本發(fā)明涉及河流動力學(xué)研究技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種河道平面二維水流模型糙率的率定方法。

背景技術(shù)：

糙率是河道平面二維水流數(shù)學(xué)模型(以下簡稱“二維水流模型”)的重要參數(shù)，二維水流模型可用于計算天然河流的流速、水位和水深等要素，這些水力要素的取得，可為解決水利、生態(tài)和環(huán)境等問題提供水力條件。二維水流模型在計算機上的實現(xiàn)，被稱為“河道平面二維水流數(shù)學(xué)模型軟件”，其計算過程實質(zhì)是求解離散的平面二維淺水方程的過程，除了需要給定初始條件和邊界條件之外，還要給定相關(guān)參數(shù)，其中糙率是二維水流模型的一類重要參數(shù)，河道糙率不僅與床面粗糙程度有關(guān)，還與河流平面形態(tài)、泥沙成形堆積體以及水流特性有關(guān)，它是一個綜合水力摩阻系數(shù)，此參數(shù)直接決定著模型計算結(jié)果的合理性。

現(xiàn)有技術(shù)對于河道平面二維水流模型糙率的率定主要有三類方法：一是迭代試算法，二是經(jīng)驗分配法，三是理論計算法。但上述三類方法存在著流程不清、條件苛刻和難于應(yīng)用等缺點，目前沒有一種經(jīng)驗或理論公式可以直接算出平面二維床面的糙率分布，并且由于以往的迭代試算過程主要靠人工干預(yù)，無一定之規(guī)，主觀性強，即使使用相同的模型處理相同的河段，不同人員率定所得的糙率也是千差萬別。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種河道平面二維水流模型糙率的率定方法，該方法能減少迭代試算過程中的人為干擾，克服現(xiàn)有技術(shù)流程不清、條件苛刻、難于應(yīng)用等缺點。

本發(fā)明實施例提供了一種河道平面二維水流模型糙率的率定方法，所述方法包括：

步驟1：按河道平面的特性劃定糙率分區(qū)，并以糙率初值函數(shù)為各分區(qū)內(nèi)的糙率賦初值；

步驟2：選定要率定糙率的當(dāng)前流量和與之相應(yīng)的河段出口水位，并將其作為河道平面二維水流數(shù)學(xué)模型的試算輸入條件；

步驟3：根據(jù)所述試算輸入條件，以河道平面二維水流數(shù)學(xué)模型開展水動力計算，獲得各監(jiān)測點水位的模型計算值；

步驟4：確定各監(jiān)測點水位的模型計算值與實測值之間的誤差；

步驟5：判斷所述步驟4中各監(jiān)測點水位誤差是否足夠??；若是，則執(zhí)行步驟8；若否，則執(zhí)行步驟6；

步驟6：根據(jù)水深確定過水區(qū)域，以各監(jiān)測點水位誤差插值估算過水區(qū)域內(nèi)各網(wǎng)格點的水位誤差；

步驟7：根據(jù)過水區(qū)域內(nèi)各網(wǎng)格點的水位誤差的大小及符號，確定糙率的調(diào)整方向，以二分法調(diào)整過水區(qū)域網(wǎng)格點的糙率值，并返回步驟3進行處理；

步驟8：進一步判斷是否已率定完所有待率定流量；若是，則執(zhí)行步驟9；若否，則返回步驟2，進行下一流量級的糙率率定；

步驟9：完成糙率率定，并保存糙率率定結(jié)果。

由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，上述方法能減少迭代試算過程中的人為干擾，克服現(xiàn)有技術(shù)流程不清、條件苛刻、難于應(yīng)用等缺點，保證河道平面二維水流模型糙率取值合理的同時，提高糙率的率定效率。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。

圖1為本發(fā)明實施例所提供的河道平面二維水流模型糙率的率定方法流程示意圖；

圖2為本發(fā)明所舉實例中兩個監(jiān)測點的水位示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明的保護范圍。

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例作進一步地詳細描述，如圖1所示為本發(fā)明實施例所提供的河道平面二維水流模型糙率的率定方法流程示意圖，所述方法包括：

步驟1：按河道平面的特性劃定糙率分區(qū)，并以糙率初值函數(shù)為各分區(qū)內(nèi)的糙率賦初值；

在該步驟中，所述按河道平面的特性劃定糙率分區(qū)是根據(jù)待處理河道平面的床沙組成、植被類型因素劃定糙率分區(qū)，然后再根據(jù)糙率初值函數(shù)為各分區(qū)內(nèi)的糙率賦初值。

對于天然河道，其河槽、島嶼、岸灘和心灘的床面特性往往千差萬別，因此要按床面特性劃分糙率分區(qū)，這里可參考河段衛(wèi)星圖片，若有現(xiàn)場查勘資料，可更準確地進行糙率分區(qū)。

在對研究河段進行糙率分區(qū)后，可根據(jù)水力學(xué)已有成果，確定不同區(qū)域的初始糙率值n0的取值范圍，如下表1所示：

表1天然河道糙率n0值

在進行了糙率分區(qū)之后，對于具有不同糙率取值區(qū)間的各個分區(qū)，以糙率初值函數(shù)為各分區(qū)內(nèi)的糙率賦初值的過程為：

所建立的糙率初值函數(shù)的具體形式為：

上式中，n0(x,y)是平面中點(x,y)處的初始糙率值；zx,y是點(x,y)處的床面高程，zmax和zmin分別是當(dāng)前糙率分區(qū)的最大床面高程值和最小床面高程值；nmax和nmin分別是當(dāng)前糙率分區(qū)的最大可取糙率值和最小可取糙率值。

上式的本質(zhì)是以床面高程為依據(jù)，對糙率分區(qū)內(nèi)的各坐標點糙率進行線性插值，并認為在同一糙率分區(qū)內(nèi)，床面高程越低的部位，糙率取值越小，對于寬淺河流，已有研究對實測資料分析的結(jié)果表明，河道中部的糙率一般較小，由于這些部位的床面高程往往也較低，這也說明了上式假定床面高程較低的部分其糙率較小是合理的，以之進行各糙率分區(qū)初始糙率估算是可行性的。

步驟2：選定要率定糙率的當(dāng)前流量和與之相應(yīng)的河段出口水位，并將其作為河道平面二維水流數(shù)學(xué)模型的試算輸入條件；

在該步驟中，通過選定一個典型流量，以之作為要率定糙率的當(dāng)前流量，并確定與此流量相應(yīng)的河段出口水位，這個當(dāng)前流量和水位均是已知的實測值，它們將被用作河道平面二維水流數(shù)學(xué)模型的試算輸入條件。

對于河段內(nèi)的同一過流區(qū)域，當(dāng)過流流量(水深)不同時，其表現(xiàn)出的糙率值也不相同，因此在河道平面二維水流數(shù)學(xué)模型的計算中，要考慮不同來水流量的糙率值。在選取了不同大小的典型流量作為分級流量后，本發(fā)明實施例分別對各流量級進行糙率率定，這些與分級流量相應(yīng)的分級糙率，可用于插值計算其他流量的糙率值。

步驟3：根據(jù)所述試算輸入條件，以河道平面二維水流數(shù)學(xué)模型開展水動力計算，獲得各監(jiān)測點水位的模型計算值；

步驟4：確定各監(jiān)測點水位的模型計算值與實測值之間的誤差；

在該步驟中，具體過程為：在獲得各監(jiān)測點水位的模型計算值之后，將其與各監(jiān)測點的實測水位進行比較，計算二者之間的誤差值。

步驟5：判斷所述步驟4中各監(jiān)測點水位誤差是否足夠?。蝗羰?，則執(zhí)行步驟8；若否，則執(zhí)行步驟6；

步驟6：根據(jù)水深確定過水區(qū)域，以各監(jiān)測點水位誤差插值估算過水區(qū)域內(nèi)各網(wǎng)格點的水位誤差；

在該步驟中，由于只有過水區(qū)域的糙率才對監(jiān)測點水位有影響，因此可以根據(jù)二維水流模型試算過程輸出的水深值，確定當(dāng)前流量條件下的過水區(qū)域，這樣便可精確確定河道平面上的糙率調(diào)整區(qū)域。

各網(wǎng)格點的水位誤差是糙率調(diào)整的依據(jù)，由于只有監(jiān)測點處才有水位的計算誤差值，過水區(qū)域內(nèi)其他非監(jiān)測點的水位誤差需要使用二維插值方法進行插值估算，本發(fā)明實施例采用反距離權(quán)重法估算過水區(qū)域內(nèi)各網(wǎng)格點的水位誤差，具體計算公式為：

上式中，e0是過水區(qū)域中非監(jiān)測點的水位誤差估算值，ei是過水區(qū)域第i個監(jiān)測點的水位誤差計算值，i為過水區(qū)域內(nèi)監(jiān)測點總數(shù)；d0,i是當(dāng)前處理的非監(jiān)測點與第i個監(jiān)測點之間的距離；k是指數(shù)，其值應(yīng)保證e0的估算誤差取小值，實際應(yīng)用過程中，可取k為1。

步驟7：根據(jù)過水區(qū)域內(nèi)各網(wǎng)格點水位誤差的大小和符號，確定糙率調(diào)整的方向，以二分法調(diào)整過水區(qū)域網(wǎng)格點的糙率值，并返回步驟3進行處理；

在該步驟中，在得到過水區(qū)域內(nèi)各網(wǎng)格點的水位誤差之后，可以用二分法糙率調(diào)整公式率定過水區(qū)域內(nèi)各個網(wǎng)格點的糙率值，二分法糙率調(diào)整公式如下：

上式中，nx,y表示當(dāng)前點(x,y)處的糙率值，其上標中的k和k+1表示迭代次數(shù)；ni,min表示當(dāng)前點(x,y)所屬的第i個糙率分區(qū)的最小可取糙率值；ni,max表示當(dāng)前點(x,y)所屬的第i個糙率分區(qū)的最大可取糙率值；

當(dāng)水位計算值偏高時，點糙率調(diào)減；當(dāng)水位計算值偏低時，點糙率調(diào)增。

在調(diào)整完過水區(qū)域內(nèi)各點糙率值后，重復(fù)上述步驟3-7，直至當(dāng)前流速條件下，各監(jiān)測點水位計算誤差滿足精度要求。

步驟8：進一步判斷是否已率定完所有待率定流量；若是，則執(zhí)行步驟9；若否，則返回步驟2，進行下一流量級的糙率率定；

步驟9：完成糙率率定，并保存糙率率定結(jié)果。

下面再以具體的實例對上述率定方法的應(yīng)用進行詳細說明：

首先建立一個彎曲分汊河段的平面二維水流數(shù)學(xué)模型，在此河段內(nèi)，存在著兩個監(jiān)測點，然后計算河段內(nèi)的不同場景的水位及相應(yīng)流量，如下表2和3所示：

表2計算河段內(nèi)的設(shè)計洪水位

表3計算河段設(shè)計洪水流量

在計算條件完備后，以本發(fā)明實施例所述方法率定了表3各級流量的糙率。以率定良好的模型計算兩個監(jiān)測點各流量下的水位，如圖2所示為本發(fā)明所舉實例中兩個監(jiān)測點的水位示意圖，由圖2可知：以本發(fā)明實施例所述方法率定糙率后，監(jiān)測點1和2的水位計算值與實測值基本一致，這說明本發(fā)明實施例所述河道平面二維水流模型糙率的率定方法是可行的。

綜上所述，本發(fā)明實施例所述方法具有如下優(yōu)點：

(1)該方法率定糙率的流程清晰、條件寬松、易于實施，對糙率的率定可通過機器實現(xiàn)，人為干擾少，大大降低了人工試算的主觀性；

(2)該方法依據(jù)床面特性對平面河道進行了糙率分區(qū)，各區(qū)糙率均在水力學(xué)規(guī)定的糙率合理取值區(qū)間內(nèi)選取初值并率定，可全面保證率定所得糙率的合理性；

(3)在每輪試算后，以水深信息確定過水區(qū)域，可以精準確定糙率的調(diào)整空間，并大大減小計算量，同時基于糙率與水位之間的單調(diào)關(guān)系，提出了二分法糙率調(diào)整公式，收斂速度更快。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護范圍為準。