CN116467790A - 一种优化半掩护港区防波堤平面布局的判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及港口平面规划及方案比选领域，尤其涉及一种优化半掩护港区防波堤平面布局的判别方法，包括：利用优化半掩护港区防波堤的水文历史数据获取潮流数学模型；利用所述潮流数学模型获取优化半掩护港区防波堤的模拟结果；根据所述优化半掩护港区防波堤的模拟结果得到优化半掩护港区防波堤平面布局的判别结果，通过收集工程海域的水文实测历史数据，构建了潮流数学模型，基于水文实测数据对潮流模型开展了验证工作，并拟合得到了曲线公式。基于数学模型模拟结果和拟合曲线公式，判别出防波堤开口宽度在哪个区间对水域影响面积减小的最快，从水动力角度推断最优的防波堤平面布局，为港区的平面规划提供参考，上述判别方法直观、省时、有效。

Description

一种优化半掩护港区防波堤平面布局的判别方法

技术领域

本发明涉及港口平面规划及方案比选领域，具体涉及一种优化半掩护港区防波堤平面布局的判别方法。

背景技术

随着我国对环境保护和生态修复工作的重视，在港口规划阶段尽可能优化港口平面布局，减小对周边环境影响是十分重要的。近年来国内许多学者针对港区防波堤的布局开展了研究，研究多采用数值模拟的手段，以改善港区环境生态为目标，提出了优化防波堤口门及布局的措施。现有的研究方法多基于数值模拟的单一手段，且研究对象多基于环抱式港池，港区仅存在唯一口门，且为服务项目工期的要求，研究方案数量受限，且计算花费时间较长。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种优化半掩护港区防波堤平面布局的判别方法，通过采用数值模拟与曲线判别相结合的手段，为半掩护港区防波堤的平面布局及优化提供参考，达到更加直观和省时的目的。

为实现上述目的，本发明提供了一种优化半掩护港区防波堤平面布局的判别方法，包括：

利用优化半掩护港区防波堤的水文历史数据获取潮流数学模型；

利用所述潮流数学模型获取优化半掩护港区防波堤的模拟结果；

根据所述优化半掩护港区防波堤的模拟结果得到优化半掩护港区防波堤平面布局的判别结果。

优选的，利用优化半掩护港区防波堤的水文历史数据获取潮流数学模型包括：

基于MIKE21/FM得到初始潮流数学模型；

利用所述初始潮流数学模型输出潮流模拟初始结果；

根据所述潮流模拟初始结果与优化半掩护港区防波堤的水文历史数据的差值得到潮流数学模型。

进一步的，所述基于MIKE21/FM得到初始潮流数学模型包括：

根据优化半掩护港区防波堤获取对应初始潮流数学模型的计算范围；

利用所述初始潮流数学模型的计算范围根据非结构化的三角网格进行剖分处理得到初始潮流数学模型的计算网格；

利用所述初始潮流数学模型的计算网格基于MIKE21/FM得到初始潮流数学模型。

进一步的，根据所述潮流模拟初始结果与优化半掩护港区防波堤的水文历史数据的差值得到潮流数学模型包括：

基于中国潮汐模型得到潮流模拟的潮位边界；

利用所述潮流模拟的潮位边界基于初始潮流数学模型通过潮位过程控制得到潮流模拟初始结果；

判断所述潮流模拟初始结果与水文实时数据的差值是否小于验证阈值，若是，则利用初始潮流模型作为潮流数学模型，否则，放弃处理；

其中，验证阈值包括潮位误差为正负10cm，涨落潮平均流速误差为15%，涨落潮平均流向误差为15°。

进一步的，利用所述潮流数学模型获取优化半掩护港区防波堤的模拟结果包括：

当所述潮流数学模型满足验证阈值时，基于所述潮流数学模型获取不同优化半掩护港区防波堤平面布局的防波堤开口方案的模拟结果；

当所述潮流数学模型不满足验证阈值时，放弃处理。

优选的，根据所述优化半掩护港区防波堤的模拟结果得到优化半掩护港区防波堤平面布局的判别结果包括：

利用所述优化半掩护港区防波堤的模拟结果得到影响水域面积与开口宽度的拟合曲线；

利用所述影响水域面积与开口宽度的拟合曲线建立面积宽度拟合曲线公式；

利用所述优化半掩护港区防波堤的模拟结果与面积宽度拟合曲线公式得到优化半掩护港区防波堤的开口方案对应开口最优范围；

利用所述开口最优范围得到优化半掩护港区防波堤平面布局的判别结果；

其中，拟合曲线为优化半掩护港区防波堤平面布局的不同防波堤方案的影响水域面积与防波堤开口宽度变化的曲线。

进一步的，利用所述影响水域面积与开口宽度的拟合曲线建立面积宽度拟合曲线公式包括：

其中，x为防波堤开口宽度，y为影响水域面积。

进一步的，利用所述开口最优范围得到优化半掩护港区防波堤平面布局的判别结果包括：

判断所述优化半掩护港区防波堤平面布局的防波堤开口范围是否处于优化半掩护港区防波堤开口最优范围内，若是，则优化半掩护港区防波堤平面布局的判别结果为最优，否则，优化半掩护港区防波堤平面布局的判别结果不为最优；

其中，开口最优范围与优化半掩护港区防波堤的水域面积变化趋势对应。

与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明提供的一种优化半掩护港区防波堤平面布局的判别方法，通过收集工程海域的水文实测历史数据，构建了潮流数学模型，基于水文实测数据对潮流模型开展了验证工作，计算了半掩护港区防波堤不同开口宽度方案下，工程建设对周边水域影响，绘制了影响周边水域面积随开口宽度变化的曲线，并拟合得到了曲线公式。基于数学模型模拟结果和拟合曲线公式，判别出防波堤开口宽度在哪个区间对水域影响面积减小的最快，从水动力角度推断最优的防波堤平面布局，为港区的平面规划提供参考，上述判别方法直观、省时、有效。

附图说明

图1是本发明提供的一种优化半掩护港区防波堤平面布局的判别方法的流程图；

图2为本发明提供的一种优化半掩护港区防波堤平面布局的实际应用方法的流程图；

图3为本发明提供的一种优化半掩护港区防波堤平面布局的实际应用方法的港区平面布置图；

图4为本发明提供的一种优化半掩护港区防波堤平面布局的实际应用方法的计算域范围、网格剖分及插值地形图；

图5为本发明提供的一种优化半掩护港区防波堤平面布局的实际应用方法的工程后局部的网格剖分及插值地形图；

图6为本发明提供的一种优化半掩护港区防波堤平面布局的实际应用方法的历年水文测站布置图；

图7为本发明提供的一种优化半掩护港区防波堤平面布局的实际应用方法的2013年大范围海域潮位及流速、流向验证图；

图8为本发明提供的一种优化半掩护港区防波堤平面布局的实际应用方法的2018年局部海域潮位及流速、流向验证图；

图9为本发明提供的一种优化半掩护港区防波堤平面布局的实际应用方法的不同防波堤开口方案对周边水域的流速影响图；

图10为本发明提供的一种优化半掩护港区防波堤平面布局的实际应用方法的影响水域面积随开口宽度变化拟合的曲线及曲线公式。

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：本发明提供了一种优化半掩护港区防波堤平面布局的判别方法，如图1所示，包括：

S1、利用优化半掩护港区防波堤的水文历史数据获取潮流数学模型；

S2、利用所述潮流数学模型获取优化半掩护港区防波堤的模拟结果；

S3、根据所述优化半掩护港区防波堤的模拟结果得到优化半掩护港区防波堤平面布局的判别结果。

S1具体包括：

S1-1、基于MIKE21/FM得到初始潮流数学模型；

S1-2、利用所述初始潮流数学模型输出潮流模拟初始结果；

S1-3、根据所述潮流模拟初始结果与优化半掩护港区防波堤的水文历史数据的差值得到潮流数学模型。

S1-1具体包括：

S1-1-1、根据优化半掩护港区防波堤获取对应初始潮流数学模型的计算范围；

S1-1-2、利用所述初始潮流数学模型的计算范围根据非结构化的三角网格进行剖分处理得到初始潮流数学模型的计算网格；

S1-1-3、利用所述初始潮流数学模型的计算网格基于MIKE21/FM得到初始潮流数学模型。

S1-3具体包括：

S1-3-1、基于中国潮汐模型得到潮流模拟的潮位边界；

S1-3-2、利用所述潮流模拟的潮位边界基于初始潮流数学模型通过潮位过程控制得到潮流模拟初始结果；

S1-3-3、判断所述潮流模拟初始结果与水文实时数据的差值是否小于验证阈值，若是，则利用初始潮流模型作为潮流数学模型，否则，放弃处理；

其中，验证阈值包括潮位误差为正负10cm，涨落潮平均流速误差为15%，涨落潮平均流向误差为15°。

S2具体包括：

S2-1、当所述潮流数学模型满足验证阈值时，基于所述潮流数学模型获取不同优化半掩护港区防波堤平面布局的防波堤开口方案的模拟结果；

S2-2、当所述潮流数学模型不满足验证阈值时，放弃处理。

S3具体包括：

S3-1、利用所述优化半掩护港区防波堤的模拟结果得到影响水域面积与开口宽度的拟合曲线；

S3-2、利用所述影响水域面积与开口宽度的拟合曲线建立面积宽度拟合曲线公式；

S3-3、利用所述优化半掩护港区防波堤的模拟结果与面积宽度拟合曲线公式得到优化半掩护港区防波堤的开口方案对应开口最优范围；

S3-4、利用所述开口最优范围得到优化半掩护港区防波堤平面布局的判别结果；

其中，拟合曲线为优化半掩护港区防波堤平面布局的不同防波堤方案的影响水域面积与防波堤开口宽度变化的曲线。

S3-2具体包括：

其中，x为防波堤开口宽度，y为影响水域面积。

S3-4具体包括：

S3-4-1、判断所述优化半掩护港区防波堤平面布局的防波堤开口范围是否处于优化半掩护港区防波堤开口最优范围内，若是，则优化半掩护港区防波堤平面布局的判别结果为最优，否则，优化半掩护港区防波堤平面布局的判别结果不为最优；

其中，开口最优范围与优化半掩护港区防波堤的水域面积变化趋势对应。

本实施例中，一种优化半掩护港区防波堤平面布局的判别方法，实际应用过程，如图2所示，包括：

1、采集工程海域的地址与水文数据掌握潮流运动特征规律；

2、构建所述潮流模型的过程包括模拟软件的选取、计算范围的确定、网格剖分、开边界的选取以及模型的验证；

3、所述网格剖分用于拟合包括复杂河口、堤线等细致边界；所述网格剖分的过程包括，采用无结构的三角形网络对计算域进行剖分，获得模型网格最小空间步长；基于所述模型网格最小空间步长，划分用于最终计算的模型网络节点；其中，所述模型网格最小空间步长应保证精确分辨防波堤的开口宽度及堤宽，模型在工程局部网格进行加密处理，基于所述潮流模型进行潮流模拟计算时，还包括开边界位置的确定、开边界潮位过程的给定；所述开边界采用潮位过程控制开边界处外海潮汐，并根据实测流速流向对模型进行调试；

4、基于所述验证过的潮流模型，针对半掩护港区不同防波堤开口宽度方案，模拟不同方案实施后对周边水域的影响，绘制了所述影响水域面积随开口宽度变化的曲线，并拟合得到曲线公式；

5、基于数学模型模拟结果和拟合曲线公式，判别出防波堤开口宽度在哪个区间对水域影响面积减小的最快，从水动力角度推断最优的防波堤平面布局，为港区的平面规划提供参考。

如图3所示，以赣榆港区为例。目前赣榆港区防波堤一期工程已经建成并投入使用，二期工程防波堤总长7600m，其中A段、C段已基本建设完成，B段尚未实施，现状条件下赣榆港区呈现半掩护状态。

本次研究根据最新的卫星遥感影像，现状条件下B段防波堤尚未建设，将其命名为“现状”；将B段防波堤不开口方案命名为方案1，拟建防波堤二期工程后B段开口宽度在50m、100m、200m、300m、400m和500m，依次命名为方案2、方案3、方案4、方案5、方案6和方案7。

（2）数学模型建立及验证

1）计算软件选取

本次数值模拟使用的数学模型主要为潮流模型，计算软件主要采用国际通用的MIKE21/FM模块。

2）计算域确定及网格剖分

本工程地处海州湾，所建潮流模型计算范围水平尺度约80km×100km，如图4所示。外海开边界设置在-20m等深线附近，采用非结构化的三角网格对计算域进行剖分，并在工程区附近对网格局部加密，共57228个网格节点，最大单元边长约2000m，最小约10m。图5给出了工程局部的网格剖分及插值水深，工程位于河口区，周边有石桥河、柘汪河，北侧有绣针河口，网格能够在河口区及防波堤建筑物边界附近实现细致剖分。

3）开边界的确定

在进行潮流模拟计算时，需要给定开边界的潮位或潮量过程。本模型开边界处外海潮波采用潮位过程控制，潮位边界由中国潮汐模型 ChinaTide计算给出，然后根据实测流速流向调试。

4）模型验证

为了验证潮流模型计算结果的准确性，选取水文全潮历史观测资料对模型的潮位和流速流向过程进行验证，水文测站布置如图6所示。潮位及流速流向验证曲线如图7至图8所示(其中圆圈为实测数据，实线为计算结果)。通过模型计算，认为各测站的计算潮位和流速流向在连续变化过程中均与实测值接近，绝大多数测点的验证结果符合现行《水运工程模拟试验技术规范》阈值的要求。

（3）不同防波堤开口方案对周边水域流速影响

图9给出了不同防波堤开口方案对周边水域的流速影响，各方案总体变化规律基本一致。体现在A段和B段防波堤主口门处和B段防波堤南侧水域流速有所增加，B段防波堤东、西两侧荫蔽区流速有所减小，防波堤开口处受入流和出流影响，流速有所增加。但受开口宽度不同的影响，不同等级流速变化范围也有所不同，如下所示：

经统计，不同防波堤开口宽度方案较现状相比，平均流速最大增幅介于0.32m/s-0.54m/s、平均流速最大减幅在0.53m/s-0.56 m/s。从对周边流速变化幅度角度，开口200m及300m方案相对较优。

（4）拟合曲线公式

以工程较为关注的流速变幅超过0.1m/s的影响面积为例，图10绘制了影响水域面积随开口宽度变化的拟合曲线，可以看出，该曲线拟合情况较好，拟合优度R2可达0.9845。拟合曲线公式为：

y＝7E-05x2-0.0719x+23.437

其中：x为防波堤开口宽度，y为影响水域面积。

（5）判别优化防波堤布局的方法

基于数学模型研究结果及上述拟合曲线，结合图8-图9可以看出，防波堤开口宽度在0-100m区间时，流速变化对应的水域面积变化相对缓慢；防波堤开口宽度在100-300m区间时，流速变化对应的水域面积变化相对剧烈；防波堤开口宽度在300-500m区间时，流速变化对应的水域面积变化再次呈现相对缓慢的趋势。因此，从减小对周边大范围水域影响面积角度，防波堤开口宽度设置在100-300m区间是合理的。防波堤开口宽度设置在上述区间时，工程建设对周边水域影响面积减小的最快。

综合周边水域流速变化的幅度以及影响的水域面积，从水动力角度认为防波堤开口宽度在200m是最优的。

鉴于防波堤开口宽度的选择，应结合水流、波浪、通航、施工、经济性等多角度综合论证，本文主要从水动力角度重点论述了不同防波堤开口宽度的差异性，结果可为相关设计及建设单位提供参考。

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 (8)

1.一种优化半掩护港区防波堤平面布局的判别方法，其特征在于，包括：

利用优化半掩护港区防波堤的水文历史数据获取潮流数学模型；

利用所述潮流数学模型获取优化半掩护港区防波堤的模拟结果；

根据所述优化半掩护港区防波堤的模拟结果得到优化半掩护港区防波堤平面布局的判别结果。

2.如权利要求1所述的一种优化半掩护港区防波堤平面布局的判别方法，其特征在于，利用优化半掩护港区防波堤的水文历史数据获取潮流数学模型包括：

基于MIKE21/FM得到初始潮流数学模型；

利用所述初始潮流数学模型输出潮流模拟初始结果；

根据所述潮流模拟初始结果与优化半掩护港区防波堤的水文历史数据的差值得到潮流数学模型。

3.如权利要求2所述的一种优化半掩护港区防波堤平面布局的判别方法，其特征在于，所述基于MIKE21/FM得到初始潮流数学模型包括：

根据优化半掩护港区防波堤获取对应初始潮流数学模型的计算范围；

利用所述初始潮流数学模型的计算范围根据非结构化的三角网格进行剖分处理得到初始潮流数学模型的计算网格；

利用所述初始潮流数学模型的计算网格基于MIKE21/FM得到初始潮流数学模型。

4.如权利要求2所述的一种优化半掩护港区防波堤平面布局的判别方法，其特征在于，根据所述潮流模拟初始结果与优化半掩护港区防波堤的水文历史数据的差值得到潮流数学模型包括：

基于中国潮汐模型得到潮流模拟的潮位边界；

利用所述潮流模拟的潮位边界基于初始潮流数学模型通过潮位过程控制得到潮流模拟初始结果；

判断所述潮流模拟初始结果与水文实时数据的差值是否小于验证阈值，若是，则利用初始潮流模型作为潮流数学模型，否则，放弃处理；

其中，验证阈值包括潮位误差为正负10cm，涨落潮平均流速误差为15%，涨落潮平均流向误差为15°。

5.如权利要求4所述的一种优化半掩护港区防波堤平面布局的判别方法，其特征在于，利用所述潮流数学模型获取优化半掩护港区防波堤的模拟结果包括：

当所述潮流数学模型满足验证阈值时，基于所述潮流数学模型获取不同优化半掩护港区防波堤平面布局的防波堤开口方案的模拟结果；

当所述潮流数学模型不满足验证阈值时，放弃处理。

6.如权利要求1所述的一种优化半掩护港区防波堤平面布局的判别方法，其特征在于，根据所述优化半掩护港区防波堤的模拟结果得到优化半掩护港区防波堤平面布局的判别结果包括：

利用所述优化半掩护港区防波堤的模拟结果得到影响水域面积与开口宽度的拟合曲线；

利用所述影响水域面积与开口宽度的拟合曲线建立面积宽度拟合曲线公式；

利用所述优化半掩护港区防波堤的模拟结果与面积宽度拟合曲线公式得到优化半掩护港区防波堤的开口方案对应开口最优范围；

利用所述开口最优范围得到优化半掩护港区防波堤平面布局的判别结果；

其中，拟合曲线为优化半掩护港区防波堤平面布局的不同防波堤方案的影响水域面积与防波堤开口宽度变化的曲线。

7.如权利要求6所述的一种优化半掩护港区防波堤平面布局的判别方法，其特征在于，利用所述影响水域面积与开口宽度的拟合曲线建立面积宽度拟合曲线公式包括：

其中，x为防波堤开口宽度，y为影响水域面积。

8.如权利要求6所述的一种优化半掩护港区防波堤平面布局的判别方法，其特征在于，利用所述开口最优范围得到优化半掩护港区防波堤平面布局的判别结果包括：

判断所述优化半掩护港区防波堤平面布局的防波堤开口范围是否处于优化半掩护港区防波堤开口最优范围内，若是，则优化半掩护港区防波堤平面布局的判别结果为最优，否则，优化半掩护港区防波堤平面布局的判别结果不为最优；

其中，开口最优范围与优化半掩护港区防波堤的水域面积变化趋势对应。