一種蓄水關(guān)系近似一致的復(fù)雜平原河網(wǎng)概化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及計(jì)算水力學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種水動(dòng)力模型的建模概化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國東南沿海發(fā)達(dá)地區(qū)主要水系形態(tài)為平原河網(wǎng)，隨著近年來城市化水平的加 快，許多地區(qū)的下墊面不透水性明顯增加，降雨產(chǎn)匯流過程加快。為開發(fā)、利用水資源，人類 修建了大量泵站、樞紐以及圩區(qū)，也使得平原河網(wǎng)地區(qū)水系結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，增加了這些 地區(qū)的洪水風(fēng)險(xiǎn)。復(fù)雜河網(wǎng)水動(dòng)力模型可為洪水預(yù)報(bào)、災(zāi)害評估及防洪決策響應(yīng)提供支撐。 河網(wǎng)水動(dòng)力模型一般采用求解一維圣維南方程的方法進(jìn)行建模，將河網(wǎng)離散為具有一定空 間步長的小河段，利用數(shù)值方法計(jì)算各個(gè)小河段兩端節(jié)點(diǎn)的水位和流量，從而得到整個(gè)河 網(wǎng)的水位流量過程。在復(fù)雜平原河網(wǎng)地區(qū)利用一定的方法對河網(wǎng)進(jìn)行概化，可以提高計(jì)算 效率、增強(qiáng)數(shù)值模型的穩(wěn)定性。以太湖流域蘇州地區(qū)河網(wǎng)為例，該區(qū)域有各級河道約2萬余 條。在建模過程中若不對河道進(jìn)行一定概化，將使模型非常復(fù)雜，工作量巨大。因此，對復(fù) 雜平原河網(wǎng)進(jìn)行適當(dāng)概化，用于建立水動(dòng)力模型具有重要的實(shí)用價(jià)值。然而，目前研宄成果 大多基于工作人員的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，有的甚至將低等級河道直接忽略，尚未形成較為系統(tǒng)和完 善的方法體系。
[0003] 河網(wǎng)概化需要經(jīng)過河道地理信息資料的收集、計(jì)算、匯總?cè)齻€(gè)過程。隨著地理信息 系統(tǒng)（GIS)技術(shù)的發(fā)展，明確提出平原河網(wǎng)概化過程中的地理信息資料需求，不僅能為水 行政主管部門工作提供參考，所建立的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫也能為后續(xù)研宄提供支撐。
[0004] 河網(wǎng)蓄水量是平原地區(qū)洪水管理工作中的重要參數(shù)，同時(shí)也體現(xiàn)了研宄區(qū)域的洪 水安全形勢，影響整個(gè)河網(wǎng)的水動(dòng)力特性。因此，在概化平原河網(wǎng)時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量保證概化后的 河網(wǎng)與原狀河網(wǎng)河道蓄水能力近似。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種蓄水關(guān)系近似一致 的復(fù)雜平原河網(wǎng)概化方法，能夠得到總蓄水體積隨水位的變化關(guān)系與原河網(wǎng)近似一致的概 化河網(wǎng)。
[0006] 技術(shù)方案：本發(fā)明提供了一種蓄水關(guān)系近似一致的復(fù)雜平原河網(wǎng)概化方法，包括 如下步驟：
[0007] (1)獲取并處理河道地理信息資料；
[0008] ⑵構(gòu)建模擬河網(wǎng)多邊形；
[0009] (3)確定模擬河網(wǎng)多邊形內(nèi)概化河網(wǎng)總蓄水量參數(shù)；
[0010](4)確定河網(wǎng)多邊形每個(gè)模擬河段疊加寬度；
[0011] (5)確定河網(wǎng)多邊形每個(gè)河段的寬度疊加位置。
[0012] 進(jìn)一步，步驟（1)獲取的所述河道地理信息資料包括研宄區(qū)域內(nèi)所有河道的長 度、左右岸坡度、河底寬度以及河底高程，若水利部門對河道進(jìn)行過分級則還包括河道等 級。
[0013] 進(jìn)一步，步驟（1)處理河道地理信息資料是將平原河網(wǎng)中所有有岸坡資料的河道 斷面類型簡化為梯形斷面，無岸坡資料的河道斷面類型簡化為矩形斷面；求出河道平均河 底寬、平均河底高程作為描述斷面形狀的基本參數(shù)，由于平原河網(wǎng)地區(qū)地形高程起伏不大， 計(jì)算每條河道的平均河底高程作為該河道的底高程，構(gòu)建水動(dòng)力模型時(shí)作為平底考慮，忽 略河道底坡。
[0014] 進(jìn)一步，步驟（2)構(gòu)建所述河網(wǎng)多邊形時(shí)，根據(jù)研宄問題的復(fù)雜程度選擇適當(dāng)?shù)?河道寬度或河道等級閾值，高于此閾值河道作為模擬河網(wǎng)予以保留，低于該閾值的河道作 為概化河網(wǎng)進(jìn)行合并。對于部分需要重點(diǎn)考慮的區(qū)域可以分區(qū)域給出較低閾值，以保留更 多河道進(jìn)行建模。
[0015] 進(jìn)一步，步驟（3)所述模擬河網(wǎng)多邊形內(nèi)的概化河網(wǎng)斷面形狀都為矩形，河寬等 于底寬，總蓄水面積等于各概化河段平均河底寬度乘以河道長度的總和。
[0016] 進(jìn)一步，步驟（4)所述每個(gè)模擬河段疊加寬度等于概化河網(wǎng)總蓄水面積除以模擬 河段總河道長度。
[0017] 進(jìn)一步，步驟（5)根據(jù)概化河網(wǎng)的平均河底高程，將疊加寬度分配至每個(gè)模擬河 段的相應(yīng)高程，且分左岸和右岸進(jìn)行分別疊加。
[0018] 有益效果：本發(fā)明能夠使概化后的河網(wǎng)蓄水能力與原型河網(wǎng)基本一致，可有效提 高模擬精度，且便于進(jìn)行洪水風(fēng)險(xiǎn)分析；對于水行政主管部門，本發(fā)明給出了明確的資料需 求，便于在平原河網(wǎng)管理工作中進(jìn)行資料整編；對于水利行業(yè)科研人員，采用本方法構(gòu)建概 化河網(wǎng)水動(dòng)力模型，能避免過度依賴經(jīng)驗(yàn)，造成不同人員構(gòu)建模型水平參差不齊。
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發(fā)明河網(wǎng)概化方法的流程圖；
[0020] 圖2為實(shí)施例中河網(wǎng)基本資料數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；
[0021] 圖3為河網(wǎng)多邊形示意圖；
[0022] 圖4為概化河網(wǎng)寬度疊加至模擬河段的示意圖；
[0023] 圖5為概化前的蘇州陽澄淀泖區(qū)河網(wǎng)圖；
[0024] 圖6為概化后的蘇州陽澄淀泖區(qū)河網(wǎng)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于所述實(shí)施 例。
[0026] 實(shí)施例：一種蓄水關(guān)系近似一致的復(fù)雜平原河網(wǎng)概化方法，具體實(shí)施過程如圖1 所示。
[0027] 首先，在確定計(jì)算區(qū)域后獲取河道的基本地理信息數(shù)據(jù)，將獲取到的地理信息數(shù) 據(jù)編入GIS數(shù)據(jù)庫（如ArcGIS、MapGIS等），所需獲取的地理信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2所示，河 網(wǎng)基本資料包括河道名稱、河道長度、左右岸坡度、河底寬度、河底高程和河道等級。
[0028] 然后，對獲取的資料進(jìn)行處理。其中有左右岸坡度資料的概化為梯形斷面河道；若 僅有一側(cè)的岸坡資料，則認(rèn)為左右岸對稱布置；無左右岸坡度資料的概化為矩形斷面河道。 由于平原河網(wǎng)地區(qū)河道比降較小，可近似為平底，根據(jù)現(xiàn)有資料求出平均河底高程作為某 河道河底高程。對于寬度沿程變化的河道，本實(shí)施例僅采用平均河底寬度描述該河道，不對 河道具體位置寬度進(jìn)行細(xì)化處理。通過以上的處理方法，即得到了具有規(guī)則斷面形狀的平 原河網(wǎng)。
[0029] 之后，指定河道寬度或河道等級閾值，高于此閾值的河道作為模擬河道用以建立 水動(dòng)力模型，低于此閾值的河道則稱為概化河道，經(jīng)過處理后將其疊加入模擬河網(wǎng)。
[0030] 按照給定閾值進(jìn)行河網(wǎng)篩選后形成如圖3所示的河網(wǎng)多邊形，該河網(wǎng)多邊形由4 條模擬河段UL2L3L4構(gòu)成，內(nèi)有5條概化河道1il2l3l4l5，概化河道總蓄水面積為：
[0031]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種蓄水關(guān)系近似一致的復(fù)雜平原河網(wǎng)概化方法，其特征在于：包括如下步驟： (1) 獲取并處理河道地理信息資料； (2) 構(gòu)建模擬河網(wǎng)多邊形； (3) 確定模擬河網(wǎng)多邊形內(nèi)概化河網(wǎng)總蓄水量參數(shù)； (4) 確定河網(wǎng)多邊形每個(gè)模擬河段疊加寬度； (5) 確定河網(wǎng)多邊形每個(gè)河段的寬度疊加位置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄水關(guān)系近似一致的復(fù)雜平原河網(wǎng)概化方法，其特征在于： 步驟（1)獲取的所述河道地理信息資料包括研宄區(qū)域內(nèi)所有河道的長度、左右岸坡度、河底 寬度以及河底高程，若水利部門對河道進(jìn)行過分級則還包括河道等級。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的蓄水關(guān)系近似一致的復(fù)雜平原河網(wǎng)概化方法，其特征在 于：步驟（1)處理河道地理信息資料是將平原河網(wǎng)中所有有岸坡資料的河道斷面類型簡化 為梯形斷面，無岸坡資料的河道斷面類型簡化為矩形斷面；求出河道平均河底寬、平均河底 高程作為描述斷面形狀的基本參數(shù)，不考慮河道底坡。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄水關(guān)系近似一致的復(fù)雜平原河網(wǎng)概化方法，其特征在于： 步驟（2)構(gòu)建所述河網(wǎng)多邊形時(shí)，給出河道等級或河道平均河底寬閾值，高于此閾值河道予 以保留，形成模擬河網(wǎng)多邊形。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄水關(guān)系近似一致的復(fù)雜平原河網(wǎng)概化方法，其特征在于： 步驟（3)所述模擬河網(wǎng)多邊形內(nèi)的概化河網(wǎng)斷面形狀都為矩形，總蓄水面積等于各概化河 段平均河底寬度乘以河道長度的總和。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄水關(guān)系近似一致的復(fù)雜平原河網(wǎng)概化方法，其特征在于： 步驟（4)所述每個(gè)模擬河段疊加寬度等于概化河網(wǎng)總蓄水面積除以模擬河段總河道長度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的蓄水關(guān)系近似一致的復(fù)雜平原河網(wǎng)概化方法，其特征在于： 步驟（5)根據(jù)概化河網(wǎng)的平均河底高程，將疊加寬度分配至每個(gè)模擬河段的相應(yīng)高程，且分 左岸和右岸進(jìn)彳丁分別萱加。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種蓄水關(guān)系近似一致的復(fù)雜平原河網(wǎng)概化方法，包括如下步驟：獲取并處理河道地理信息資料；構(gòu)建模擬河網(wǎng)多邊形；確定模擬河網(wǎng)多邊形內(nèi)概化河網(wǎng)總蓄水量參數(shù)；確定河網(wǎng)多邊形每個(gè)模擬河段疊加寬度；確定河網(wǎng)多邊形每個(gè)河段的寬度疊加位置。本發(fā)明能夠使概化后的河網(wǎng)蓄水能力與原型河網(wǎng)基本一致，可有效提高模擬精度，且便于進(jìn)行洪水風(fēng)險(xiǎn)分析；對于水行政主管部門，本發(fā)明給出了明確的資料需求，便于在平原河網(wǎng)管理工作中進(jìn)行資料整編；對于水利行業(yè)科研人員，采用本方法構(gòu)建概化河網(wǎng)水動(dòng)力模型，能避免過度依賴經(jīng)驗(yàn)，造成不同人員構(gòu)建模型水平參差不齊。
【IPC分類】G06F19-00
【公開號】CN104750985
【申請?zhí)枴緾N201510129328
【發(fā)明人】胡孜軍, 王玲玲, 唐洪武, 曾誠, 朱海
【申請人】河海大學(xué)
【公開日】2015年7月1日
【申請日】2015年3月23日