CN117852850A - 基于虚拟河道替代闸孔泄流计算的蓄滞洪区洪水调度方法及系统 - Google Patents

基于虚拟河道替代闸孔泄流计算的蓄滞洪区洪水调度方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于虚拟河道替代闸孔泄流计算的蓄滞洪区洪水调度方法及系统，涉及洪水模拟技术领域。方法包括：构建流域的干流河道一维水动力学模型；获取流域的蓄滞洪区高时空分辨率下垫面数据，构建蓄滞洪区二维水动力学模型；获取流域的蓄滞洪区进洪闸及闸孔参数，构建虚拟河道泄流模型；耦合上述三个模型生成蓄滞洪区洪水调度模型；采用蓄滞洪区洪水调度模型进行模拟计算，输出优选防洪和经济效益最优的泄流方案。本发明针对当前蓄滞洪区进洪闸闸孔泄流使用和定量计算暂处于空白阶段的问题，构建了一种虚拟河道，并以虚拟河道的过水量作为闸孔泄流量，实现对闸孔泄流的概化和精确测算，得到防洪和经济效益最优的泄洪方案。

Description

基于虚拟河道替代闸孔泄流计算的蓄滞洪区洪水调度方法及 系统
技术领域
本发明涉及洪水模拟技术领域，尤其涉及一种基于虚拟河道替代闸孔泄流计算的蓄滞洪区洪水调度方法及系统。
背景技术
蓄滞洪区在防洪工程体系中扮演着至关重要的角色，是应对极端洪水情况的关键设施。当防洪重点区域面临洪水威胁时，相关人民政府及防汛指挥部会负责指令启用蓄滞洪区。而蓄滞洪区所在地的人民政府则担负起组织和执行这一任务。蓄滞洪区的有效管理涉及多个方面，包括准确的洪水预报、合理控制分洪口和进洪闸的开启时机与方法、保障区内居民的安全转移，以及高效的洪水蓄滞和排泄。
在传统的蓄滞洪区管理中，进洪闸往往会根据其工程规模被赋予一个设计进洪流量，在面对洪水时通过控制闸门开度来控制过流量，以快速排放洪水，缓解防洪压力。但这种做法可能会对生态系统造成较大的干扰，且并非所有情况都需依赖进洪闸的开闭来排洪，通过进洪闸闸孔的启闭进行泄流同样是一种行之有效的方法。与传统的仅通过控制进洪闸开度来调节过流量的方法相比，采用进洪闸闸孔泄流的调度方式可以通过对进洪闸设计流量的等分确定每个闸孔的设计流量，进而提供更精细和准确的流量控制。这不仅有助于更有效地调节水流量和水位，而且较小的闸孔泄流对水生态系统的干扰也更小。此外，闸孔的启闭方式能够快速调整洪水流量，显示出更快的响应速度和更高的操作灵活性，并且在长期维护成本上更为经济。
综上，在处理非极端洪水情况下，采用进洪闸闸孔泄流的方式相比传统进洪闸泄流的操作更为优越。然而，目前大多数地区暂未关注闸孔泄流的优势并使用，同时关于如何简化计算闸孔开启的泄洪量在当前研究中仍存在空白。现阶段的关键挑战在于如何简化闸孔泄流调度模型的计算复杂度，同时提升方案的合理性。
发明内容
基于上述问题，本发明基于新的思路，提出一种基于虚拟河道替代闸孔泄流计算的蓄滞洪区洪水调度方法，并进一步提出了一种可以驱动并实现上述调度方法的系统。
本发明的第一个方面，提出一种基于虚拟河道替代闸孔泄流计算的蓄滞洪区洪水调度方法，该方法步骤如下：
步骤1、获取预定流域的典型断面数据与主要水文站点的实测流量、水位数据，构建该预定流域下的干流河道一维水动力学模型；
步骤2、获取预定流域的蓄滞洪区高时空分辨率下垫面数据，构建该预定流域下的蓄滞洪区二维水动力学模型；
步骤3、获取预定流域的蓄滞洪区进洪闸及闸孔参数，构建虚拟河道泄流模型；
步骤4、耦合所述干流河道一维水动力学模型、蓄滞洪区二维水动力学模型以及虚拟河道泄流模型，生成基于虚拟河道替代闸孔泄流计算的蓄滞洪区洪水调度模型；
步骤5、设计不同蓄滞洪区进洪闸闸孔开启方案，采用步骤4生成的所述蓄滞洪区洪水调度模型进行模拟计算，输出优选防洪和经济效益最优的泄流方案。
在第一方面进一步的实施例中，步骤1进一步包括：
步骤11、获取预定流域的精细遥感影像资料、实测河道断面及其高程数据、泄洪闸闸孔尺寸数据，将当前流域的河流网络概化为干流河道和支流河道，基于所述实测河道断面及其高程数据得到当前河道的代表性断面形状，基于所述泄洪闸闸孔尺寸数据概化得到当前泄洪闸闸孔开启状态的截面形状；
步骤12、确定该预定流域的上边界和下边界，并获取当前流域的上边界水文站实测流量数据和下边界水文站实测水位数据；
步骤13、基于上边界水文站实测流量数据和下边界水文站实测水位数据，构建干流河道一维水动力学模型：
；
；
式中，为干流河道某点水深随时间的变化速率；为干流河道某点沿河 流流向随着空间距离的变化而产生的流量Q1的变化；为干流河道某点外部流入流量；为一维河道流量随时间的变化对动量的影响；为干流河道流量随空间变化 对水流动量的影响，α为动量校正系数；表示沿干流河道流向水位梯度造成的压 力，g为重力加速度；表示流速变化造成的摩擦损失，其中C为谢才系数，R为干流河道 水力半径；
步骤14、设置干流河道一维水动力学模型的河道糙率、初始水位和流量参数，选取符合预定条件的时间步长对所述干流河道一维水动力学模型进行率定检验，以实现模拟流量和实测流量值的趋近。
在第一方面进一步的实施例中，步骤14中所述时间步长的选取条件如下：
按照克朗数小于10则判定所述干流河道一维水动力学模型稳定，克朗数公式如下：
式中，为克朗数；为干流河道平均水深；为干流河道平均流速；为洪水流 经预定流域上边界至下边界的时间变量；为干流河道距离变化量。
在第一方面进一步的实施例中，步骤2进一步包括：
步骤21、获取蓄滞洪区高空间分辨率数字高程DEM和土地利用类型数据，并对各土地利用类型赋予不同的糙率，同时根据河道位置和实测数据对DEM河道地形数数据进行修正；
步骤22、对蓄滞洪区范围进行网格剖分，设置最大网格面积、最小允许角度、最大节点数量、局部最大网格面积参数，并在网格内将数字高程DEM进行空间插值；
步骤23、构建蓄滞洪区二维水动力学模型：
式中，为蓄滞洪区某点水深随时间的变化速率；为蓄滞洪区某点水深与二维空间方向的平均流速乘积随方向的变化率；为蓄滞洪区某点水深与二 维空间方向的平均流速乘积随方向的变化率；为蓄滞洪区某点水深的垂向源汇 项；表示某点水深处沿方向的流量随时间的变化率；表示某点水深处沿 方向的流量随时间的变化率；为某点水深处沿方向流量的平方随方向的变化 率；为某点水深处沿方向流量的平方随方向的变化率；表示某点水深处 沿方向的流量随方向的变化率；表示某点水深处沿方向的流量随方向的变 化率；是科里奥利参数；表示某点水深处沿方向水面坡度产生的重力；表示表 面波动；表示某点水深处沿方向水面坡度产生的重力；表示某点水深处 沿方向水面坡度产生的重力；为参考水密度；表示当地大气压；表示某点水深处沿方向大气压力梯度；表示某点水深处沿方向大气压力梯度；表示水体的 实际密度；表示某点水深处沿方向水密度变化产生的压强梯度力；表示某 点水深处沿方向水密度变化产生的压强梯度力；和分别表示风应力沿方向和沿方向的分力；和分别表示底部应力沿方向和沿方向的分力；为x方向上的正 粘滞应力分量随x方向的变化率；为方向上的正粘滞应力分量随方向的变化率；为方向上的流体对垂直于方向的剪切粘滞应力分量沿方向的变化率；为方 向上的流体对垂直于方向的剪切粘滞应力分量沿方向的变化率；是方向的正向湍 流应力分量；是方向的正向湍流应力分量；和分别代表方向和方向上剪切湍 流应力分量；和分别为方向和方向的源汇项。
在第一方面进一步的实施例中，步骤3进一步包括：
构建连接所述干流河道和蓄滞洪区的虚拟河道，设定虚拟河道的长度等于二维平面内蓄滞洪区泄洪闸与干流河道的垂直距离，所述虚拟河道断面形状等同于泄洪闸闸孔开启状态的截面形状，所述虚拟河道的条数等于泄洪闸开启闸孔的数目，以虚拟河道过水量作为进洪闸闸孔的泄流量。
在第一方面进一步的实施例中，虚拟河道过水量的计算公式如下：
式中，为虚拟河道过水量；为第个闸孔的截面面积；为第个闸孔的过 流流速随时间的变化量；和分别为虚拟河道泄流的起始时间和终止时间；m为泄洪闸 开启闸孔数目。
在第一方面进一步的实施例中，步骤4进一步包括：
步骤41、设置动量因子、指数平滑因子和水深调整参数；
步骤42、在同一地理视图中设定干流河道和蓄滞洪区的耦合点；
步骤43、耦合干流河道一维水动力学模型、蓄滞洪区二维水动力学模型以及虚拟河道，生成基于虚拟河道替代闸孔泄流计算的蓄滞洪区洪水调度模型。
在第一方面进一步的实施例中，干流河道内的洪水在耦合点通过进洪闸闸孔进入蓄滞洪区，所述蓄滞洪区洪水调度模型模拟的流量满足以下条件：
式中，为时间步长时流量随时间t的变化速率，其中为蓄滞洪区流 量；为n时间步时水位随虚拟河道长度的变化关系；为虚拟河道过水量；为第个 闸孔的截面面积；为谢才系数；为干流河道的水利半径。
在第一方面进一步的实施例中，步骤5进一步包括：
步骤51、设置进洪闸开启不同孔数的进洪方案，采用所述步骤43生成的所述蓄滞洪区洪水调度模型对各进洪方案进行模拟；
步骤52、判断各进洪方案降低河道洪峰水位的幅度，根据蓄滞洪区淹没结果分析淹没经济损失，确定综合效益最优的方案，淹没经济损失计算公式如下：
式中，为评估单元在第j级水深的第i类财产的价值，为第i类财产在第j级 水深条件下的损失率。
作为本发明的第二个方面，提出一种蓄滞洪区洪水调度系统，该系统包括：
第一构建单元，用于获取预定流域的典型断面数据与主要水文站点的实测流量、水位数据，构建该预定流域下的干流河道一维水动力学模型；
第二构建单元，用于获取预定流域的蓄滞洪区高时空分辨率下垫面数据，构建该预定流域下的蓄滞洪区二维水动力学模型；
第三构建单元，用于获取预定流域的蓄滞洪区进洪闸及闸孔参数，构建虚拟河道泄流模型；
调度模型生成单元，用于耦合所述干流河道一维水动力学模型、蓄滞洪区二维水动力学模型以及虚拟河道泄流模型，生成基于虚拟河道替代闸孔泄流计算的蓄滞洪区洪水调度模型；
输出单元，用于设计不同蓄滞洪区进洪闸闸孔开启方案，采用所述调度模型生成单元生成的蓄滞洪区洪水调度模型进行模拟计算，输出优选防洪和经济效益最优的泄流方案。
本发明的技术方案具有以下优势：
针对传统以开启闸门控制泄流流量不够准确且不够经济的问题，提出了一种基于虚拟河道替代闸孔泄流计算的蓄滞洪区洪水调度方法及系统，该方法采用更为经济且准确的进洪闸闸孔进行泄洪，并且将闸孔泄流量概化为具有规则形状断面和长度的虚拟河道，使模拟过闸流量精确控制在设计最大进洪流量条件以内，使泄流量控制更为灵活，同时简化了泄流过程的计算，为蓄滞洪区洪水调度提供了一种新的方法。
附图说明
图1为本发明实施例一的流程图。
图2为本发明实施例二的流程图。
图3为本发明实施例三的河道、水工建筑物概化图。
图4为本发明实施例三干流河道一维水动力模型对晋集闸（闸下游）站的模拟水位与实测水位对比图。
图5为本发明实施例三干流河道一维水动力模型对襄河口闸（闸下游）站的模拟水位与实测水位对比图。
图6为本发明实施例三干流河道一维水动力模型对晓桥站的模拟水位与实测水位对比图。
图7为本发明实施例三的网格剖分结果图。
图8为本发明实施例三基于虚拟河道替代闸孔泄流计算的蓄滞洪区洪水调度模型示意图。
图9为本发明实施例三方案一下蓄滞洪区开始蓄洪24小时后洪水淹没水深空间分布图。
图10为本发明实施例三方案二下蓄滞洪区开始蓄洪24小时后洪水淹没水深空间分布图。
图11为本发明实施例三方案三下蓄滞洪区开始蓄洪24小时后洪水淹没水深空间分布图。
图12为本发明实施例三方案四下蓄滞洪区开始蓄洪24小时后洪水淹没水深空间分布图。
图13为本发明实施例三各进洪闸方案防洪与经济损失效益图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一：
一种基于虚拟河道替代闸孔泄流计算的蓄滞洪区洪水调度方法，包括以下步骤：
获取流域典型断面数据与主要水文站点实测流量、水位数据，构建流域干流河道一维水动力学模型；获取流域蓄滞洪区高时空分辨率下垫面数据，构建流域蓄滞洪区二维水动力学模型；获取蓄滞洪区进洪闸及闸孔参数，构建虚拟河道泄流模型；耦合干流河道一维水动力学模型、蓄滞洪区二维水动力学模型以及虚拟河道泄流模型生成基于虚拟河道替代闸孔泄流计算的蓄滞洪区洪水调度模型；设计不同蓄滞洪区进洪闸闸孔开启方案，采用基于虚拟河道替代闸孔泄流计算的蓄滞洪区洪水调度模型进行模拟计算，输出优选防洪和经济效益最优的泄流方案。
实施例二：
在实施例一的基础之上，实施例二进一步提出一种基于虚拟河道替代闸孔泄流计算的蓄滞洪区洪水调度方法的细化步骤，如下：
步骤1、获取流域典型断面数据与主要水文站点实测流量、水位数据，构建流域干流河道一维水动力学模型；
步骤11、获取流域精细遥感影像资料以及实测河道断面高程数据，将实际河流网络概化为主要河流和支流，并保留主要水文特征，同时对代表性断面形状和水工建筑物的形状、结构及功能进行概化和简化处理；
步骤12、根据流域实际情况确定所要模拟流域的上边界和下边界，分别获取模拟流域上边界水文站实测流量数据和下边界水文站实测水位数据；
步骤13、基于一维圣维南方程组构建干流河道一维水动力学模型：
式中，为干流河道某点水深随时间的变化速率；为干流河道某点沿河 流流向随着空间距离的变化而产生的流量Q1的变化；为干流河道某点外部流入流量；为一维河道流量随时间的变化对动量的影响；为干流河道流量随空间变化 （即沿河道流动方向的变化）对水流动量的影响，α为动量校正系数；表示沿干流河道 流向水位梯度造成的压力，g为重力加速度，通常取9.81m/s2；表示流速变化造成 的摩擦损失，其中C为谢才系数，R为干流河道水力半径。
步骤14、设置模型的河道糙率、初始水位和流量参数，按照克朗数小于10则模型稳定的原则选取合适的时间步长，进而对模型进行率定检验以实现模拟流量和实测流量值的趋近，克朗数公式如下：
式中：为克朗数；为干流河道平均水深；为干流河道平均流速；为洪水流 经预定流域上边界至下边界的时间变量；为干流河道距离变化量。
步骤2、获取流域蓄滞洪区高时空分辨率下垫面数据，构建流域蓄滞洪区二维水动力学模型；
步骤21、获取蓄滞洪区高空间分辨率数字高程DEM和土地利用类型数据，并对各土地利用类型赋予不同的糙率，同时根据河道位置和实测数据对DEM河道地形数数据进行修正；
步骤22、对蓄滞洪区范围进行网格剖分，设置最大网格面积、最小允许角度、最大节点数量、局部最大网格面积参数，并在网格内将数字高程DEM进行空间插值；
步骤23、基于二维浅水方程模拟计算方法构建蓄滞洪区二维水动力学模型：
式中：为蓄滞洪区某点水深随时间的变化速率；为蓄滞洪区某点水深与二维空间方向的平均流速乘积（即方向的流量）随方向的变化率；为蓄滞洪 区某点水深与二维空间方向的平均流速乘积（即方向的流量）随方向的变化率；为蓄滞洪区某点水深的垂向源汇项；表示某点水深处沿方向的流量随时间 的变化率；表示某点水深处沿方向的流量随时间的变化率；为某点水深 处沿方向流量的平方随方向的变化率；为某点水深处沿方向流量的平方随 方向的变化率；表示某点水深处沿方向的流量随方向的变化率；表示某点 水深处沿方向的流量随方向的变化率；是科里奥利参数；表示某点水深处沿方向水面坡度产生的重力；表示表面波动；表示某点水深处沿方向水面坡度产 生的重力；表示某点水深处沿方向水面坡度产生的重力；为参考水密度；表 示当地大气压；表示某点水深处沿方向大气压力梯度；表示某点水深处沿方向大气压力梯度；表示水体的实际密度；表示某点水深处沿方向水密度变 化产生的压强梯度力；表示某点水深处沿方向水密度变化产生的压强梯度力；和分别表示风应力沿方向和沿方向的分力；和分别表示底部应力沿方向 和沿方向的分力；为x方向上的正粘滞应力分量随x方向的变化率；为方向上的 正粘滞应力分量随方向的变化率；为方向上的流体对垂直于方向的剪切粘滞应力 分量沿方向的变化率；为方向上的流体对垂直于方向的剪切粘滞应力分量沿方 向的变化率；是方向的正向湍流应力分量；是方向的正向湍流应力分量；和 分别代表方向和方向上剪切湍流应力分量；和分别为方向和方向的源汇 项。
步骤24、设置时间步长、初始水位、干湿边界、风场、日雨量参数；
步骤3、获取蓄滞洪区进洪闸及闸孔参数，构建虚拟河道泄流模型；
步骤31、收集获取蓄滞洪区进洪闸及闸孔的具体位置和设计参数相关资料；
步骤32、构建连接干流一维河道和二维蓄滞洪区的虚拟河道，设定虚拟河道的长度等于干流河道与蓄滞洪区的距离，断面形状等同于泄洪闸闸孔开启状态的截面形状，以虚拟河道过水量作为进洪闸闸孔的泄流量，虚拟河道过水量计算公式：
式中：为虚拟河道过水量；为第个闸孔的截面面积；为第个闸孔的过 流流速随时间的变化量，和分别为虚拟河道泄流的起始时间和终止时间。
步骤4、耦合干流河道一维水动力学模型、蓄滞洪区二维水动力学模型以及虚拟河道泄流模型生成基于虚拟河道替代闸孔泄流计算的蓄滞洪区洪水调度模型；
步骤41、设置动量因子、指数平滑因子和水深调整参数；
步骤42、在同一地理视图中设定干流河道和蓄滞洪区的耦合点；
步骤43、耦合干流河道一维水动力学模型、蓄滞洪区二维水动力学模型以及虚拟河道模型生成基于虚拟河道替代闸孔泄流计算的蓄滞洪区洪水调度模型，干流河道内的洪水在耦合点通过进洪闸闸孔进入蓄滞洪区，虚拟河道泄流和蓄滞洪区的流量关系为：
式中：为时间步长时流量随时间t的变化速率，其中为蓄滞洪区流 量；为n时间步时水位随虚拟河道长度的变化关系；为虚拟河道过水量；为第个 闸孔的截面面积；为谢才系数；为一维干流河道的水利半径。
步骤5、设计不同蓄滞洪区进洪闸闸孔开启方案，采用基于虚拟河道替代闸孔泄流计算的蓄滞洪区洪水调度模型进行模拟计算，评估优选防洪和经济效益最优的泄流方案。
步骤51、设置进洪闸开启不同孔数的进洪方案，采用基于虚拟河道替代闸孔泄流计算的蓄滞洪区洪水调度模型对各方案进行模拟；
步骤52、判断各方案降低河道洪峰水位的幅度，根据蓄滞洪区淹没结果分析淹没经济损失，确定综合效益最优的方案，淹没经济损失计算公式：
式中，为评估单元在第j级水深的第i类财产的价值，为第i类财产在第j级 水深条件下的损失率。
实施例三：
本实施例以滁河流域中下游的荒草二圩和荒草三圩蓄滞洪区为研究区域，提出一种基于虚拟河道替代闸孔泄流计算的蓄滞洪区洪水调度方法。滁河流域属亚热带季风气候，四季分明，气候温和，雨量充沛。多年平均降雨量为900～1040 mm，面平均雨深为997mm，中下游地区总体雨量略大于上游地区。降水的年内分配主要受季风气候的影响，年降水量主要集中在6~9月。滁河中下游特大洪水主要受本地暴雨径流、汊河集闸以上暴雨洪水和长江洪潮顶托等影响，是典型的洪涝灾害多发地区，并且设有蓄滞洪区用于泄洪，减轻防洪压力。本实施例以荒草二圩和荒草三圩构建了干流河道通过进洪闸闸孔泄流至蓄滞洪区的场景，并以2020年7月的场次洪水开展模拟。具体为：
S1）：干流河道一维水动力模型构建：获取了0.3m×0.3m空间分辨率的worldview 遥感影像和实测河道断面高程数据，以河流中心线概化了研究区域的干流和支流，并保留 了主要水文特征。同时收集闸门等水工建筑物位置信息，对其形状、结构及功能进行概化处 理、概化图如图3。综合考虑河道控制站点、溃口位置和资料条件等因素，确定模型的上边界 取滁河干流的高亮集水文站的流量过程，模型的下边界条件取汊河集站的水位过程，设定 区间支流以点源汇入，建模范围划定为滁河干流高亮集站到汊河集闸站，总长度102.5km。 基于一维圣维南方程组构建干流河道一维水动力学模型。设置河道的糙率为0.025、初始水 位为8m、流量参数为5m3/s，根据克朗数公式确认合适时间步长为20s，采用一维水动力模型 对晋集闸（闸下游）站、襄河口闸（闸下游）站和晓桥站的洪水水位过程进行模拟，平均相对 误差分别为0.46%、1.58%、1.52%，模拟结果良好，如图4-图6。
S2）：蓄滞洪区二维水动力模型构建：获取蓄滞洪区12.5m空间分辨率ALOS数字高程DEM数据和1m空间分辨率的国家土地覆盖数据SinoLC-1土地利用类型数据。并对不同的土地利用类型赋予不同的糙率，如表1。根据河道位置和实测断面资料、地形资料，对DEM中的河道地形数据进行了修正。在DEM的基础上，导入荒草二圩和荒草三圩的地理边界，采用非结构网络进行网格剖分，如图7。设置最大网格面积设置最大单元格面积为10000m2，最小允许角度30°，节点最大数量109个，总计生成1733个网格和936个节点，并采用最邻近法将DEM对网格进行空间插值形成荒草二圩和荒草三圩的高分辨率地形数据。基于二维浅水方程模拟计算方法构建蓄滞洪区二维水动力学模型，设置时间步长为20s、初始水位为0m、干湿边界中的干水深为0.005m、淹没水深为0.04m，湿水深为0.1m、风场中的风速为2.7m/s、风向为220°，日雨量资料以襄河口雨量站实测日降雨量为代表。
表1
S3）：构建虚拟河道并构建基于虚拟河道替代闸孔泄流计算的蓄滞洪区洪水调度模型：干流河道中心线到荒草二圩和荒草三圩的距离为100m，荒草二圩和荒草三圩各建有1处进洪闸，闸室结构均为平底闸，荒草二圩进洪闸有2个闸孔，荒草三圩进洪闸有3个闸孔，单孔净宽均为8m、最大开启高度均为7.1m。因此按照闸孔个数共设定5个虚拟河道，河道断面高度与闸孔开启最大最大高度相同为7.1m，河道断面宽度与闸孔单孔净宽相同为8m，虚拟河道长度100m。设置动量因子为0、指数平滑因子为0.5，并设定水深调整为时变参数。在同一地理视图中设定干流河道和蓄滞洪区的耦合点，并将干流河道一维水动力学模型、蓄滞洪区二维水动力学模型以及虚拟河道模型耦合生成基于虚拟河道替代闸孔泄流计算的蓄滞洪区洪水调度模型，使干流河道的洪水通过进洪闸闸孔进入蓄滞洪区，如图8。
S4）：洪水调度方案设计与模拟：分别设计了荒草二圩、荒草三圩进洪闸开启孔数的不同的四种洪水调度方案及各方案下最大进洪流量，如表2。选取了2020.7场次洪水作为情景模拟，模拟时间段2020.7.15~2020.7.24，其中蓄滞洪区蓄洪时间段20207.19~2020.7.24。运用已建立的基于虚拟河道替代闸孔泄流计算的蓄滞洪区洪水调度模型，模拟各方案的蓄滞洪区洪水演进过程。得到各个方案下蓄滞洪区开始蓄洪24小时后各方案洪水淹没水深空间分布情况如图9至图12所示。图9对应方案一，图10对应方案二，图11对应方案三，图12对应方案四。由图可知，荒草二圩、荒草三圩的主体淹没范围相同，淹没区域集中在蓄滞洪区围堤以内区域，四种方案中仅方案四24小时蓄滞洪区不会全部被淹没，其它方案两处蓄滞洪区地面全部被淹。但是方案一比方案四蓄滞洪区内最大淹没水深增加1.36m，方案三与方案四相比增加了0.83m，方案二与方案三相比增加0.31m。因此，调度方案四蓄洪效果最差，调度方案一和调度方案二的蓄洪效果远远好于调度方案三和方案四。
S5）：经济损失评估：荒草二圩、荒草三圩蓄滞洪区内经济来源主要是第一产业，包括农业、林业和渔业，分别对应耕地、林地和养殖水面三种土地利用类型，收集整理了2020年荒草二圩、荒草三圩的经济社会数据，以亩为尺度，基于这三种土地利用类型空间分布情况分别对各产业的生产总值进行空间展布，得到具有空间属性的亩均产值，然后与模型模拟得到的蓄滞洪区淹没水深网格图层进行空间叠加，根据不同财产对应不同淹没损失率关系，依次统计每项水深等级的财产淹没损失，如表3。进一步绘制了各方案防洪与经济损失图，如图13，由图可知方案三与方案二总经济损失相差不大，但方案三降低河道洪峰水位的能力较差，方案四尽管总经济损失较低，但是难以保障防洪安全。总体上方案一和方案二较佳。
表2
表3
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

Claims (10)

1.一种基于虚拟河道替代闸孔泄流计算的蓄滞洪区洪水调度方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、获取预定流域的典型断面数据与主要水文站点的实测流量、水位数据，构建该预定流域下的干流河道一维水动力学模型；
步骤2、获取预定流域的蓄滞洪区高时空分辨率下垫面数据，构建该预定流域下的蓄滞洪区二维水动力学模型；
步骤3、获取预定流域的蓄滞洪区进洪闸及闸孔参数，构建虚拟河道泄流模型；
步骤4、耦合所述干流河道一维水动力学模型、蓄滞洪区二维水动力学模型以及虚拟河道泄流模型，生成基于虚拟河道替代闸孔泄流计算的蓄滞洪区洪水调度模型；
步骤5、设计不同蓄滞洪区进洪闸闸孔开启方案，采用步骤4生成的所述蓄滞洪区洪水调度模型进行模拟计算，输出优选防洪和经济效益最优的泄流方案。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟河道替代闸孔泄流计算的蓄滞洪区洪水调度方法，其特征在于，所述步骤1进一步包括：
步骤11、获取预定流域的精细遥感影像资料、实测河道断面及其高程数据、泄洪闸闸孔尺寸数据，将当前流域的河流网络概化为干流河道和支流河道，基于所述实测河道断面及其高程数据得到当前河道的代表性断面形状，基于所述泄洪闸闸孔尺寸数据概化得到当前泄洪闸闸孔开启状态的截面形状；
步骤12、确定该预定流域的上边界和下边界，并获取当前流域的上边界水文站实测流量数据和下边界水文站实测水位数据；
步骤13、基于上边界水文站实测流量数据和下边界水文站实测水位数据，构建干流河道一维水动力学模型：
；
；
式中，为干流河道某点水深/>随时间/>的变化速率；/>为干流河道某点沿河流流向随着空间距离/>的变化而产生的流量Q1的变化；/>为干流河道某点外部流入流量；/>为一维河道流量随时间/>的变化对动量的影响；/>为干流河道流量随空间变化对水流动量的影响，α为动量校正系数；/>表示沿干流河道流向水位/>梯度造成的压力，g为重力加速度；/>表示流速变化造成的摩擦损失，其中C为谢才系数，R为干流河道水力半径；
步骤14、设置干流河道一维水动力学模型的河道糙率、初始水位和流量参数，选取符合预定条件的时间步长对所述干流河道一维水动力学模型进行率定检验，以实现模拟流量和实测流量值的趋近。
3.根据权利要求2所述的一种基于虚拟河道替代闸孔泄流计算的蓄滞洪区洪水调度方法，其特征在于，步骤14中所述时间步长的选取条件如下：
按照克朗数小于10则判定所述干流河道一维水动力学模型稳定，克朗数公式如下：
；
式中，为克朗数；/>为干流河道平均水深；/>为干流河道平均流速；/>为洪水流经预定流域上边界至下边界的时间变量；/>为干流河道距离变化量。
4.根据权利要求1所述的一种基于虚拟河道替代闸孔泄流计算的蓄滞洪区洪水调度方法，其特征在于，所述步骤2进一步包括：
步骤21、获取蓄滞洪区高空间分辨率数字高程DEM和土地利用类型数据，并对各土地利用类型赋予不同的糙率，同时根据河道位置和实测数据对DEM河道地形数数据进行修正；
步骤22、对蓄滞洪区范围进行网格剖分，设置最大网格面积、最小允许角度、最大节点数量、局部最大网格面积参数，并在网格内将数字高程DEM进行空间插值；
步骤23、构建蓄滞洪区二维水动力学模型：
；
；
；
；
；
式中，为蓄滞洪区某点水深/>随时间/>的变化速率；/>为蓄滞洪区某点水深/>与二维空间/>方向的平均流速/>乘积随/>方向的变化率；/>为蓄滞洪区某点水深/>与二维空间/>方向的平均流速/>乘积随/>方向的变化率；/>为蓄滞洪区某点水深/>的垂向源汇项；表示某点水深/>处沿/>方向的流量随时间/>的变化率；/>表示某点水深/>处沿/>方向的流量随时间/>的变化率；/>为某点水深/>处沿/>方向流量的平方随/>方向的变化率；为某点水深/>处沿/>方向流量的平方随/>方向的变化率；/>表示某点水深/>处沿/>方向的流量随/>方向的变化率；/>表示某点水深/>处沿/>方向的流量随/>方向的变化率；是科里奥利参数；/>表示某点水深/>处沿/>方向水面坡度产生的重力；/>表示表面波动；/>表示某点水深/>处沿/>方向水面坡度产生的重力；/>表示某点水深/>处沿/>方向水面坡度产生的重力；/>为参考水密度；/>表示当地大气压；/>表示某点水深/>处沿/>方向大气压力梯度；/>表示某点水深/>处沿/>方向大气压力梯度；/>表示水体的实际密度；/>表示某点水深/>处沿/>方向水密度变化产生的压强梯度力；/>表示某点水深处沿/>方向水密度变化产生的压强梯度力；/>和/>分别表示风应力沿/>方向和沿/>方向的分力；/>和/>分别表示底部应力沿/>方向和沿/>方向的分力；/>为x方向上的正粘滞应力分量随x方向的变化率；/>为/>方向上的正粘滞应力分量随/>方向的变化率；/>为/>方向上的流体对垂直于/>方向的剪切粘滞应力分量沿/>方向的变化率；/>为/>方向上的流体对垂直于/>方向的剪切粘滞应力分量沿/>方向的变化率；/>是/>方向的正向湍流应力分量；/>是/>方向的正向湍流应力分量；/>和/>分别代表/>方向和/>方向上剪切湍流应力分量；/>和/>分别为/>方向和/>方向的源汇项。
5.根据权利要求1所述的一种基于虚拟河道替代闸孔泄流计算的蓄滞洪区洪水调度方法，其特征在于，所述步骤3进一步包括：
构建连接所述干流河道和蓄滞洪区的虚拟河道，设定虚拟河道的长度等于二维平面内蓄滞洪区泄洪闸与干流河道的垂直距离，所述虚拟河道断面形状等同于泄洪闸闸孔开启状态的截面形状，所述虚拟河道的条数等于泄洪闸开启闸孔的数目，以虚拟河道过水量作为进洪闸闸孔的泄流量。
6.根据权利要求5所述的一种基于虚拟河道替代闸孔泄流计算的蓄滞洪区洪水调度方法，其特征在于，所述虚拟河道过水量的计算公式如下：
；
式中，为虚拟河道过水量；/>为第/>个闸孔的截面面积；/>为第/>个闸孔的过流流速随时间的变化量；/>和/>分别为虚拟河道泄流的起始时间和终止时间；/>为泄洪闸开启闸孔数目。
7.根据权利要求1所述的一种基于虚拟河道替代闸孔泄流计算的蓄滞洪区洪水调度方法，其特征在于，所述步骤4进一步包括：
步骤41、设置动量因子、指数平滑因子和水深调整参数；
步骤42、在同一地理视图中设定干流河道和蓄滞洪区的耦合点；
步骤43、耦合干流河道一维水动力学模型、蓄滞洪区二维水动力学模型以及虚拟河道，生成基于虚拟河道替代闸孔泄流计算的蓄滞洪区洪水调度模型。
8.根据权利要求7所述的一种基于虚拟河道替代闸孔泄流计算的蓄滞洪区洪水调度方法，其特征在于，干流河道内的洪水在耦合点通过进洪闸闸孔进入蓄滞洪区，所述蓄滞洪区洪水调度模型模拟的流量满足以下条件：
；
式中，为/>时间步长时流量随时间t的变化速率，其中/>为蓄滞洪区流量；为n时间步时水位随虚拟河道长度/>的变化关系；/>为虚拟河道过水量；/>为第/>个闸孔的截面面积；/>为谢才系数；/>为干流河道的水利半径。
9.根据权利要求7所述的基于虚拟河道替代闸孔泄流计算的蓄滞洪区洪水调度方法，其特征在于，所述步骤5进一步包括：
步骤51、设置进洪闸开启不同孔数的进洪方案，采用所述步骤43生成的所述蓄滞洪区洪水调度模型对各进洪方案进行模拟；
步骤52、判断各进洪方案降低河道洪峰水位的幅度，根据蓄滞洪区淹没结果分析淹没经济损失，确定综合效益最优的方案，淹没经济损失计算公式如下：
；
式中，为评估单元在第j级水深的第i类财产的价值，/>为第i类财产在第j级水深条件下的损失率。
10.一种蓄滞洪区洪水调度系统，其特征在于，包括：
第一构建单元，用于获取预定流域的典型断面数据与主要水文站点的实测流量、水位数据，构建该预定流域下的干流河道一维水动力学模型；
第二构建单元，用于获取预定流域的蓄滞洪区高时空分辨率下垫面数据，构建该预定流域下的蓄滞洪区二维水动力学模型；
第三构建单元，用于获取预定流域的蓄滞洪区进洪闸及闸孔参数，构建虚拟河道泄流模型；
调度模型生成单元，用于耦合所述干流河道一维水动力学模型、蓄滞洪区二维水动力学模型以及虚拟河道泄流模型，生成基于虚拟河道替代闸孔泄流计算的蓄滞洪区洪水调度模型；
输出单元，用于设计不同蓄滞洪区进洪闸闸孔开启方案，采用所述调度模型生成单元生成的蓄滞洪区洪水调度模型进行模拟计算，输出优选防洪和经济效益最优的泄流方案。
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