CN116108773A - 一种柔性拦污网具影响下取水明渠泥沙回淤模拟预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海岸工程领域，尤其涉及一种柔性拦污网具影响下取水明渠泥沙回淤模拟预测方法，包括：利用实验室水槽根据所述待模拟预测位置的拦污网具数据获取实验挂网墩台对应受力数据作为第一受力数据；利用实验室水槽根据所述待模拟预测位置的拦污网具数据获取实验挂网墩台与实验拦污网具对应受力数据作为第二受力数据；利用所述第一受力数据与第二受力数据获取拦污网具阻力系数分析公式；利用所述拦污网具阻力系数分析公式建立平面二维水动力泥沙数学模型；利用所述平面二维水动力泥沙数学模型根据所述待模拟预测位置的取水明渠数据与拦污网具数据得到待模拟预测位置的取水明渠泥沙回淤厚度，建立网具与水流的相关理论关系。

Description

一种柔性拦污网具影响下取水明渠泥沙回淤模拟预测方法

技术领域

本发明涉及海岸工程领域，具体涉及一种柔性拦污网具影响下取水明渠泥沙回淤模拟预测方法。

背景技术

绝大数滨海电厂采用直流循环供水的方式冷却发电机组，最为常见的取水形式为于岸线附近设置取水明渠。对电厂运维而言，需保障在任何极端条件下均可能实现取水，即取水明渠内的底高程需保障足够水深。然而，天然海水中多富含泥沙，取水引入的泥沙将落淤在明渠底部，造成渠底抬高，当泥沙回淤强度过大导致明渠水深小于最低取水深度要求时，将无法取水，进而导致引起发电机组停机。因此，取水明渠内的泥沙回淤是影响电厂取水安全的重要风险源，而对取水明渠内泥沙回淤的准确预测与评估尤为重要。

在通常条件下，取水明渠仅为单一形式的渠道，其中并无其它构筑物，即明渠内的波浪、水流自然传播、不受干扰。然而，近年来海洋漂浮垃圾，以及海藻、水母、小型鱼虾等海洋生物常发生爆发性增长，在明渠持续取水的作用下，以上致灾物将被卷吸进入取水明渠，极易导致泵房的过滤网发生阻塞，已成为影响滨海电厂安全运行的重要隐患。为了进一步保障取水冷源安全，当前大量电厂均在取水明渠内建设多道拦污网具以阻挡异物，其将柔性网衣采用绳索系泊捆绑在两侧墩台（桩基或沉箱）之上，以维持网衣的全断面形态，以实现对致灾物最大程度的拦截效果。

拦污网具为致密的柔性结构体，其建设后极大增加了取水明渠内的水流行进阻力，改变了明渠内的水动力条件，进而影响泥沙回淤。实际上，当前已有多个电厂发生了由于网具阻水引起明渠泥沙回淤增大的现象。然而，由于对拦污网具影响下的泥沙回淤机理严重缺乏认识，也没有对其进行合理预测评估的手段，成为了学科中的瓶颈问题。因此，全面了解并认知拦污网具影响下的取水明渠泥沙回淤，发展合理、准确的明渠内泥沙回淤预测方法和手段，对电厂运维安全至关重要。

在当前的取水明渠泥沙回淤模拟预测技术中，主要包括数学模型试验、物理模型试验等2种手段，但其在拦污网具影响下的回淤预测中，均具有无法克服的缺陷，以下分别阐述。

（1）拦污网网具自身的细小丝径和柔性导致数学模型难以直接模拟

在取水明渠内水动力、泥沙回淤的研究中，数学模型试验应用最为广泛。然而，在拦污网具这种新型柔性构筑物建设后，问题变得极为棘手，主要原因在于拦污网具的结构极为复杂，体现在拦污网衣的网线直径在1mm以内，网目尺寸仅在数毫米至厘米，这种致密、微小的特异结构导致数值模拟需保证计算网格尺寸充分分辨网衣本体，即网格尺度需达到毫米以下量级，而对取水明渠泥沙回淤的模拟，不仅明渠本身尺度为数百米至数公里，同时对泥沙回淤的模拟必须兼顾足够大的范围，故模型计算域的范围一般要达到数十公里的尺度。因此，这种精细化的网格分辨率将导致惊人的网格数与计算量，势必导致数值模拟陷入“瘫痪”。

此外，拦污网具在取水明渠内水流的作用下，将发生往复振荡和变形，与水动力形成“流固耦合”，由于数学模型试验的模拟精度直接取决于数值方程理论的完备性，而现有的模拟体系中，理论尚不成熟，无法做到完全模拟网衣每个节点和丝径的完全柔性运动，而仅能通过概化的方式进行模拟，或与水动力分离考虑，因此计算结果与现场实际势必存在较大差距。因此，采用数学模型直接模拟网衣运动无论从理论的完备性角度，还是算力角度，均是不可行的。

（2）物理模型中的模型网衣概化将引起阻力不相似，导致较大误差

物理模型试验由于动力环境较为真实，是当前模拟研究的重要手段，其通过一定的比尺转换，将现场结构和动力环境折算至模型尺度，并于室内开展试验。然而，物理模型试验最大的弊端在于存在不可避免的“比尺效应”，进而引起模拟误差，而这一“比尺效应”在柔性网衣的模拟中进一步得到了放大，原因在于细小的网衣尺度一旦采用比例尺换算到实验室中，例如即使采用1:20的试验比尺，则会导致模型网衣的网目小于1mm，网线丝径甚至达到0.01mm以内，无法找到对应的模拟材质。因此，现有物理模型技术中仅能对模型网衣采用“等效透水率”概念进行概化，引起了网衣比尺与结构比尺存在较大差异，即“双比尺”，这便导致模型网衣和现场实际网衣对水动力背景存在严重的“阻力不相似”，引起极大的预测误差。因此，物理模型试验中无法克服的比尺效应，将导致物理模型试验的预测结果不具备现场代表性。

（3）拦污网衣在波流作用下的阻水效应尚不清晰

在阻水构筑物的数值模拟中，为降低小型结构本身尺度对网格精细化的要求，当前也发展了基于阻力系数法的概化思路，即将阻水构筑物当作阻力项代入数值模拟的水动力控制方程中。这一思路在较为常规的刚性体，例如桩墩、潜堤等结构中得到了有效应用，具有良好的模拟精度。然而，拦污网具自身的柔性与系泊方式导致其在明渠水流作用下发生大幅往复变形，导致其阻力系数必然与常规的桩墩、潜堤有极大差异，尤其是不同的拦污网衣形态各异，存在平面网、网兜等多种结构，当前对拦污网衣在波流作用下的阻力系数，仍无明确的研究方法。

综上所述，当前对柔性拦污网具影响下的取水明渠泥沙回淤模拟预测，现有技术中无论是单独采用数学模型试验，还是单独采用物理模型试验，均有难以克服的问题和弊端，严重困扰了滨海电厂取水冷源安全。因此，如何发挥以上两种方法的优势，并加以结合，发展一种理论可信、操作可行、结论准确的预测方法，是迫在眉睫的需求，也是本发明重点解决的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种柔性拦污网具影响下取水明渠泥沙回淤模拟预测方法，通过获取不同情况下的受力数据最终得到取水明渠泥沙回淤模拟预测数据。

为实现上述目的，本发明提供了一种柔性拦污网具影响下取水明渠泥沙回淤模拟预测方法，包括：

S1、获取待模拟预测位置的取水明渠数据与拦污网具数据；

S2、利用实验室水槽根据所述待模拟预测位置的拦污网具数据获取实验挂网墩台对应受力数据作为第一受力数据；

S3、利用实验室水槽根据所述待模拟预测位置的拦污网具数据获取实验挂网墩台与实验拦污网具对应受力数据作为第二受力数据；

S4、利用所述第一受力数据与第二受力数据获取拦污网具阻力系数分析公式；

S5、利用所述拦污网具阻力系数分析公式建立柔性拦污网具影响下电厂取水明渠环境海域的平面二维水动力泥沙数学模型；

S6、利用所述平面二维水动力泥沙数学模型根据所述待模拟预测位置的取水明渠数据与拦污网具数据得到待模拟预测位置的取水明渠泥沙回淤厚度。

优选的，所述获取待模拟预测位置的取水明渠数据与拦污网具数据包括：

利用待模拟预测位置的取水明渠布置方案、取水流量、对应海域水下地形、对应海域实测潮位、对应海域的海水流速、对应海域的海水流向与对应海域的海水水体含沙量数据作为待模拟预测位置的取水明渠数据；

利用待模拟预测位置对应的原型拦污网具位置、原型拦污网具网衣材质、原型拦污网具网目尺寸、原型拦污网具网线直径、原型拦污网具挂网墩台间距、原型拦污网具网衣密实度与系泊绳索牵拉锚环位置作为待模拟预测位置的拦污网具数据。

优选的，所述利用实验室水槽根据所述待模拟预测位置的拦污网具数据获取实验挂网墩台对应受力数据作为第一受力数据包括：

利用实验室水槽根据所述待模拟预测位置的拦污网具数据生成模拟流速工况；

根据取水明渠的挂网墩台实际数据基于几何比例尺进行整体缩放得到实验挂网墩台；

利用所述实验挂网墩台根据模拟流速工况得到挂网墩台的水平方向总力；

利用所述实验挂网墩台的水平方向总力作为第一受力数据；

其中，实验室水槽的实验水深不小于1.0m，模拟流速工况的数量不少于5组，模拟流速的最大流速不小于0.5m/s，几何比例尺为实验挂网墩台与挂网墩台实际数据的比值。

优选的，所述利用实验室水槽根据所述待模拟预测位置的拦污网具数据获取实验挂网墩台与实验拦污网具对应受力数据作为第二受力数据包括：

利用实验室水槽根据所述待模拟预测位置的拦污网具数据生成模拟流速工况；

根据取水明渠的挂网墩台实际数据基于几何比例尺进行整体缩放得到实验挂网墩台；

根据取水明渠的拦污网具实际数据基于几何比例尺进行整体缩放得到实验拦污网具；

利用所述实验挂网墩台与实验拦污网具根据模拟流速工况得到实验挂网墩台与实验拦污网具的水平方向总力；

利用所述实验挂网墩台与实验拦污网具的水平方向总力作为第二受力数据；

其中，实验室水槽的实验水深不小于1.0m，模拟流速工况的数量不少于5组，模拟流速的最大流速不小于0.5m/s，几何比例尺为实验挂网墩台与挂网墩台实际数据的比值，实验拦污网具材质、网目尺寸、网线直径与取水明渠中拦污网具材质、网目尺寸、网线直径相同。

优选的，利用所述第一受力数据与第二受力数据获取拦污网具阻力系数分析公式包括：

利用所述第一受力数据与第二受力数据计算实验工况的拦污网具单独阻力数据的计算式如下：

 F₃=2(F₂-F₁)

利用所述拦污网具单独阻力数据计算实验工况的网衣等效阻力系数的计算式如下：

利用所述拦污网具数据计算实验工况的网衣雷诺数的计算式如下：

利用所述实验工况的网衣等效阻力系数与实验工况的网衣雷诺数计算拦污网具阻力系数分析公式的计算式如下：C_N=f(R_e)

其中，F₁为第一受力数据，F₂为第二受力数据，F₃为实验工况的拦污网具单独阻力数据，C_N为实验工况的网衣等效阻力系数，U_c为模拟流速工况，B_N为实验网衣宽度，D_N为实验室水槽的水深，N_S为网衣密实度，R_e为实验工况的网衣雷诺数，d_t为拦污网具的网线直径，v为实验工况的水体动力粘性系数，ρ为实验工况的水体密度。

优选的，利用所述拦污网具阻力系数分析公式建立柔性拦污网具影响下电厂取水明渠环境海域的平面二维水动力泥沙数学模型包括：

建立电厂取水明渠环境海域的平面二维水动力泥沙初始数学模型的计算式如下：

利用平面二维水动力泥沙初始数学模型根据电厂取水明渠环境海域的实测数据进行验证处理得到电厂取水明渠环境海域的平面二维水动力泥沙数学模型；

其中，η为水面高程，h为总水深，x为横轴坐标，y为纵轴坐标，t为时间，f为科氏力系数，g为重力加速度，u为东西方向的垂线平均流速，v为南北方向的垂线平均流速，S为取水明渠取水流量，F_u和F_v为拦污网具在东西方向的垂线与南北方向的垂线方向阻力，u_s为x方向的取水口点源流速，v_s为y方向的取水口点源流速，T为应力项，其中T_xx为x方向的法向应力、T_xy为x方向的切向应力、T_yx为y方向的切向应力、T_yy为y方向的法向应力，τ_bx为x方向的床面剪切应力，τ_by为y方向的床面剪切应力，C为水体垂线平均含沙量；C_*为水流挟沙能力，α为泥沙沉降几率，ω为泥沙沉速，D_x为泥沙水平扩散系数，D_y为泥沙垂直扩散系数，η_b为海床底高程，γ₀为床面泥沙容重，τ_bx为x方向的底部剪应力，τ_by为y方向的底部剪切应力。

进一步的，利用平面二维水动力泥沙初始数学模型根据电厂取水明渠环境海域的实测数据进行验证处理得到电厂取水明渠环境海域的平面二维水动力泥沙数学模型包括：

判断所述平面二维水动力泥沙初始数学模型与电厂取水明渠环境海域的实测数据是否为一致性，若是，则输出平面二维水动力泥沙初始数学模型作为平面二维水动力泥沙数学模型，否则，放弃处理；

其中，一致性包括潮位误差小于10cm、涨落潮平均流速误差小于15%、涨落潮平均流向误差小于15°、含沙量平均误差小于30%。

优选的，利用所述平面二维水动力泥沙数学模型根据所述待模拟预测位置的取水明渠数据与拦污网具数据得到待模拟预测位置的取水明渠泥沙回淤厚度包括：

利用拦污网具阻力项根据所述待模拟预测位置的取水明渠数据与拦污网具数据基于平面二维水动力泥沙数学模型计算平面二维水动力泥沙拦污网具阻力数据的计算式如下：

利用所述平面二维水动力泥沙拦污网具阻力数据与拦污网具阻力系数分析公式得到待预测位置的取水明渠底床高程；

利用所述待预测位置的取水明渠底床高程得到待模拟预测位置的取水明渠泥沙回淤厚度；

其中，F_u为东西方向受力数据，F_v为南北方向受力数据，ρ_w为海水密度，C_N为实验工况的网衣等效阻力系数，N_S为网衣密实度，u为东西方向的垂线平均流速，v为南北方向的垂线平均流速，h为总水深，B为拦污网具的网衣宽度。

进一步的，利用所述待预测位置的取水明渠底床高程得到待模拟预测位置的取水明渠泥沙回淤厚度包括：

利用所述待预测位置的待预测时刻的取水明渠底床高程与待预测位置的原始时刻的取水明渠底床高程的差值作为待模拟预测位置的取水明渠泥沙回淤厚度。

与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果：

现有背景技术无论是单独采用数学模型，还是单独采用物理模型试验，均难以解决拦污网具影响下的取水明渠泥沙回淤预测问题。本发明中发展了“复合型”模拟方案，同时结合了系列性机理实验、理论分析、数值模拟等多种研究手段的优势，突破了当前柔性网具对水动力泥沙影响模拟的困境。主要发明点包括以下3个方面：

（1）提出采用等效阻力概化法模拟拦污网具对明渠内水沙运动影响

本发明创新性提出了将拦污网具特异结构采用“等效阻力”项代入数值模型中，极大程度松弛了网格尺度需求，提高了算力和计算效率，可令数学模型同时兼顾大范围水沙动力场，以及网具局部的阻水特性，保障了明渠内泥沙回淤的数值模拟精度。

（2）提出了基于“剩余总力法”的拦污网具阻力分析新方法

本发明提出了“剩余总力法”对网具的阻力进行分析，即考虑到系泊绳索的张力反映了网具的总阻水效应，而绳索的张力完全传导至两侧的挂网墩台中，故可将挂网墩台所受总力作为网具的阻水力，巧妙的转化了无法直接测量网衣对水流阻力的难题。

（3）基于原型网衣开展机理性实验，避免了网具阻力系数的比尺效应

目前，对拦污网具这一特异结构的水流阻力系数严重缺乏研究，最重要的原因在于实验室内对网具的研究采用模型网衣，具有明显的“比尺效应”，而采用原型网衣则存在与实验室内动力不匹配的困境。为解决这一问题，本发明从网具阻水效应的内在机制出发，彻底摒弃了“物理模拟”概念，首次提出了采用原型网具下系列性机理实验手段，建立网具阻力与水流特征的相关理论关系，并凝练网具的阻力系数，为数学模型计算提供准确的输入条件。

附图说明

图1是本发明提供的一种柔性拦污网具影响下取水明渠泥沙回淤模拟预测方法的流程图；

图2是本发明提供的近海电厂取水明渠及水下地形、实测站点示意图；

图3是本发明提供的现场取水明渠内拦污网具位置图；

图4是本发明提供的水槽实验纵剖面布置图；

图5是本发明提供的水槽实验横剖面布置图；

图6是本发明提供的实验测量得到的挂网墩台水平受力过程图；

图7是本发明提供的拦污网具阻力系数与网衣雷诺数的相关拟合曲线图；

图8是本发明提供的水动力泥沙数学模型模拟范围示意图；

图9是本发明提供的水动力泥沙数学模型取水明渠附近计算网格示意图；

图10是本发明提供的数学模型计算所得潮位与实测潮位对比图；

图11是本发明提供的数学模型计算所得流速与实测流速对比图；

图12是本发明提供的数学模型计算所得流向与实测流向对比图；

图13是本发明提供的数学模型计算所得含沙量与实测含沙量对比图；

图14是本发明提供的数学模型计算所得涨潮流场示意图；

图15是本发明提供的数学模型计算所得落潮流场示意图；

图16是本发明提供的数学模型中模拟所得取水明渠内1年回淤厚度分布图；

附图标记：

1、陆地岸线；2、水下等深线；3、取水明渠；4、取水口；5、实测潮位站；6、实测潮流与含沙量站；7、现场挂网墩台位置；8、现场拦污网具位置；9、水槽底部；10、循环水管廊；11、循环水泵；12、试验水面；13、实验挂网墩台；14、流速传感器；15、实验网衣；16、水槽侧壁；17、锚环；18、浮球；19、系泊绳索；20、总力传感器；21、仅挂网墩台的墩台总力；22、挂网墩台+网具的墩台总力；23、水槽试验分析数据； 24、拟合关系曲线；25、北开边界；26、东开边界；27、南开边界；28、西开边界；29、取水流量边界；30、取水明渠内一年后回淤厚度等值线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：本发明提供了一种柔性拦污网具影响下取水明渠泥沙回淤模拟预测方法，如图1所示，包括：

S1、获取待模拟预测位置的取水明渠数据与拦污网具数据；

S2、利用实验室水槽根据所述待模拟预测位置的拦污网具数据获取实验挂网墩台对应受力数据作为第一受力数据；

S3、利用实验室水槽根据所述待模拟预测位置的拦污网具数据获取实验挂网墩台与实验拦污网具对应受力数据作为第二受力数据；

S4、利用所述第一受力数据与第二受力数据获取拦污网具阻力系数分析公式；

S5、利用所述拦污网具阻力系数分析公式建立柔性拦污网具影响下电厂取水明渠环境海域的平面二维水动力泥沙数学模型；

S6、利用所述平面二维水动力泥沙数学模型根据所述待模拟预测位置的取水明渠数据与拦污网具数据得到待模拟预测位置的取水明渠泥沙回淤厚度。

S1具体包括：

S1-1、利用待模拟预测位置的取水明渠布置方案、取水流量、对应海域水下地形、对应海域实测潮位、对应海域的海水流速、对应海域的海水流向与对应海域的海水水体含沙量数据作为待模拟预测位置的取水明渠数据；

S1-2、利用待模拟预测位置对应的原型拦污网具位置、原型拦污网具网衣材质、原型拦污网具网目尺寸、原型拦污网具网线直径、原型拦污网具挂网墩台间距、原型拦污网具网衣密实度与系泊绳索牵拉锚环位置作为待模拟预测位置的拦污网具数据。

S2具体包括：

S2-1、利用实验室水槽根据所述待模拟预测位置的拦污网具数据生成模拟流速工况；

S2-2、根据取水明渠的挂网墩台实际数据基于几何比例尺进行整体缩放得到实验挂网墩台；

S2-3、利用所述实验挂网墩台根据模拟流速工况得到挂网墩台的水平方向总力；

S2-4、利用所述实验挂网墩台的水平方向总力作为第一受力数据；

其中，实验室水槽的实验水深不小于1.0m，模拟流速工况的数量不少于5组，模拟流速的最大流速不小于0.5m/s，几何比例尺为实验挂网墩台与挂网墩台实际数据的比值。

S3具体包括：

S3-1、利用实验室水槽根据所述待模拟预测位置的拦污网具数据生成模拟流速工况；

S3-2、根据取水明渠的挂网墩台实际数据基于几何比例尺进行整体缩放得到实验挂网墩台；

S3-3、根据取水明渠的拦污网具实际数据基于几何比例尺进行整体缩放得到实验拦污网具；

S3-4、利用所述实验挂网墩台与实验拦污网具根据模拟流速工况得到实验挂网墩台与实验拦污网具的水平方向总力；

S3-5、利用所述实验挂网墩台与实验拦污网具的水平方向总力作为第二受力数据；

其中，实验室水槽的实验水深不小于1.0m，模拟流速工况的数量不少于5组，模拟流速的最大流速不小于0.5m/s，几何比例尺为实验挂网墩台与挂网墩台实际数据的比值，实验拦污网具材质、网目尺寸、网线直径与取水明渠中拦污网具材质、网目尺寸、网线直径相同。

S4具体包括：

S4-1、利用所述第一受力数据与第二受力数据计算实验工况的拦污网具单独阻力数据的计算式如下：

F₃=2(F₂-F₁)

S4-2、利用所述拦污网具单独阻力数据计算实验工况的网衣等效阻力系数的计算式如下：

S4-3、利用所述拦污网具数据计算实验工况的网衣雷诺数的计算式如下：

S4-4、利用所述实验工况的网衣等效阻力系数与实验工况的网衣雷诺数计算拦污网具阻力系数分析公式的计算式如下：

C_N=f(R_e)

其中，F₁为第一受力数据，F₂为第二受力数据，F₃为实验工况的拦污网具单独阻力数据，C_N为实验工况的网衣等效阻力系数，U_c为模拟流速工况，B_N为实验网衣宽度，D_N为实验室水槽的水深，N_S为网衣密实度，R_e为实验工况的网衣雷诺数，d_t为拦污网具的网线直径，v为实验工况的水体动力粘性系数，ρ为实验工况的水体密度。

S5具体包括：

S5-1、建立电厂取水明渠环境海域的平面二维水动力泥沙初始数学模型的计算式如下：

S5-1、利用平面二维水动力泥沙初始数学模型根据电厂取水明渠环境海域的实测数据进行验证处理得到电厂取水明渠环境海域的平面二维水动力泥沙数学模型；

其中，η为水面高程，h为总水深，x为横轴坐标，y为纵轴坐标，t为时间，f为科氏力系数，g为重力加速度，u为东西方向的垂线平均流速，v为南北方向的垂线平均流速，S为取水明渠取水流量，F_u和F_v为拦污网具在东西方向的垂线与南北方向的垂线方向阻力，u_s为x方向的取水口点源流速，v_s为y方向的取水口点源流速，T为应力项，其中T_xx为x方向的法向应力、T_xy为x方向的切向应力、T_yx为y方向的切向应力、T_yy为y方向的法向应力，τ_bx为x方向的床面剪切应力，τ_by为y方向的床面剪切应力，C为水体垂线平均含沙量；C_*为水流挟沙能力，α为泥沙沉降几率，ω为泥沙沉速，D_x为泥沙水平扩散系数，D_y为泥沙垂直扩散系数，η_b为海床底高程，γ₀为床面泥沙容重，τ_bx为x方向的底部剪应力，τ_by为y方向的底部剪切应力。

S5-1具体包括：

S5-1-1、判断所述平面二维水动力泥沙初始数学模型与电厂取水明渠环境海域的实测数据是否为一致性，若是，则输出平面二维水动力泥沙初始数学模型作为平面二维水动力泥沙数学模型，否则，放弃处理；

其中，一致性包括潮位误差小于10cm、涨落潮平均流速误差小于15%、涨落潮平均流向误差小于15°、含沙量平均误差小于30%。

S6具体包括：

S6-1、利用拦污网具阻力项根据所述待模拟预测位置的取水明渠数据与拦污网具数据基于平面二维水动力泥沙数学模型计算平面二维水动力泥沙拦污网具阻力数据的计算式如下：

S6-2、利用所述平面二维水动力泥沙拦污网具阻力数据与拦污网具阻力系数分析公式得到待预测位置的取水明渠底床高程；

S6-3、利用所述待预测位置的取水明渠底床高程得到待模拟预测位置的取水明渠泥沙回淤厚度；

其中，F_u为东西方向受力数据，F_v为南北方向受力数据，ρ_w为海水密度，C_N为实验工况的网衣等效阻力系数，N_S为网衣密实度，u为东西方向的垂线平均流速，v为南北方向的垂线平均流速，h为总水深，B为拦污网具的网衣宽度。

S6-3具体包括：

S6-3-1、利用所述待预测位置的待预测时刻的取水明渠底床高程与待预测位置的原始时刻的取水明渠底床高程的差值作为待模拟预测位置的取水明渠泥沙回淤厚度。

实施例2：本发明提供了一种柔性拦污网具影响下取水明渠泥沙回淤模拟预测实际应用方法，包括：

步骤1：取水明渠与拦污网具原型参数收集。如图2所示，北方某电厂建设于近海区域，取水方案采用于海岸线外侧建设1条取水明渠的形式，取水明渠3由两条防波堤包围形成，末端设施取水口4，取水明渠底高程-8.0m，取水流量90m3/s。取水明渠所在海域设置1个潮位实测站点5和1个潮流与含沙量实测站点6。如图3所示，取水明渠内设置柔性平面拦污网，包括挂网墩台7和平面网衣8，原型拦污网网衣采用超高分子量聚乙烯材质，网目尺寸50mm、网线直径2.5mm、挂网墩台间距15m、网衣密实度0.201，网衣共布置6个锚环17，并各自采用系泊绳索与挂网墩台连接。

步骤2：开展仅有挂网墩台条件下的水槽实验。如图4和图5所示，于实验室水槽中按整体几何比尺=15制作2个实验挂网墩台13，所述水槽下方设置循环水管廊10，以循环水泵11驱动。所述水槽中挂网墩台间距按原型间距=15m折算，至实验中为1.0m，于实验挂网墩台上安装6个系泊绳索牵拉锚环。实验挂网墩台于水槽中对称布置，其中1个实验挂网墩台下方安装总力传感器20，挂网墩台的水流上游侧安装流速传感器14。设置实验水深=1.0m，并于水槽内分别生成5组实验水流流速，分别为0.2m/s、0.4m/s、0.6m/s、0.8m/s、1.0m/s；在这5组水流流速工况下，分别利用总力传感器20测量挂网墩台水平方向总力数值F1，采样频率为50Hz。图6中以流速=0.6m/s工况为例，示意了本步骤中测量得到的挂网墩台+网具的墩台总力22。

步骤3：开展同时存在挂网墩台和拦污网条件下的水槽实验。如图5所示，于实验室水槽中按几何比尺λ=15制作实验网衣15；所述实验网衣采用原型网衣。实验网衣与系泊绳索牵拉锚环17采用实验绳索19连接，所述绳索采用直径1mm的迪尼玛绳。所述实验网衣顶部悬挂直径为1cm的浮球18，令实验网衣顶部始终保持在水面；设置实验水深1.0m，于水槽内5组分别生成5组实验水流流速0.2m/s、0.4m/s、0.6m/s、0.8m/s、1.0m/s；采用总力传感器20测量以上水流流速组合下的墩台水平方向总力数值F2，采样频率为50Hz。图6中以流速=0.6m/s工况条件为例，示意了本步骤中测量得到的墩台总力过程23。

步骤4：拦污网具阻力系数公式分析。采用式（1）计算得到每组实验水流流速工况下仅由拦污网具影响所引起的阻力。采用式（2）计算得到每组实验水流流速工况下网衣的等效阻力系数，式（2）中ρ=1000kg/m3为实验水体密度，B_N=1.0m为实验中网衣宽度，D_N=1.0m为实验水深。根据式（3）计算每组实验工况下的网衣雷诺数，其中d_t=2.5mm为网线直径，v=10^-6m²/s为水体动力粘性系数。图7中23给出了根据以上求得的每组实验水流工况下的网具阻力系数和网衣雷诺数，采用最小二乘法理论，图7中24以乘幂形式，拟合得到了网具阻力系数和网衣雷诺数的函数关系C_N=268.3×Re^-0.697。所述拟合函数的两个变量相关系数为0.996。

F₃=2(F₂-F₁)                                                  (1)

                                    (2)

                                            (3)

步骤5：取水明渠水动力泥沙数学模型建立与验证

根据步骤1中收集的资料，建立包含所研究的电厂取水明渠以及其周边海域的平面二维水动力泥沙数学模型，所述模型控制方程如式（4）至式（8）, 在本步骤中计算中，式（5）和式（6）中取F_u=F_v=0。图8中示意了所建数学模型的范围和开边界位置，各开边界为东开边界26、南开边界27、西开边界29，其中于取水流量边界29处设置近海电厂取水流量90m3/s，图9中示意了所建数学模型在取水明渠附近的计算网格配置。图10中给出了数学模型中模拟得到的潮位与实测潮位站5处的潮位数据对比情况，图11中给出了数学模型中模拟得到的流速与实测潮流含沙量站6处的流速数据对比情况，图12中给出了数学模型中模拟得到的流向与实测潮流含沙量站6处的流向数据对比情况，图13中给出了数学模型中模拟得到的含沙量与实测潮流含沙量站6处的含沙量数据对比情况。以上模拟结果潮位最大误差为9.3cm、涨落潮平均流速误差为11.4%、涨落潮平均流向误差为13.2°、含沙量平均误差为22%。图14和图15中示意了水动力泥沙模型计算得到的涨潮、落潮流速场分布情况。

                                     (4)

  (5)

  (6)

  (7)

                                      (8)

步骤6：拦污网具影响下的取水明渠泥沙回淤计算

在步骤5中建成并验证的水动力泥沙数学模型基础上，于图3中布设拦污网具的位置8处，在求解式（5）和式（6）时增加拦污网具阻力项Fu和Fv，如式（9）~（11）中所示，其中式（10）~（11）中的C_N=268.3×Re^-0.697，Re由式（9）计算。模拟1年的实际潮流、泥沙运动和海床底高程演变过程，提取模拟所得的取水明渠内底床高程，与计算初始时刻的取水明渠原始底高程相对比，可得到1年后的拦污网具影响下取水明渠泥沙回淤厚度，如图16中30所示。

                                     (9)

                                    (10)

                                    (11)

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种柔性拦污网具影响下取水明渠泥沙回淤模拟预测方法，其特征在于，包括：

S1、获取待模拟预测位置的取水明渠数据与拦污网具数据；

S2、利用实验室水槽根据所述待模拟预测位置的拦污网具数据获取实验挂网墩台对应受力数据作为第一受力数据；

S3、利用实验室水槽根据所述待模拟预测位置的拦污网具数据获取实验挂网墩台与实验拦污网具对应受力数据作为第二受力数据；

S4、利用所述第一受力数据与第二受力数据获取拦污网具阻力系数分析公式；

S5、利用所述拦污网具阻力系数分析公式建立柔性拦污网具影响下电厂取水明渠环境海域的平面二维水动力泥沙数学模型；

S6、利用所述平面二维水动力泥沙数学模型根据所述待模拟预测位置的取水明渠数据与拦污网具数据得到待模拟预测位置的取水明渠泥沙回淤厚度。

2.如权利要求1所述的一种柔性拦污网具影响下取水明渠泥沙回淤模拟预测方法，其特征在于，所述获取待模拟预测位置的取水明渠数据与拦污网具数据包括：

利用待模拟预测位置的取水明渠布置方案、取水流量、对应海域水下地形、对应海域实测潮位、对应海域的海水流速、对应海域的海水流向与对应海域的海水水体含沙量数据作为待模拟预测位置的取水明渠数据；

利用待模拟预测位置对应的原型拦污网具位置、原型拦污网具网衣材质、原型拦污网具网目尺寸、原型拦污网具网线直径、原型拦污网具挂网墩台间距、原型拦污网具网衣密实度与系泊绳索牵拉锚环位置作为待模拟预测位置的拦污网具数据。

3.如权利要求1所述的一种柔性拦污网具影响下取水明渠泥沙回淤模拟预测方法，其特征在于，所述利用实验室水槽根据所述待模拟预测位置的拦污网具数据获取实验挂网墩台对应受力数据作为第一受力数据包括：

利用实验室水槽根据所述待模拟预测位置的拦污网具数据生成模拟流速工况；

根据取水明渠的挂网墩台实际数据基于几何比例尺进行整体缩放得到实验挂网墩台；

利用所述实验挂网墩台根据模拟流速工况得到挂网墩台的水平方向总力；

利用所述实验挂网墩台的水平方向总力作为第一受力数据；

其中，实验室水槽的实验水深不小于1.0m，模拟流速工况的数量不少于5组，模拟流速的最大流速不小于0.5m/s，几何比例尺为实验挂网墩台与挂网墩台实际数据的比值。

4.如权利要求1所述的一种柔性拦污网具影响下取水明渠泥沙回淤模拟预测方法，其特征在于，所述利用实验室水槽根据所述待模拟预测位置的拦污网具数据获取实验挂网墩台与实验拦污网具对应受力数据作为第二受力数据包括：

利用实验室水槽根据所述待模拟预测位置的拦污网具数据生成模拟流速工况；

根据取水明渠的挂网墩台实际数据基于几何比例尺进行整体缩放得到实验挂网墩台；

根据取水明渠的拦污网具实际数据基于几何比例尺进行整体缩放得到实验拦污网具；

利用所述实验挂网墩台与实验拦污网具根据模拟流速工况得到实验挂网墩台与实验拦污网具的水平方向总力；

利用所述实验挂网墩台与实验拦污网具的水平方向总力作为第二受力数据；

其中，实验室水槽的实验水深不小于1.0m，模拟流速工况的数量不少于5组，模拟流速的最大流速不小于0.5m/s，几何比例尺为实验挂网墩台与挂网墩台实际数据的比值，实验拦污网具材质、网目尺寸、网线直径与取水明渠中拦污网具材质、网目尺寸、网线直径相同。

5.如权利要求1所述的一种柔性拦污网具影响下取水明渠泥沙回淤模拟预测方法，其特征在于，利用所述第一受力数据与第二受力数据获取拦污网具阻力系数分析公式包括：

利用所述第一受力数据与第二受力数据计算实验工况的拦污网具单独阻力数据的计算式如下：

 F₃=2(F₂-F₁)

利用所述拦污网具单独阻力数据计算实验工况的网衣等效阻力系数的计算式如下：

利用所述拦污网具数据计算实验工况的网衣雷诺数的计算式如下：

利用所述实验工况的网衣等效阻力系数与实验工况的网衣雷诺数计算拦污网具阻力系数分析公式的计算式如下：

 C_N=f(R_e)

其中，F₁为第一受力数据，F₂为第二受力数据，F₃为实验工况的拦污网具单独阻力数据，C_N为实验工况的网衣等效阻力系数，U_c为模拟流速工况，B_N为实验网衣宽度，D_N为实验室水槽的水深，N_S为网衣密实度，R_e为实验工况的网衣雷诺数，d_t为拦污网具的网线直径，v为实验工况的水体动力粘性系数，ρ为实验水槽中的水体密度。

6.如权利要求1所述的一种柔性拦污网具影响下取水明渠泥沙回淤模拟预测方法，其特征在于，利用所述拦污网具阻力系数分析公式建立柔性拦污网具影响下电厂取水明渠环境海域的平面二维水动力泥沙数学模型包括：

建立电厂取水明渠环境海域的平面二维水动力泥沙初始数学模型的计算式如下：

利用平面二维水动力泥沙初始数学模型根据电厂取水明渠环境海域的实测数据进行验证处理得到电厂取水明渠环境海域的平面二维水动力泥沙数学模型；

其中，η为水面高程，h为总水深，x为横轴坐标，y为纵轴坐标，t为时间，f为科氏力系数，g为重力加速度，u为东西方向的垂线平均流速，v为南北方向的垂线平均流速，S为取水明渠取水流量，F_u和F_v为拦污网具在东西方向的垂线与南北方向的垂线方向阻力，u_s为x方向的取水口点源流速，v_s为y方向的取水口点源流速，T为应力项，其中T_xx为x方向的法向应力、T_xy为x方向的切向应力、T_yx为y方向的切向应力、T_yy为y方向的法向应力，τ_bx为x方向的床面剪切应力，τ_by为y方向的床面剪切应力，C为水体垂线平均含沙量；C_*为水流挟沙能力，α为泥沙沉降几率，ω为泥沙沉速，D_x为泥沙水平扩散系数，D_y为泥沙垂直扩散系数，η_b为海床底高程，γ₀为床面泥沙容重，τ_bx为x方向的底部剪应力，τ_by为y方向的底部剪切应力。

7.如权利要求6所述的一种柔性拦污网具影响下取水明渠泥沙回淤模拟预测方法，其特征在于，利用平面二维水动力泥沙初始数学模型根据电厂取水明渠环境海域的实测数据进行验证处理得到电厂取水明渠环境海域的平面二维水动力泥沙数学模型包括：

判断所述平面二维水动力泥沙初始数学模型与电厂取水明渠环境海域的实测数据是否为一致性，若是，则输出平面二维水动力泥沙初始数学模型作为平面二维水动力泥沙数学模型，否则，放弃处理；

其中，一致性包括潮位误差小于10cm、涨落潮平均流速误差小于15%、涨落潮平均流向误差小于15°、含沙量平均误差小于30%。

8.如权利要求1所述的一种柔性拦污网具影响下取水明渠泥沙回淤模拟预测方法，其特征在于，利用所述平面二维水动力泥沙数学模型根据所述待模拟预测位置的取水明渠数据与拦污网具数据得到待模拟预测位置的取水明渠泥沙回淤厚度包括：

利用拦污网具阻力项根据所述待模拟预测位置的取水明渠数据与拦污网具数据基于平面二维水动力泥沙数学模型计算平面二维水动力泥沙拦污网具阻力数据的计算式如下： 利用所述平面二维水动力泥沙拦污网具阻力数据与拦污网具阻力系数分析公式得到待预测位置的取水明渠底床高程；

利用所述待预测位置的取水明渠底床高程得到待模拟预测位置的取水明渠泥沙回淤厚度；

其中，F_u为东西方向受力数据，F_v为南北方向受力数据，ρ_w为海水密度，C_N为实验工况的网衣等效阻力系数，N_S为网衣密实度，u为东西方向的垂线平均流速，v为南北方向的垂线平均流速，h为总水深，B为拦污网具的网衣宽度。

9.如权利要求8所述的一种柔性拦污网具影响下取水明渠泥沙回淤模拟预测方法，其特征在于，利用所述待预测位置的取水明渠底床高程得到待模拟预测位置的取水明渠泥沙回淤厚度包括：

利用所述待预测位置的待预测时刻的取水明渠底床高程与待预测位置的原始时刻的取水明渠底床高程的差值作为待模拟预测位置的取水明渠泥沙回淤厚度。

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