[发明专利]一种缺乏资料区河渠冬季冰情发展过程的模拟方法

权利要求书

1.一种缺乏资料区河渠冬季冰情发展过程的模拟方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，率定糙率：根据明渠非恒流理论，模拟无冰状态下水情发展过程，率定河道真实糙率，包括如下子步骤：

S11，准备计算过程所需的包括河道断面资料、流量和水位在内的水文资料；

S12，使用无资料条件下支流流量推算法计算各汇入流量和各支流的流出流量，以及在取水口无资料条件下，进行流量分配的计算；

根据明渠非恒定流的连续性方程和运动方程进行计算，确定所述流量分配满足流量平衡和能量守恒；

S13，根据河道条件，在无冰状态下，分段采用达西-魏斯巴赫公式和谢才公式计算明渠沿程水头损失，率定河道真实糙率n；

步骤2，率定热交换系数：根据热扩散原理，模拟河道水温变化，率定河道的热交换系数h_wa、j_wa和k_wa，包括如下子步骤：

S21，准备计算过程需要的太阳辐射、气温、水温、流量和水位在内的现有资料，使用无资料条件下每时太阳辐射量推算法和无资料条件下每时气温推算法进行以小时为时段的太阳辐射和气温的计算；

S22，计算水温，率定热交换系数h_wa、j_wa和k_wa；

根据热扩散方程计算水温：

式中：ρ为水的密度；C_p为水的比热；A为渠道断面面积；T_w为水的断面平均温度；V为水的断面平均流速；E_x为热扩散系数；B水表面宽度；为水体与周围环境的单位面积热交换率，包括：明流水面与大气的热交换率水面与飘浮冰块和冰盖的热交换率河底水体与河床的热交换率

水面与大气的单位面积热交换率采用线性传热方法近似：

式中：为明流水面与大气的热交换率，为太阳的短波辐射热交换率，h_wa、j_wa和k_wa为热交换系数，T_a为气温；

步骤3，模拟冰情演变：确定冰盖发展模式，模拟冰情演变过程，包括如下子步骤：

S31，准备冬季计算所需的包括流量、水位、水温、太阳辐射、气温、冰花浓度、岸冰和锚冰在内的现有资料，其中流量包括冬季支流汇入流量，冬季支流汇入流量使用无资料条件下支流流量推算法进行计算；使用无资料条件下每时太阳辐射量推算法和无资料条件下每时气温推算法进行以小时为时段的太阳辐射计算和气温计算；

S32，根据包括河道过流能力、流量、水位、水温、冰盖厚度和冰盖前沿发展在内的情况，分段率定冰盖平铺上溯模式发展的最大弗劳德数Fr_c和水力加厚模式发展的最大弗劳德数Frm，确定冰盖的发展模式；

冰盖平铺上溯模式发展的最大弗劳德数Fr_c表示为：

式中：v为冰盖前沿上游水流的平均流速；H为冰盖前沿的水深；t_i为冰块厚度；为系数；l_i为冰块长度；e为冰块孔隙率；ρ水体的密度；ρ_i为冰体的密度；g重力加速度；

当弗劳德数超过Fr_c时，冰块将出现翻转、下潜，冰盖将以水力加厚模式推进，这时冰盖初始厚度h₀的计算公式为：

式中，e_c＝e_p+(1-e_p)e，为整个冰块的孔隙率，e_p为冰块间空间间隙的孔隙率；上式存在一个最大弗劳德数Fr_m，当冰盖前沿弗劳德数Fr超过Fr_m，Fr＞Fr_m，冰盖不能向前发展；

S33由水流的热扩散方程、冰花扩散方程、冰盖下水流的输冰能力方程、水面浮冰的输运方程、冰盖和冰块厚度的发展方程，计算结冰前水温下降过程、冰花浓度的增长过程、冰盖前沿的推进过程、岸冰和冰厚的演变过程、开河前水温的升高过程、冰盖消融过程在内的冰情演变过程各要素；

所述的无资料条件下支流流量推算法：

各支流分配的流量计算公式：

q_i＝α_i·(Q_down-Q_i)

式中：Q_down为下游实测流量；Q_i为一次洪水传播到支流边界i的流量，i＝1，2，3……f；α_i为流量分配系数，

所述的无资料条件下每时太阳辐射量推算法：

无云状态下的短波净太阳辐射φ_cl，由以下公式计算：

φ_cl＝(0.99-0.17m)φ_so

m_o＝[sinα+0.15(α+3.885)^-1.253]^-1

式中：φ_cl为短波净太阳辐射；φ_so为每单位面积总的外来太阳辐射；I_so为太阳辐射常数；ω是时角；δ是太阳倾角；为纬度；d_n为一年中的天数；m是当地气压为p_a时海拔z米的光学气团；p₀为水平面气压；m₀是水平面处的光学气团；

太阳纬度α＝90-θ_z；

其中：

ω_i是前一个小时与当前小时时角的均值；E₀是地球轨道的偏心校正系数；

在云的覆盖程度没有资料记录的情况下，采用每天日照数同统计时段内最大日照数比值衡量云层覆盖状态，有云状态下的太阳辐射φ_ri计算公式为：

式中：φ_ri为有云状态下的太阳辐射；SSH为计算日日照数，SSH_MAX为统计时段内最大日照数；

针对不同时段、不同河道冰情状况，采用不同的系数反应太阳反射率的变化，通过模型率定反演获得表达太阳反射变化的系数，对太阳辐射公式再次修正为φ_R：

R_bi＝f(R_ti，R_ii，W_ai，I_ci)

式中：R_bi为表达太阳反射变化的系数，分为结冰前R_b1、流冰期R_b2、封冻期R_b3、开河前期R_b4模型率定、开河期R_b5、冰盖表面有积雪覆盖R_b6；R_bi同计算河段太阳反射率R_ti、河道情况R_ii、河道水质W_ai、冰情I_ci有关；

所述的无资料条件下每时气温推算法：

h_n＝Y—c

式中：T_k(daytime)是白天第k个小时的温度；T_k(nighttime)是夜晚的第k个小时的温度；Y是白天时长；Z是夜晚时长；T_max为日最高气温；T_min是为日最低气温；T_s是日落时的气温；h_n是最低温度出现后到日落的小时数；γ是日落后到最低温度时间的小时数；a是最高气温的滞后系数；b是夜间气温系数；c是从日出时开始的最低温度的滞后系数；H_R为计算温度对应的小时数，取值为1-24小时。

2.根据权利要求1所述的模拟方法，其特征在于，步骤1中S11所述的河道断面资料，当实测的河道断面间距大于1km时，则按照最大河道断面间距不超过1km，对断面进行插值加密。