CN117313425B - 一种年均含沙量的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种年均含沙量的计算方法，涉及年均含沙量计算技术领域，该方法包括：确定计算域输入参数；根据计算域输入参数训练数学模型；根据工程区实测数据对数学模型进行验证；根据验证后的数学模型生成的模拟数值计算出第一数据；获取引用数据，并将引用数据和第一数据输入至年均含沙量公式中进行计算，得到年均含沙量。本发明通过确定计算域输入参数，对数学模型进行训练验证，可以得到高精度的计算域内模拟数值的分布，进而将生成的高精度模拟数值带入到年均含沙量公式中进行计算，得到计算域内年均含沙量的分布情况，从而实现缩短计算时间，提高计算精度的目标。
Description
技术领域
本发明涉及年均含沙量计算领域，具体涉及一种年均含沙量的计算方法。
背景技术
目前，海岸、河口是海陆相互作用的集中地带，人们在海岸、河口地带从事经济开发的生产活动涉及很多工程，例如建设港口、开挖航道、围海造陆、修建跨海大桥和建设核电站等，为了使其合理、可行，需要对工程所在海域的水动力泥沙环境进行详细的了解、研究和论证。其中，经国内外学者研究认为泥沙淤积强度与工程海域的年均含沙量存在正相关关系，因此，在海岸、河口地带进行工程建设时，充分掌握工程海域年均含沙量的空间分布尤为重要。
在现有的年均含沙量计算方法中，一种是经验公式计算，另一种是数值模拟计算。根据经验公式计算年均含沙量的方法由来已久且已经被写入行业规范，优点是准确性高且计算比较简便，缺点主要是无法给出整个海域的年均含沙量分布，只能计算出海域一个位置的数值。而数值模拟计算方法优点是可以给出全海域的数值分布，缺点是它的模拟主要依赖于实测资料的丰富程度，计算时间过长同时计算结果存在较大误差，精度低。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提供了一种年均含沙量的计算方法，具有缩短计算时间，提高计算精度的优点。
技术方案：一种年均含沙量的计算方法，包括：
获取计算域开边界输入参数；
将计算域开边界输入参数输入至MIKE21水动力模型中生成计算域内的模拟数据；
根据工程区实测数据对所述模拟数据进行验证，若验证结果不匹配则对计算域开边界输入参数进行调整，直至验证结果匹配；
将调整后的计算域输入参数输入至MIKE21水动力模型中重新生成计算域内的模拟数据；
获取引用数据，并将所述引用数据和所述模拟数据输入至年均含沙量公式中进行计算，得到年均含沙量。
进一步的，所述获取计算域开边界输入参数包括：
确定所述计算域的三个模型开边界，所述计算域由多个无结构三角形网格进行划分，多个所述无结构三角形网格拓扑形成多个无结构三角形网格节点；
基于所述三个模型开边界，获取所述三个模型开边界上的潮流文件和波浪文件，所述潮流文件包括开边界上每个无结构三角形网格节点的潮位过程，所述波浪文件包括开边界上每个无结构三角形网格节点的波高、波向和波周期。
进一步的，所述将计算域开边界输入参数输入至MIKE21水动力模型中生成计算域内的模拟数据包括：
将所述三个模型开边界上的潮流文件输入至MIKE21水动力模型的MIKE21/FM模块中，生成计算域内多个无结构三角形网格节点的潮流模拟数据；
将所述三个模型开边界上的波浪文件输入至MIKE21水动力模型的MIKE21/SW模块中，生成计算域内多个无结构三角形网格节点的波浪模拟数据。
进一步的，所述根据工程区实测数据对所述模拟数据进行验证包括：
获取工程区实测数据；
将MIKE21水动力模型生成的模拟数据与工程区实测数据进行对比，得到对比误差；
若所述对比误差大于预设阈值，则验证结果为不匹配，若所述对比误差小于等于预设阈值，则验证结果为匹配。
进一步的，所述潮流模拟数据包括计算域内多个无结构三角形网格节点的潮位、潮流流速和流向，所述波浪模拟数据包括计算域内多个无结构三角形网格节点的波高、波向和波周期；
将所述引用数据和所述模拟数据输入至年均含沙量公式中进行计算，得到年均含沙量包括将计算域内每个无结构三角形网格节点的波周期输入至波速公式中进行计算，得出所述计算域内多个无结构三角形网格节点的波速，以及，将计算域内每个无结构三角形网格节点的潮流流速在相应时间段内做算术平均处理，得到潮流的时段平均流速。
进一步的，所述波速公式表示为：
其中，λ为波长（m）；C为波浪的波速（m/s）；T为波周期（s）；d为水深（m）；g为重力加速度，取9.81。
进一步的，所述年均含沙量公式表示为：
其中，S为年均含沙量（kg/m3）；γs为泥沙颗粒的密度（kg/m3）；V1为总平均流速（m/s）V2为波浪水质点的平均水平速度（m/s）；d为水深（m）；g为重力加速度，取9.81；H为波高（m）；C为波浪的波速（m/s）；VT为潮流的时段平均流速（m/s）；VU为风吹流的时段平均流速（m/s）；U为时段平均风速（m/s）。
进一步的，所述引用数据包括水深和时段平均风速。
进一步的，所述得到年均含沙量之后，还包括：
根据所述年均含沙量，绘制计算域年均含沙量分布图。
有益效果：本发明首先通过将计算域开边界输入参数输入至MIKE21水动力模型中生成计算域内的模拟数据，然后利用工程区实测数据对模拟数据进行验证，得到高精度的计算域内的模拟数据分布，进而将得到的模拟数据带入到年均含沙量公式中进行计算，得到计算域内年均含沙量的分布情况，可以观察到工程区域年均含沙量分布情况，克服了现有的年均含沙量计算方法中计算时间过长且误差较大的问题，实现了缩短计算时间，提高计算精度的目标。
附图说明
图1为本发明提供的一种年均含沙量的计算方法的流程示意图；
图2为本发明提供的一种年均含沙量的计算方法中计算域的网格划分示意图；
图3为本发明提供的一种年均含沙量的计算方法中计算域的水深分布示意图；
图4为本发明提供的一种年均含沙量的计算方法中潮位验证的曲线示意图；
图5为本发明提供的一种年均含沙量的计算方法中大潮流速流向验证的曲线示意图；
图6为本发明提供的一种年均含沙量的计算方法中中潮流速流向验证的曲线示意图；
图7为本发明提供的一种年均含沙量的计算方法中小潮流速流向验证的曲线示意图；
图8为本发明提供的一种年均含沙量的计算方法中潮流平均流速的分布示意图；
图9为本发明提供的一种年均含沙量的计算方法中波高的分布示意图；
图10为本发明提供的一种年均含沙量的计算方法中波速的分布示意图；
图11为本发明提供的一种年均含沙量的计算方法中年均含沙量的分布示意图。
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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如背景技术所述，目前工程海域年均含沙量的计算方法主要有两种，一种是经验公式计算；另一种是数值模拟。经验公式计算年均含沙量的方法由来已久且已经被写入行业规范，优点是准确性高且计算比较简便，缺点主要是无法给出整个工程海域的年均含沙量的分布情况，只能计算出工程海域一个位置的数值。而数值模拟计算方法优点是可以给出全海域的数值分布，缺点是它的模拟主要依赖于实测资料的丰富程度，计算时间过长同时计算结果并不像波浪和水流模拟一样精度高，计算存在很大的误差。
为了解决现有技术问题，本发明提供了一种年均含沙量的计算方法，下面对本发明实施例所提供的年均含沙量的计算方法进行介绍。
图1示出了本发明实施例提供的一种年均含沙量的计算方法的流程示意图。如图1所示，该年均含沙量的计算方法具体可以包括如下步骤：
S1、获取计算域开边界输入参数；
S2、将计算域开边界输入参数输入至MIKE21水动力模型中生成计算域内的模拟数据；
S3、根据工程区实测数据对所述模拟数据进行验证，若验证结果不匹配则对计算域开边界输入参数进行调整，直至验证结果匹配；
S4、将调整后的计算域输入参数输入至MIKE21水动力模型中重新生成计算域内的模拟数据；
S5、获取引用数据，并将所述引用数据和所述模拟数据输入至年均含沙量公式中进行计算，得到年均含沙量。
由此，本发明首先通过将计算域开边界输入参数输入至MIKE21水动力模型中生成计算域内的模拟数据，然后利用工程区实测数据对模拟数据进行验证，得到高精度的计算域内的模拟数据分布，进而将得到的模拟数据带入到年均含沙量公式中进行计算，得到计算域内年均含沙量的分布情况，可以观察到工程区域年均含沙量分布情况，克服了现有的年均含沙量计算方法中计算时间过长且误差较大的问题，实现了缩短计算时间，提高计算精度的目标。
下面介绍上述各个步骤的具体实现方式。
在S1中，在进行数值模拟计算之前，需要确定MIKE21水动力模型的计算范围，在该实施例中，计算范围如图2所示，该实施例下的计算域的水深分布如图3所示，该实施例以研究的工程海域为中心，北侧至北关岛，南侧至连江县，外海开边界离岸距离60km左右，岸线采用最新卫片，地形采用多张海图及工程附近最新实测水深测图。
上述S1具体可以包括：
S1-1、确定所述计算域的三个模型开边界，所述计算域由多个无结构三角形网格进行划分，多个所述无结构三角形网格拓扑形成多个无结构三角形网格节点；
S1-2、基于所述三个模型开边界，获取所述三个模型开边界上的潮流文件和波浪文件，所述潮流文件包括开边界上每个无结构三角形网格节点的潮位过程，所述波浪文件包括开边界上每个无结构三角形网格节点的波高、波向和波周期。其中，三个模型开边界上的潮流文件根据海域潮汐模型ChinaTide得到，三个模型开边界上的波浪文件通过人为进行输入。
在一些实施例中，在步骤S1-1中，上述中确定海域岸线后，在进行数值模拟计算时，需要确定计算域范围，根据中国海潮汐模型ChinaTide计算出三个模型开边界。其中，计算域由多个无结构三角形网格进行划分，然后多个无结构三角形网格拓扑形成多个无结构三角形网格节点。
例如，为拟合复杂岬湾、河口和堤线等开边界，MIKE21水动力模型中采用多个无结构三角形网格对计算域进行划分。如图2所示，示意了MIKE21水动力模型中的多个无结构三角形计算网格，用于计算的网格大约有16985个网格节点，其中最小的网格尺度接近10.0m。
在一些实施例中，在S1-2中，根据确定好的三个模型开边界，获取三个模型开边界上的潮流文件和波浪文件。潮流文件包括开边界上每个无结构三角形网格节点的潮位过程，所述波浪文件包括开边界上每个无结构三角形网格节点的波高、波向和波周期，其中，MIKE21水动力模型的三个模型开边界处的外海潮波采用潮位过程控制。
在一些实施例中，在S2中，根据上述中已经确定的计算域开边界输入参数，其中，计算域开边界输入参数包括三个模型开边界上的潮流文件和波浪文件，将计算域开边界输入参数输入至MIKE21水动力模型中进行数值模拟。
上述S2可以包括：
S2-1、将所述三个模型开边界上的潮流文件输入至MIKE21水动力模型的MIKE21/FM模块中，生成计算域内多个无结构三角形网格节点的潮流模拟数据；
S2-2、将所述三个模型开边界上的波浪文件输入至MIKE21水动力模型的MIKE21/SW模块中，生成计算域内多个无结构三角形网格节点的波浪模拟数据。
在一些实施例中，将获取到的三个模型开边界上的潮位过程和波浪文件输入至MIKE21水动力模型中进行模拟训练。其中，MIKE21水动力模型包括波浪模型和潮流模型，根据波浪模型的模拟训练以及潮流模型的模拟训练，可以生成计算域内每个无结构三角形网格节点的模拟数据。MIKE21水动力模型生成的模拟数据包括通过波浪模型即MIKE21水动力模型的MIKE21/FM模块计算生成的波浪模拟数据，其中，波浪模拟数据包括波高、波向以及波周期；通过潮流模型即MIKE21水动力模型的MIKE21/SW模块计算生成的潮流模拟数据。其中，潮流模拟数据包括潮位、潮流流速以及潮流流向。
在一些实施例中，上述S3具体可以包括：
S3-1、获取工程区实测数据；
S3-2、将通过MIKE21水动力模型生成的模拟数据与工程区实测数据进行对比，得到对比误差；
S3-3、若所述对比误差大于预设阈值，则验证结果为不匹配，若所述对比误差小于等于预设阈值，则验证结果为匹配。其中，预设阈值根据实际计算精度需求进行人为设定。
在一些实施例中，为了验证MIKE21水动力模型模拟出的潮流模拟数据的准确性，需要获取水文全潮观测资料的工程区实测数据，对MIKE21水动力模型生成的模拟数据进行验证，将通过潮流模型生成的潮流模拟数据与工程区实测数据对比。其中，潮流模拟数据包括潮位、潮流流速以及潮流流向，如图4所示为潮位验证曲线，如图5至图7所示为潮流流速流向的验证曲线如图，且图5、图6、图7分别为大潮流速流向、中潮流速流向和小潮流速流向验证曲线，图4至图7中的圆圈代表实测数据，实线代表验证结果，根据验证结果可以生成对比误差，例如，若对比误差大于规范要求，则重新获取三个模型开边界上的潮位过程文件并输入至MIKE21水动力模型中进行模拟训练，直至对比误差小于等于规范要求。根据图5至图7所示，经过验证的模拟数据符合测量要求，通过MIKE21水动力模型计算生成计算域内的模拟数据分布，可以观察到各测站的潮位和流速流向在连续变化过程中均与工程区实测数据接近，绝大多数测站的验证结果符合现行《水运工程模拟试验技术规范》的要求。
在一些实施例中，为了验证MIKE21水动力模型模拟出的波浪模拟数据的准确性，需要获取工程区实测波浪数据，图9为本发明提供的一种年均含沙量的计算方法中波高的分布示意图，图10为本发明提供的一种年均含沙量的计算方法中波速的分布示意图。对MIKE21水动力模型的波高、波向以及波周期进行验证，将通过波浪模型生成的波浪模拟数据与工程区实测数据对比。根据研究的海域一年的测波站实测波浪资料及波能统计来看，海域的主浪向主要集中在E～SSE方向，其中对应的波能所占频率达到总波能的97.6%左右，因此选取一个范围内的代表波浪的主导波向作为代表波向，得出的该测站的代表波浪验证结果参见表1所示。
表1 代表波浪验证结果
通过波浪模型生成波浪模拟数据，其中，波浪模拟数据包括波高、波向以及波周期，采用MIKE21水动力模型数值模拟软件对波浪场进行推算验证，最终MIKE21水动力模型的MIKE21/SW模块生成的波浪模拟数据中的波高、波向和波周期及其对应的验证情况详见表1，表1中显示出所模拟得到的代表波浪参数与推算值达到良好的一致性，后续利用波浪模型生成的波周期对波速进行计算。
在一些实施例中，将调整后的计算域输入参数输入至MIKE21水动力模型中重新生成计算域内的模拟数据，其中，模拟数据包括波浪模拟数据和潮流模拟数据。将模拟数据输入至年均含沙量公式中进行计算之前还需要对模拟数据进行数据处理，步骤S5中获取引用数据，并将所述引用数据和所述模拟数据输入至年均含沙量公式中进行计算，得到年均含沙量具体包括：
S5-1、从重新生成的波浪模拟数据中获取所述计算域内每个无结构三角形网格节点的波周期；
S5-1、将所述计算域内每个无结构三角形网格节点的波周期输入至波速公式中进行计算，得出所述计算域内多个无结构三角形网格节点的波速；
S5-1、从重新生成的潮流模拟数据中获取所述计算域内每个无结构三角形网格节点的潮流流速；
S5-1、将所述计算域内每个无结构三角形网格节点的潮流流速在相应时间段内做算术平均处理，得到潮流的时段平均流速。
在一些实施例中，例如，年均含沙量主要取决于浅滩泥沙在风浪和潮流综合作用下的掀沙能力，将获取到的计算域内每个无结构三角形网格节点的波周期输入到波速公式中进行计算，在缺少实际观测资料的情况下，年均含沙量中的波速可按下列公式计算：
其中，λ为波长（m）；C为波浪的波速（m/s）；T为波周期（s）；d为水深（m）；g为重力加速度，取9.81。
潮流的时段平均流速为将获取到的计算域内每个节点的流速在相应时间段内做算术平均处理，例如获取连续7天的每个节点上的潮流流速，将7天内获取到的潮流流速做算术平均处理得到潮流的时段平均流速。如图8所示，图8为本发明提供的一种年均含沙量的计算方法中潮流的时段平均流速的分布示意图，将潮流模型中生成的每个网格节点位置的潮流流速在时间上做平均，得到每个无结构三角形网格节点的潮流的时段平均流速。
在一些实施例中，在S5中，计算年均含沙量还需要获取引用数据，其中，引用数据包括水深和时段平均风速，例如，根据实际的观测数据可知，海域内的常风向为ESE向，常风速为2.5m/s，即时段平均风速为2.5m/s，则风吹流的时段平均流速的估算值为0.02倍的时段平均风速，为0.05m/s。
上述S5之后还包括：
S6、根据所述年均含沙量，绘制计算域年均含沙量分布图。
在一些实施例中，将MIKE21水动力模型生成的模拟数据计算完成后，采集的每个网格节点位置的水深、波高、波速、潮流的时段平均流速和时段平均风速带入年均含沙量公式进行计算得出年均含沙量分布图。其中，年均含沙量公式可以表示为：
其中，S为年均含沙量（kg/m3）；γs为泥沙颗粒的密度（kg/m3）；V1为总平均流速（m/s）V2为波浪水质点的平均水平速度（m/s）；d为水深（m）；g为重力加速度，取9.81；H为波高（m）；C为波浪的波速（m/s）；VT为潮流的时段平均流速（m/s）；VU为风吹流的时段平均流速（m/s）；U为时段平均风速（m/s）。
如图11所示，图11为本发明提供的一种年均含沙量的计算方法中年均含沙量的分布示意图，从图中可以直观观察到工程区域附近的年均含沙量分布情况。
由此，本发明首先通过将计算域开边界输入参数输入至MIKE21水动力模型中生成计算域内的模拟数据，然后利用工程区实测数据对模拟数据进行验证，得到高精度的计算域内的模拟数据分布，进而将得到的模拟数据带入到年均含沙量公式中进行计算，得到计算域内年均含沙量的分布情况，可以观察到工程区域年均含沙量分布情况，克服了现有的年均含沙量计算方法中计算时间过长且误差较大的问题，实现了缩短计算时间，提高计算精度的目标。
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。在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
Claims (9)
1.一种年均含沙量的计算方法，其特征在于，包括：
获取计算域开边界输入参数；
将计算域开边界输入参数输入至MIKE21水动力模型中生成计算域内的模拟数据；
根据工程区实测数据对所述模拟数据进行验证，若验证结果不匹配则对计算域开边界输入参数进行调整，直至验证结果匹配；
将调整后的计算域输入参数输入至MIKE21水动力模型中重新生成计算域内的模拟数据；
获取引用数据，并将所述引用数据和所述模拟数据输入至年均含沙量公式中进行计算，得到年均含沙量。
2.根据权利要求1所述的一种年均含沙量的计算方法，其特征在于，所述获取计算域开边界输入参数包括：
确定所述计算域的三个模型开边界，所述计算域由多个无结构三角形网格进行划分，多个所述无结构三角形网格拓扑形成多个无结构三角形网格节点；
基于所述三个模型开边界，获取所述三个模型开边界上的潮流文件和波浪文件，所述潮流文件包括开边界上每个无结构三角形网格节点的潮位过程，所述波浪文件包括开边界上每个无结构三角形网格节点的波高、波向和波周期。
3.根据权利要求2所述的一种年均含沙量的计算方法，其特征在于，所述将计算域开边界输入参数输入至MIKE21水动力模型中生成计算域内的模拟数据包括：
将所述三个模型开边界上的潮流文件输入至MIKE21水动力模型的MIKE21/FM模块中，生成计算域内多个无结构三角形网格节点的潮流模拟数据；
将所述三个模型开边界上的波浪文件输入至MIKE21水动力模型的MIKE21/SW模块中，生成计算域内多个无结构三角形网格节点的波浪模拟数据。
4.根据权利要求3所述的一种年均含沙量的计算方法，其特征在于，所述根据工程区实测数据对所述模拟数据进行验证包括：
获取工程区实测数据；
将MIKE21水动力模型生成的模拟数据与工程区实测数据进行对比，得到对比误差；
若所述对比误差大于预设阈值，则验证结果为不匹配，若所述对比误差小于等于预设阈值，则验证结果为匹配。
5.根据权利要求4所述的一种年均含沙量的计算方法，其特征在于，所述
潮流模拟数据包括计算域内多个无结构三角形网格节点的潮位、潮流流速和流向，所述波浪模拟数据包括计算域内多个无结构三角形网格节点的波高、波向和波周期；
将所述引用数据和所述模拟数据输入至年均含沙量公式中进行计算，得到年均含沙量包括将计算域内每个无结构三角形网格节点的波周期输入至波速公式中进行计算，得出所述计算域内多个无结构三角形网格节点的波速，以及，将计算域内每个无结构三角形网格节点的潮流流速在相应时间段内做算术平均处理，得到潮流的时段平均流速。
6.根据权利要求5所述的一种年均含沙量的计算方法，其特征在于，所述波速公式表示为：
其中，λ为波长，m；C为波浪的波速，m/s；T为波周期，s；d为水深，m；g为重力加速度，取9.81。
7.根据权利要求6所述的一种年均含沙量的计算方法，其特征在于，所述年均含沙量公式表示为：
其中，S为年均含沙量，kg/m3；γs为泥沙颗粒的密度，kg/m3；V1为总平均流速，m/s，V2为波浪水质点的平均水平速度，m/s；d为水深，m；g为重力加速度，取9.81；H为波高，m；C为波浪的波速，m/s；VT为潮流的时段平均流速，m/s；VU为风吹流的时段平均流速，m/s；U为时段平均风速，m/s。
8.根据权利要求7所述的一种年均含沙量的计算方法，其特征在于，所述引用数据包括水深和时段平均风速。
9.根据权利要求1所述的一种年均含沙量的计算方法，其特征在于，所述得到年均含沙量之后，还包括：
根据所述年均含沙量，绘制计算域年均含沙量分布图。
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