[发明专利]树状河网梯级水库水动力水质泥沙耦合模拟方法及系统

权利要求书

1.一种树状河网梯级水库水动力水质泥沙耦合模拟方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1根据梯级水库在树状河网中的分布，将每个水库中的大坝所在断面作为分割整体河网的控制要素，分割得到河网的控制节点以及若干子河网；

S2对河网的控制节点进行分类；

S3对各控制节点编制程序计算的过程中，按照子河网的编号顺序计算，每个子河网按照树状河网的算法独立运算，运算结束后，根据大坝上游端和下游端控制节点间的关系，将每个子河网的下游端控制节点的计算结果通过大坝上游端和下游端的控制节点传入给下一个子河网，作为下一个子河网的上游端控制节点的边界条件，依次类推，实现河网与梯级水库联合求解出各时刻每个水库中的大坝所在断面的水位和流量值；

S4通过河网整体水动力学模拟计算平台，实现同步实时模拟计算；

所述S4中，模拟计算以一维圣维南方程为基础，从河网、子河网、河道和控制节点四个层面建立模型的计算顺序，对河网及梯级水库进行概化，通过水利枢纽调度方式和边界条件的传递关系连接成一个整体，从而将各个河段连接成一个计算整体；

其中，将河道划分为多个断面的河段。

2.根据权利要求1所述的树状河网梯级水库水动力水质泥沙耦合模拟方法，其特征在于，所述S1中，对于分割出的若干子河网，按照从上游向下游的顺序来编子河网的编号，每个子河网的控制节点也按从上游向下游编排，大坝上游端和下游端各布置一个控制节点且编号连续，作为每个子河网的上边界或下边界控制节点。

3.根据权利要求2所述的树状河网梯级水库水动力水质泥沙耦合模拟方法，其特征在于，所述S2中，将河网的控制节点进行分类，一类是需要外部给定边界条件的控制节点，称为外边界节点；另一类为内边界节点，无需给定边界条件，是河道交汇口，外边界节点是河道的上、下游端和大坝前端的控制节点。

4.根据权利要求3所述的树状河网梯级水库水动力水质泥沙耦合模拟方法，其特征在于，所述一维圣维南方程包括水流连续方程和水流运动方程；

所述水流连续方程为：   （1）

所述水流运动方程为：

   （2）

式中s为流程坐标，单位m；Q为流量，单位m³/s；Z为水位，单位m；B为水面宽，单位m；g为重力加速度，单位m/s²；t为时间，单位s；A为过水断面面积，单位m²；R为水力半径，单位m；C为谢才系数，单位m^1/2/s。

5.根据权利要求4所述的树状河网梯级水库水动力水质泥沙耦合模拟方法，其特征在于，所述S4中，同步实时模拟计算包括以下步骤：

S41读入河网拓扑结构数据的文件；

S42读入河道断面基本信息；

S43读入初始水位和流量的文件；

S44读入计算时间步长基本参数；

S45在每个时间开始迭代前调用边界条件的文件，并开始计算水位和流量值。

6.一种树状河网梯级水库水动力水质泥沙耦合模拟系统，所述系统用于实现所述权利要求3-5的任意一项的树状河网梯级水库水动力水质泥沙耦合模拟方法，其特征在于，所述系统的计算软件采用fortran语言编写，包含主程序模块、边界文件模块、计算模块、泥沙模块和温度模块；

所述主程序模块，首先读入河网拓扑信息数据和每个河段的断面几何信息数据，并给各断面和水位赋初始值；此时读入每个断面水位与过流面积、水面宽和湿周的对应关系以及每个流量与河道糙率系数的对应关系，以此求出各断面过流面积、水面、湿周和流速初始值，并给河道交汇口的水位赋初始值，最后读入计算需要的其他参数；

所述边界文件模块，首先读入当前时刻各控制节点和河段的分、进水口的流量或水位值，并确定当前时刻各控制节点和河段的分、进水口的边界条件；

所述计算模块，首先从总数据库文件中找出上一时刻的数据，并读入当前时刻的边界条件，根据一维圣维南方程求出各河段的水位和流量值，通过误差判断来控制调用泥沙模块的程序，并将控制结果输出；

所述泥沙模块，首先从总数据库文件中找出上一时刻的数据，并读入当前时刻的边界条件，计算含沙量和河床冲淤高度，对控制节点赋值并误差判断，读入当前时刻各控制节点的流量或水位值，将控制节点边界值赋值给各河段上下游断面，最后读入当前时刻河段的分水口含沙量；

所述温度模块，首先从总数据库文件中找出上一时刻的数据，并读入当前时刻的边界条件，计算温度场参数并给控制节点赋值和误差判断，读入当前时刻各控制节点的流量或水位值，将控制节点边界值赋值给各河段上下游断面，最后读入当前时刻河段的分水口含沙量。