一種河網(wǎng)模型計算的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種河網(wǎng)模型計算的方法和系統(tǒng)，其基于水力學(xué)原理對河道的水流運動進行數(shù)值模擬分析，從而對河流的水情得以準確的掌握和預(yù)報。具有運算速度快，支持類型多等優(yōu)點。
【專利說明】一種河網(wǎng)模型計算的方法和系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及河網(wǎng)模型計算領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有的水位模擬計算軟件，包括英國ISIS商業(yè)軟件平臺，都存在著不能夠計算幾何上任意復(fù)雜的河網(wǎng)結(jié)構(gòu)，包括任意內(nèi)部環(huán)狀回路的拓撲連接在內(nèi)、不能反映感潮河段與環(huán)狀河道內(nèi)的往復(fù)流、不能夠很好地處理干床和干濕交替的情況、不能夠處理攔河閘門、對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的容錯能力較差，不可處理隨意斷面形狀、穩(wěn)定性與速度較差、擴充性較差等問題。
[0003]這造成需要建設(shè)河邊建筑以及河面設(shè)施的建筑商無法模擬自己將要建設(shè)的設(shè)施在任意實際河流周邊存在時，這些建筑設(shè)施與相應(yīng)河道的水位邊界、水位流量之間的關(guān)系，并通過多次模擬，分析出在什么位置進行施工能達到施工阻力最小，受河流運動影響最小，受河流運動造成的侵害腐蝕最小，受極端河流情況造成損害最小的效果，因此無法科學(xué)準確的分析任意河流周邊工程建筑的可行性并規(guī)劃最合理的建筑位置。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]鑒于現(xiàn)有技術(shù)中存在的種種問題和不足，本發(fā)明提供一種河網(wǎng)模型計算的方法，該方法中運用到了連續(xù)方程變換、圣維南方程結(jié)合有限差分法、基于計算機圖論的網(wǎng)狀拓撲運算，其特征在于，依次包括以下步驟:
[0005]A.確定該方法所能處理的對象；
[0006]B.設(shè)定用于計算的方程；
[0007]C.設(shè)定解所述方程的方法；
[0008]D.計算模擬水位數(shù)據(jù)；
[0009]E.選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；
[0010]F.選擇相應(yīng)的存儲結(jié)構(gòu)存儲結(jié)果。
[0011]優(yōu)選的是，步驟A中所述對象包括河道外的水體和降雨邊界；河道內(nèi)的斷面、橫斷閘、側(cè)向閘門、側(cè)向入流、排水口、取水口、流量邊界、水位邊界、水位流量關(guān)系、自流邊界、潮位邊界、水文邊界、水庫邊界、增強的水位流量關(guān)系邊界。
[0012]進一步優(yōu)選的是，所述自然邊界是基于邊界處為某比降的均勻流的設(shè)定進行計算，其流量計算采用曼寧公式。
[0013]進一步優(yōu)選的是，所述潮位邊界通過設(shè)定潮水的關(guān)鍵參數(shù)而直接自動算出潮位線供計算使用。
[0014]進一步優(yōu)選的是，所述水文邊界是通過給定面積、下滲、雨強等參數(shù)后，通過簡化的水文計算給出邊界處的大概流量。
[0015]進一步優(yōu)選的是，所述水庫邊界是通過設(shè)定工程參數(shù)和水庫調(diào)度規(guī)則后，模型自動估算下泄流量以納入計算。[0016]進一步優(yōu)選的是，步驟C中所述方法采用顯格式算法。
[0017]進一步優(yōu)選的是，步驟C中所述方法中的連續(xù)方程積分變換采用LAX格式的積分形式，對流量和水位變量采取在斷面上布置流量斷面中間布置水位的方式，通過差分法求得流量后，采用有限體積法對連續(xù)方程進行處理求解水位。
[0018]進一步優(yōu)選的是，步驟D中所述計算模擬水位數(shù)據(jù)是通過融合了所述對圣維南方程結(jié)合有限差分法與有限體積法的半隱式數(shù)值求解以及所述基于計算機圖論的網(wǎng)狀拓撲運算進行計算的。
[0019]進一步優(yōu)選的是，步驟E中所述的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)選用圖。
[0020]進一步優(yōu)選的是，步驟F中所述的存儲結(jié)構(gòu)采用鄰接鏈表。
[0021]本發(fā)明還提供一種河網(wǎng)模型計算的系統(tǒng)，該方法中運用到了連續(xù)方程變換、圣維南方程結(jié)合有限差分法、基于計算機圖論的網(wǎng)狀拓撲運算，其特征在于，包括以下模塊:
[0022]模塊a，確定該方法所能處理的對象；
[0023]模塊b，設(shè)定用于計算的方程；
[0024]模塊C，設(shè)定解所述方程的方法；
[0025]模塊d，計算模擬水位數(shù)據(jù)；
[0026]模塊e，選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；
[0027]t吳塊f，選擇相應(yīng)的存儲結(jié)構(gòu)存儲結(jié)果。
[0028]優(yōu)選的是，模塊a中所述對象包括河道外的水體和降雨邊界；河道內(nèi)的斷面、橫斷閘、側(cè)向閘門、側(cè)向入流、排水口、取水口、流量邊界、水位邊界、水位流量關(guān)系、自流邊界、潮位邊界、水文邊界、水庫邊界、增強的水位流量關(guān)系邊界。
[0029]進一步優(yōu)選的是，所述自然邊界是基于邊界處為某比降的均勻流的設(shè)定進行計算，其流量計算采用曼寧公式。
[0030]進一步優(yōu)選的是，所述潮位邊界通過設(shè)定潮水的關(guān)鍵參數(shù)而直接自動算出潮位線供計算使用。
[0031]進一步優(yōu)選的是，所述水文邊界是通過給定面積、下滲、雨強等參數(shù)后，通過簡化的水文計算給出邊界處的大概流量。
[0032]進一步優(yōu)選的是，所述水庫邊界是通過設(shè)定工程參數(shù)和水庫調(diào)度規(guī)則后，模型自動估算下泄流量以納入計算。
[0033]進一步優(yōu)選的是，模塊c中所述方法采用顯格式算法。
[0034]進一步優(yōu)選的是，模塊c中所述方法中的連續(xù)方程積分變換采用LAX格式的積分形式，對流量和水位變量采取在斷面上布置流量斷面中間布置水位的方式，通過差分法求得流量后，采用有限體積法對連續(xù)方程進行處理求解水位。
[0035]進一步優(yōu)選的是，模塊d中所述計算模擬水位數(shù)據(jù)是通過融合了對所述圣維南方程結(jié)合有限差分法與有限體積法的半隱式數(shù)值求解以及所述基于計算機圖論的網(wǎng)狀拓撲運算進行計算的。
[0036]進一步優(yōu)選的是，模塊e中所述的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)選用圖。
[0037]進一步優(yōu)選的是，模塊f中所述的存儲結(jié)構(gòu)采用鄰接鏈表。
[0038]本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0039]能夠計算幾何上任意復(fù)雜的河網(wǎng)結(jié)構(gòu)，包括任意內(nèi)部環(huán)狀回路的拓撲連接在內(nèi)，這很大程度上提升了其應(yīng)用面；
[0040]能反映感潮河段與環(huán)狀河道內(nèi)的往復(fù)流，這增強了本模型在沿江、沿海區(qū)域與平原地區(qū)的應(yīng)用性；
[0041]能夠很好地處理干床和干濕交替的情況，無需采取任何額外的處理措施(諸如隱格式里的窄縫法)，這在河道水利與防洪設(shè)施比較復(fù)雜或河網(wǎng)不同河段的河底高程相差較大的情況下，對數(shù)模計算程序是一項比較重要的考量因素；
[0042]能夠處理攔河閘門，不必要將橫斷閘門單獨放置到一個河段中，并且同一河段中有多個閘門也能順利計算；
[0043]對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的容錯能力較強，可處理隨意斷面形狀，即使斷面描述數(shù)據(jù)點的橫坐標值不保持遞增或者內(nèi)部出現(xiàn)交叉都能很好處理；
[0044]穩(wěn)定性與速度較好，完成全太湖流域河網(wǎng)(共計905個河段，768個節(jié)點，249個邊界條件，4776個河道斷面，109個橫斷閘門，I個河道外水體)3個月洪水期的計算在普通PC上運行只需要大約30分鐘，比現(xiàn)在流行的英國ISIS商業(yè)軟件平臺快；
[0045]擴充性較好。模型編寫時對此進行了充分考慮，其可維護性與擴充性都比較好，后續(xù)添加支持的計算對象類型比較容易實現(xiàn)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0046]圖1為按照本發(fā)明一種河網(wǎng)模型計算的方法和系統(tǒng)的一具體實施例的支持對象示意圖；
[0047]圖2為圖1所示實施例的基本方程離散示意圖；
[0048]圖3為圖1所示實施例的隱格式干床處理窄縫法；
[0049]圖4為圖1所示實施例的隱格式河道處理法；
[0050]圖5為圖1所示實施例的顯格式加權(quán)平均示意圖；
[0051]圖6為圖1所示實施例的顯格式變量分布示意圖；
[0052]圖7為圖1所示實施例的顯格式計算方法示意圖；
[0053]圖8為圖1所示實施例的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0054]圖9為圖1所示實施例的樹形結(jié)構(gòu)示意圖；
[0055]圖10為圖1所示實施例的有向圖示意圖；
[0056]圖11為圖1所示實施例的鄰接鏈表示意圖；
[0057]圖12為圖1所示實施例的無向圖和其連接鏈表示意圖；
[0058]圖13為圖1所示實施例的結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0059]為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖對按照本發(fā)明一種河網(wǎng)模型計算的方法和系統(tǒng)的一實施例進行詳細說明。
[0060]本實施例的核心功能是基于水力學(xué)原理對河道的水流運動進行數(shù)值模擬分析，從而對河流的水情得以準確的掌握和預(yù)報。通過本實施例在實際生活中的運用，即使是在流域的復(fù)雜水力環(huán)境下，本實施例也能根據(jù)區(qū)域內(nèi)的降雨邊界、河道內(nèi)的斷面、橫斷閘、側(cè)向閘門、側(cè)向入流、排水口、取水口、流量邊界、水位邊界、水位流量關(guān)系等條件，準確快速的計算模擬出不同斷面的水位、流量過程。
[0061]其主要用途有:
[0062]1、河道洪水預(yù)報與調(diào)度；
[0063]實現(xiàn)在確定性的地形條件下，針對實測降雨過程、提前預(yù)報或預(yù)估可能發(fā)生的降雨過程，可以模擬未來可能發(fā)生的洪水過程，增加洪水的預(yù)見期，提前作好防洪準備工作。實現(xiàn)在面臨實時水雨工情條件下，通過對水庫、閘門、泵站等種種防洪控制性工程的綜合應(yīng)用，模擬計算調(diào)度對河道洪水過程的影響，可以制定出一個準確高效的防洪策略，總而為河道及周邊的安全提供了保障。
[0064]2、水利工程建設(shè)規(guī)劃
[0065]具備對氣候變化、海平面上升與快速城鎮(zhèn)化背景下流域洪水風(fēng)險演變情景量化分析的能力，對流域中現(xiàn)行治水方略的長遠有效性進行分析與評價，圍繞抑制與減輕流域水災(zāi)風(fēng)險與支撐可持續(xù)發(fā)展的目標，從健全防洪體系、增強對氣候變化的適應(yīng)與承受能力等方面提出流域治水方略調(diào)整的對策建議。
[0066]3、洪水影響評價；
[0067]通過本實施例在實際生活中的運用，需要建設(shè)河邊建筑以及河面設(shè)施的建筑商可以模擬自己需要建設(shè)的設(shè)施在實際河流周邊存在時，這些建筑設(shè)施與相應(yīng)河道的水位邊界、水位流量之間的關(guān)系，通過多次模擬，可以清晰的看出在什么位置進行施工能達到施工阻力最小，受河流運動影響最小，受河流運動造成的侵害腐蝕最小，受極端河流情況造成損害最小的效果，從而可以科學(xué)準確的分析河流周邊工程建筑的可行性并規(guī)劃最合理的建筑位置。
[0068]4、洪水風(fēng)險圖制作以及洪水保險費率制定。
[0069]通過本實施例在實際生活中的運用，需要建設(shè)河邊建筑以及河面設(shè)施的建筑商可以模擬自己需要建設(shè)的設(shè)施在實際河流周邊存在時，河道內(nèi)外各種因素之間的關(guān)系，從而能夠形象具體的展現(xiàn)所研究河道可能會出現(xiàn)的種種情況。根據(jù)模擬出來的結(jié)果，可以分析各種情況下河道有可能發(fā)生洪水等極端情況的規(guī)模，概率等等，從而能夠做出相應(yīng)的風(fēng)險評價，制定出相應(yīng)的風(fēng)險圖，并根據(jù)計算結(jié)果和洪水風(fēng)險圖制定合理的洪水保險率。
[0070]本實施例所支持的模擬對象包括:河道外的水體和降雨邊界；河道內(nèi)的斷面、橫斷閘、側(cè)向閘門、側(cè)向入流、排水口、取水口、流量邊界、水位邊界、水位流量關(guān)系等，如圖1所示。
[0071]本實施例經(jīng)過實際項目應(yīng)用的檢驗，證明其具備較好的穩(wěn)定性、速度與適應(yīng)能力。相對于國內(nèi)同類軟件擁有如下優(yōu)勢:
[0072]能夠計算幾何上任意復(fù)雜的河網(wǎng)結(jié)構(gòu)，包括任意內(nèi)部環(huán)狀回路的拓撲連接在內(nèi)，這很大程度上提升了其應(yīng)用面；
[0073]能反映感潮河段與環(huán)狀河道內(nèi)的往復(fù)流，這增強了本實施例在沿江、沿海區(qū)域與平原地區(qū)的應(yīng)用性；
[0074]能夠很好地處理干床和干濕交替的情況，無需采取任何額外的處理措施(諸如隱格式里的窄縫法)，這在河道水利與防洪設(shè)施比較復(fù)雜或河網(wǎng)不同河段的河底高程相差較大的情況下，對數(shù)模計算程序是一項比較重要的考量因素；
[0075]能夠處理攔河閘門，不必要將橫斷閘門單獨放置到一個河段中，并且同一河段中有多個閘門也能順利計算；
[0076]對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的容錯能力較強，可處理隨意斷面形狀，即使斷面描述數(shù)據(jù)點的橫坐標值不保持遞增或者內(nèi)部出現(xiàn)交叉都能很好處理；
[0077]穩(wěn)定性與速度較好，完成全太湖流域河網(wǎng)(共計905個河段，768個節(jié)點，249個邊界條件，4776個河道斷面，109個橫斷閘門，I個河道外水體)3個月洪水期的計算在普通PC上運行只需要大約30分鐘，比現(xiàn)在流行的英國ISIS商業(yè)軟件平臺快；
[0078]擴充性較好。本實施例編寫時對此進行了充分考慮，其可維護性與擴充性都比較好，后續(xù)添加支持的計算對象類型比較容易實現(xiàn)。
[0079]本實施例可以用于完成大部分情況下(網(wǎng)狀拓撲、感潮河道、往復(fù)流、攔河閘、干床、旁側(cè)入流、大型水面)的河網(wǎng)洪水演進模擬，這使得模型具備了較大的應(yīng)用面。為了模型在河道工程設(shè)施復(fù)雜區(qū)域以及下游邊界無資料地區(qū)更好完成小范圍的精細計算，本實施例還添加樂對下述5種對象的支持:
[0080]自流邊界?；谶吔缣帪槟潮冉档木鶆蛄鞯脑O(shè)定進行計算。流量計算采用曼寧公式；
【權(quán)利要求】
1.一種河網(wǎng)模型計算的方法，該方法中運用到了連續(xù)方程變換、圣維南方程結(jié)合有限差分法、基于計算機圖論的網(wǎng)狀拓撲運算，其特征在于，該方法依次包括以下步驟: 確定該方法所能處理的對象； 設(shè)定用于計算的方程； 設(shè)定解所述方程的方法； 計算模擬水位數(shù)據(jù)； 選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)； 選擇相應(yīng)的存儲結(jié)構(gòu)存儲結(jié)果。
2.如權(quán)利要求1所述的河網(wǎng)模型計算方法，其特征在于，步驟A中所述對象包括河道外的水體和降雨邊界；河道內(nèi)的斷面、橫斷閘、側(cè)向閘門、側(cè)向入流、排水口、取水口、流量邊界、水位邊界、水位流量關(guān)系、自流邊界、潮位邊界、水文邊界、水庫邊界、增強的水位流量關(guān)系邊界。
3.如權(quán)利要求2所述的河網(wǎng)模型計算方法，其特征在于，所述自然邊界是基于邊界處為某比降的均勻流的設(shè)定進行計算，其流量計算采用曼寧公式。
4.如權(quán)利要求3所述的河網(wǎng)模型計算方法，其特征在于，所述潮位邊界通過設(shè)定潮水的關(guān)鍵參數(shù)而直接自動算出潮位線供計算使用。
5.如權(quán)利要求4所述的河網(wǎng)模型計算方法，其特征在于，所述水文邊界是通過給定面積、下滲、雨強等參數(shù)后，通過簡化的水文計算給出邊界處的大概流量。
6.一種河網(wǎng)模型計算的系統(tǒng)，該系統(tǒng)中包含了連續(xù)方程變換、圣維南方程結(jié)合有限差分法、基于計算機圖論的網(wǎng)狀拓撲運算，其特征在于，其特征在于，該系統(tǒng)包括以下模塊: 模塊a，確定該方法所能處理的對象； 模塊b，設(shè)定用于計算的方程； 模塊C，設(shè)定解所述方程的方法； 模塊d，計算模擬水位數(shù)據(jù)； 模塊e，選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)； 模塊f，選擇相應(yīng)的存儲結(jié)構(gòu)存儲結(jié)果。
7.如權(quán)利要求6所述的河網(wǎng)模型計算系統(tǒng)，其特征在于，模塊a中所述對象包括河道外的水體和降雨邊界；河道內(nèi)的斷面、橫斷閘、側(cè)向閘門、側(cè)向入流、排水口、取水口、流量邊界、水位邊界、水位流量關(guān)系、自流邊界、潮位邊界、水文邊界、水庫邊界、增強的水位流量關(guān)系邊界。
8.如權(quán)利要求7所述的河網(wǎng)模型計算系統(tǒng)，其特征在于，所述自然邊界是基于邊界處為某比降的均勻流的設(shè)定進行計算，其流量計算采用曼寧公式。
9.如權(quán)利要求8所述的河網(wǎng)模型計算系統(tǒng)，其特征在于，所述潮位邊界通過設(shè)定潮水的關(guān)鍵參數(shù)而直接自動算出潮位線供計算使用。
10.如權(quán)利要求9所述的河網(wǎng)模型計算系統(tǒng)，其特征在于，所述水文邊界是通過給定面積、下滲、雨強等參數(shù)后，通過簡化的水文計算給出邊界處的大概流量。
【文檔編號】G06F19/00GK103853934SQ201410124364
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月28日
【發(fā)明者】胡昌偉, 劉舒 申請人:劉舒