CN117993330B - 一种曲面河道非正交阻水范式计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种曲面河道非正交阻水范式计算方法，通过模拟河段水流流场，以河道内工程线路总长与线路起终点位置的流速偏角变化的比值作为划分依据，将非正交涉水工程沿线流向变化在一定范围内的单元格作为一个局部行洪断面，由此划分出多个局部行洪断面；计算局部行洪断面的平均流向，得到工程局部线路与局部行洪断面水流方向的夹角；根据各局部行洪断面内的涉水建筑物类型及结构尺寸，计算局部行洪断面内的工程阻水面积，最后得到工程总阻水面积及阻水比。

Description

一种曲面河道非正交阻水范式计算方法
技术领域
本发明涉及河道行洪技术领域，尤其涉及一种曲面河道非正交阻水范式计算方法。
背景技术
涉水工程的建设将占用河道原有的行洪断面，影响河道的行洪能力，对河道防洪安全造成影响。阻水比是衡量涉水工程建设对河道行洪影响的一个重要指标，阻水比是指设计洪水位条件下河道内工程建（构）筑物占用的过水断面面积（垂直于水流方向上的投影面积）与所在断面总面积的比值。对蜿蜒型、游荡型河道而言，设计洪水条件下，其过水断面为曲面，涉水工程线路基本无法做到正交于河道水流方向，基于此，阻水分析计算存在两个难点，一是河道行洪断面的确定，二是涉水建（构）筑物在河道行洪断面上的投影存在超出河道断面的问题。因此，如何计算非正交涉水工程对曲面河道局部行洪断面的阻水面积及阻水比，是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种曲面河道非正交阻水范式计算方法，以正确评估工程建设对河道行洪能力的影响。
一种曲面河道非正交阻水范式计算方法，包括以下步骤：
S1、通过二维水动力模型模拟工程河段防洪标准条件下的水流流场，建立工程河段流场平面直角坐标系；
S2、将非正交涉水工程线路沿线流场均匀划分为个单元格，确定每个单元格的平均水深、平均流速；
S3、确定非正交涉水工程线路的局部行洪断面，计算局部行洪断面的行洪面积；
S4、计算各个局部行洪断面的平均流速，确定非正交涉水工程局部线路与局部行洪断面水流方向的夹角；
S5、确定各个局部行洪断面内涉水建筑物的类型及结构尺寸；
S6、计算各个局部行洪断面内的建筑物阻水面积、工程线路总阻水面积和工程阻水比。
进一步，所述S2中，确定每个单元格的平均水深和平均流速的组成集合为：
；
。
进一步，所述S3中，以河道内非正交涉水工程线路总长与线路起终点位置的流程偏角变化的比值作为确定局部行洪断面的依据，计算公式为：
；
其中，为非正交涉水工程线路的局部行洪断面宽度；为河道内非正交涉水工程线路总长；为线路终点位置的流程偏角；为线路起点位置的流程偏角；
当时，以为单位，将非正交涉水工程线路划分为多个局部行洪断面；
当时，以50m为单位，将非正交涉水工程线路划分为多个局部行洪断面。
进一步，提取所述工程沿线流场各个局部行洪断面的单元格数量，具体为：
；
其中，为局部行洪断面的单元格数量集；为局部行洪断面个数；为局部行洪断面的单元格数量；；
计算所述局部行洪断面的行洪面积，具体为：
；
其中，为第个局部行洪断面的行洪面积；为单元格的平均水深；为单元格的迎水面宽度；为个局部行洪断面的单元格数量；为第个局部行洪断面的单元格数量。
进一步，所述S4中，计算各个局部行洪断面的平均流速为：
；
其中，为第个局部行洪断面的平均流速；为第个局部行洪断面的单元格数量；为第个局部行洪断面的第1个网格编号；为第个局部行洪断面的最后一个网格编号。
进一步，所述S4中，确定非正交涉水工程局部线路与局部行洪断面水流方向的夹角具体为：
假设第个局部工程线路的方向向量为;由于第个局部工程线路能够看作直线，则有：
；
其中，分别为第个局部工程线路终点的横纵坐标；分别为第个局部工程线路起点的横纵坐标，第个局部工程线路为第个局部行洪断面对应的工程；
则：；
；
其中，为非正交涉水工程局部线路与局部行洪断面水流方向的夹角；分别为第个局部行洪断面平均流速和第个局部工程线路的模。
进一步，所述S5具体为：假设第个局部行洪断面中有个方形阻水建筑物和个圆形阻水建筑物；方形阻水建筑物尺寸为；圆形阻水建筑物直径为；
提取各局部行洪断面内方形阻水建筑物和圆形阻水建筑物所在位置的平均水深：
；
；
其中，分别为各个局部行洪断面内的方形、圆形建筑物所在位置的水深。
进一步，所述S6中，计算各个局部行洪断面内的建筑物阻水面积和工程线路总阻水面积，具体为：
；
；
根据局部工程线路与局部行洪断面的水流方向夹角，以及阻水建筑物的尺寸，分别计算局部行洪断面内的建筑物阻水面积：
；
令：；
；
；
则，工程线路总阻水面积和工程阻水比为：
；
；
其中，、为第个局部行洪断面内方形建筑物阻水面积；为第个局部行洪断面内圆形建筑物阻水面积；为非正交涉水工程阻水比；为非正交涉水工程总的阻水面积；为第个局部行洪断面与第个局部工程线路的夹角。
附图说明
图1 为一种曲面河道非正交阻水范式计算方法的流程图；
图2为实施例中模拟的流场图。
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，下面结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，以东荆河某工程为例，具体说明一种曲面河道非正交阻水范式计算方法，包括以下步骤：
S1、通过二维水动力模型模拟工程河段设计防洪标准条件下的水流流场，建立工程河段流场平面直角坐标系；
二维水动力学模型，其包括但不限于Delft 3D、MIKE 21、RMA2；所述的建立工程河段流速场平面直角坐标系，其包括但不限于2000国家大地坐标系、1954年北京坐标系、1980年西安坐标系。
具体的，模拟工程河段水水流流场可通过不同水动力模型模拟，本次实施例采用Mike21模型模拟流场，流场示例见图2，其中，流速流场平面坐标系采用2000国家大地坐标系。
S2、将非正交涉水工程线路沿线流场均匀划分为个单元格，确定每个单元格的平均水深、平均流速；
S3、确定非正交涉水工程线路的局部行洪断面，计算局部行洪断面的行洪面积；
S4、计算各个局部行洪断面的平均流速，确定非正交涉水工程局部线路与局部行洪断面水流方向的夹角；
S5、确定各个局部行洪断面内涉水建筑物的类型及结构尺寸；
S6、计算各个局部行洪断面内的建筑物阻水面积、工程线路总阻水面积和工程阻水比。
所述S2中，确定每个单元格的平均水深和平均流速的组成集合为：
；
；
其中，。
所述S3中，以河道内非正交涉水工程线路总长与线路起终点位置的流程偏角变化的比值作为确定非正交涉水工程线路的局部行洪断面的依据，计算公式为：
；
其中，为非正交涉水工程线路的局部行洪断面宽度；为河道内工程线路总长；为线路终点位置的流程偏角；为线路起点位置的流程偏角；
其中，； ，计算得到。
当时，以为单位，将非正交涉水工程线路划分为多个局部行洪断面；
当时，以50m为单位，将非正交涉水工程线路划分为多个局部行洪断面；
以50m为单位将工程沿线划分为多个局部行洪断面，其中。
提取所述工程沿线流场各个局部行洪断面的单元格数量，具体为：
；
其中，为局部行洪断面的单元格数量集；为局部行洪断面个数；为局部行洪断面的单元格数量；；
计算所述局部行洪断面的行洪面积，具体为：
；
其中，为第个局部行洪断面的行洪面积；为单元格的平均水深；为单元格的迎水面宽度；为个局部行洪断面的单元格数量；为第个局部行洪断面的单元格数量。
以第75个局部行洪断面为例说明，其中、、、。
所述S4中，计算各个局部行洪断面的平均流速为：
；
其中，为第个局部行洪断面的平均流速；为第个局部行洪断面的单元格数量；为第个局部行洪断面的第1个网格编号；为第个局部行洪断面的最后一个网格编号 。
以第75个局部行洪断面为例，其中、、、。
所述S4中，确定非正交涉水工程局部线路与局部行洪断面水流方向的夹角具体为：
假设第个局部工程线路的方向向量为；由于第个局部工程线路能够看作直线，则有：
；
其中，分别为第个局部工程线路终点的横纵坐标；分别为第个局部工程线路起点的横纵坐标，第个局部工程线路为第个局部行洪断面对应的工程；
则： ；
；
其中，为非正交涉水工程局部线路与局部行洪断面水流方向的夹角；分别为第个局部行洪断面平均流速和第个局部工程线路的模。
以第75个局部行洪断面为例，其中，， 。
所述S5具体为：假设第个局部行洪断面中有个方形阻水建筑物和个圆形阻水建筑物；方形阻水建筑物尺寸为；圆形阻水建筑物直径为；提取各局部行洪断面内方形阻水建筑物和圆形阻水建筑物所在位置的平均水深：
；
；
其中，分别为各个局部行洪断面内的方形、圆形建筑物所在位置的水深。
其中，本实施例为长方形和圆形桥墩的组合，长方形桥墩总个数为10个，尺寸均为，圆形桥墩共131个，尺寸均为；以75个局部行洪断面为例，局部行洪断面内分布有2个圆形桥墩，其水深为。
所述S6中，计算各个局部行洪断面内的建筑物阻水面积和工程线路总阻水面积，具体为：
；
；
根据局部工程线路与局部行洪断面的水流方向夹角，以及阻水建筑物的尺寸，分别计算局部行洪断面内的建筑物阻水面积：
；
令：；
；
；
则，工程线路总阻水面积和工程阻水比为：
；
；
其中，、为第个局部行洪断面内方形建筑物阻水面积；为第个局部行洪断面内圆形建筑物阻水面积；为非正交涉水工程阻水比；为非正交涉水工程总的阻水面积；为第个局部行洪断面与第个局部工程线路的夹角。
本实施例中，、。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求。

Claims (6)

1.一种曲面河道非正交阻水范式计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过二维水动力模型模拟工程河段防洪标准条件下的水流流场，建立工程河段流场平面直角坐标系；
S2、将非正交涉水工程线路沿线流场均匀划分为个单元格，确定每个单元格的平均水深、平均流速；
S3、确定非正交涉水工程线路的局部行洪断面，计算局部行洪断面的行洪面积；
S4、计算各个局部行洪断面的平均流速，确定非正交涉水工程局部线路与局部行洪断面水流方向的夹角；
S5、确定各个局部行洪断面内涉水建筑物的类型及结构尺寸；
S6、计算各个局部行洪断面内的建筑物阻水面积、工程线路总阻水面积和工程阻水比；
所述S5具体为：假设第个局部行洪断面中有个方形阻水建筑物和个圆形阻水建筑物；方形阻水建筑物尺寸为；圆形阻水建筑物直径为；
提取各局部行洪断面内方形阻水建筑物和圆形阻水建筑物所在位置的平均水深、：
；
；
其中，分别为各个局部行洪断面内的方形、圆形建筑物所在位置的水深；
所述S6中，计算各个局部行洪断面内的建筑物阻水面积和工程线路总阻水面积，具体为：
；
；
根据局部工程线路与局部行洪断面的水流方向夹角，以及阻水建筑物的尺寸，分别计算局部行洪断面内的建筑物阻水面积：
；
令：；
；
；
则，工程线路总阻水面积和工程阻水比为：
；
；
其中，、为第个局部行洪断面内方形建筑物阻水面积；为第个局部行洪断面内圆形建筑物阻水面积；为非正交涉水工程阻水比；为非正交涉水工程总的阻水面积；为第个局部行洪断面与第个局部工程线路的夹角；为局部行洪断面个数。
2.根据权利要求1所述的一种曲面河道非正交阻水范式计算方法，其特征在于：所述S2中，确定每个单元格的平均水深和平均流速的组成集合为：
；
。
3.根据权利要求2所述的一种曲面河道非正交阻水范式计算方法，其特征在于：所述S3中，以河道内非正交涉水工程线路总长与线路起终点位置的流程偏角变化的比值作为确定局部行洪断面的依据，计算公式为：
；
其中，为非正交涉水工程线路的局部行洪断面宽度；为河道内非正交涉水工程线路总长；为线路终点位置的流程偏角；为线路起点位置的流程偏角；
当时，以为单位，将非正交涉水工程线路划分为多个局部行洪断面；
当时，以50m为单位，将非正交涉水工程线路划分为多个局部行洪断面。
4.根据权利要求3所述的一种曲面河道非正交阻水范式计算方法，其特征在于：提取所述工程沿线流场各个局部行洪断面的单元格数量，具体为：
；
其中，为局部行洪断面的单元格数量集；为局部行洪断面个数；为局部行洪断面的单元格数量；；
计算所述局部行洪断面的行洪面积，具体为：
；
其中，为第个局部行洪断面的行洪面积；为单元格的平均水深；为单元格的迎水面宽度；为个局部行洪断面的单元格数量； 为第个局部行洪断面的单元格数量。
5.根据权利要求4所述的一种曲面河道非正交阻水范式计算方法，其特征在于：所述S4中，计算各个局部行洪断面的平均流速为：
；
其中，为第个局部行洪断面的平均流速；为第个局部行洪断面的单元格数量；为第个局部行洪断面的第1个网格编号；为第个局部行洪断面的最后一个网格编号。
6.根据权利要求5所述的一种曲面河道非正交阻水范式计算方法，其特征在于：所述S4中，确定非正交涉水工程局部线路与局部行洪断面水流方向的夹角具体为：
假设第个局部工程线路的方向向量为；由于第个局部工程线路能够看作直线，则有：
；
其中，分别为第个局部工程线路终点的横纵坐标；分别为第个局部工程线路起点的横纵坐标，第个局部工程线路为第个局部行洪断面对应的工程；
则：；
；
其中，为非正交涉水工程局部线路与局部行洪断面水流方向的夹角； 分别为第个局部行洪断面平均流速和第个局部工程线路的模。
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