj为第j个有闸门控制的溢洪道类型的泄流单元的面积，g为重力加速度，kg为有闸门控制的溢洪道类型泄流单元的个数，Zg为闸门的底坎高程，lg为闸门的过流宽度。
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