一种基于排水管道病害与内涝偶联关系的耦合方法

1.本发明涉及水文领域，特别是涉及一种基于排水管道病害与内涝偶联关系的耦合方法。


背景技术：

2.在城市地表地下水流一二维耦合方法的研究方面，部分学者从地表产流、地表汇流、地下汇流和地表地下一二维耦合的角度给出了产汇流的计算方法，但忽略了管道功能性病害、水流、上层空气的多相流互馈关系和重力场、应力场、流场等多场耦合对管道过流特性的影响。“固-液-气”多相流和多场耦合改变了管道汇流瞬时状态及地表地下水流一二维模型的参数取值，降低了一二维耦合模型数值模拟的准确性。综上所述，现有城市地表地下一二维水文水动力学耦合方法具有如下缺点：
3.(1)未考虑多相流和多场耦合下排水管网功能性病害与城市内涝之间的水文水动力学耦合关系；
4.(2)未解决“固-液-气”多相流和多场耦合下一二维耦合参数的率定问题。
5.因此，本发明的发明人提供了一种基于排水管道病害与内涝偶联关系的耦合方法来解决上述问题。


技术实现要素：

6.为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种基于排水管道病害与内涝偶联关系的耦合方法，可以准确拟合排水管道功能性病害对管道过流特性的影响并且地表地下产汇流量化准确。
7.基于此，本发明提供了一种基于排水管道病害与内涝偶联关系的耦合方法，所述方法包括：
8.构建管道功能性病害的三维瞬态水力模型；
9.根据所述三维瞬态水力模型来获取起动剪切应力、推移质移动距离以及过流能力；
10.结合所述起动剪切应力、推移质移动距离、过流能力以及实验率定的过流特性以及紊动流场结构参数来构建一二维耦合连接模型；
11.将暴雨雨量输入所述一二维耦合连接模型，所述一二维耦合连接模型输出地表淹没状况。
12.其中，根据所述三维瞬态水力模型来获取起动剪切应力、推移质移动距离以及过流能力包括：
13.求解所述三维瞬态水力模型中冲刷闸、功能性病害管段和落底井耦合作用下的管壁冲刷边界条件、紊动能产生项及扩散项，引入滑动极限稳定条件推导管道功能性病害在冲击波、紊流、水流叠加影响下的剪切应力和阻力理论结构式，采用时均运动方程、脉动运动方程以及质量或动量矩守恒方程，对比判定管道水流剪切应力是否大于起动剪切应力，
进而分析计算推移质移动距离和过流能力。
14.其中，所述求解所述三维瞬态水力模型中冲刷闸、功能性病害管段和落底井耦合作用下的管壁冲刷边界条件、紊动能产生项及扩散项包括：
15.依据流体力学中水体参考单元的动量守恒原理，构建管道中水流的reynolds时均方程；
16.结合水力学约束条件和reynolds时均方程，求解得到紊动能产生项和扩散项；
17.利用管道淤积质的临界起动条件为沿水流方向的作用力与阻力相等的条件约束，得到管壁冲刷边界条件。
18.其中，所述引入滑动极限稳定条件推导管道功能性病害在冲击波、紊流、水流叠加影响下的剪切应力和阻力理论结构式包括：
19.管道水流剪切应力和阻力分别可表示为：
[0020][0021][0022]
其中，ρw和ρs分别为管道中水和淤积质的密度，c
t
为摩阻系数，管道水流边界外的自由流速用曲线vf＝v
max
sin(ωt)拟合，v
max
为自由流速的最大值，ω为自由流速动态变化的角速度，ff为管道作用于淤积质颗粒上的阻力，g为淤积质颗粒受到的重力，为淤积质颗粒的摩擦角，a为管道与标准水平面之间的夹角。
[0023]
其中，所述计算重力流和压力流作用下节点的溢流、回流瞬间值包括：
[0024]
构建考虑旁侧入流和局部水头损失的一维明满流控制方程；
[0025]
在navier-stokes方程基础上得到的二维浅水方程；
[0026]
联立所述一维明满流控制方程以及二维浅水方程，获取节点的溢流、回流瞬时值。
[0027]
其中，所述构建考虑旁侧入流和局部水头损失的一维明满流控制方程包括：
[0028][0029]
其中，z表示水位，a为过水断面面积，q为截面的出口流量，q
l
表示旁侧入流，g为重力加速度，t和x分别表示一维时间和空间坐标，
ɑ
表示波速，sf为摩阻比降，h
l
为单元长度上的局部水头损失,地表汇流的水量平衡动态微分方程可表示为：
[0030][0031]
其中，d为蓄水池(水库)水深，i
*
表示抵消蒸发强度和下渗强度后的降雨强度，w表示研究水域宽度，d
p
为研究水域洼蓄深度，s为坡度，n为地表曼宁系数。
[0032]
其中，所述在navier-stokes方程基础上得到的二维浅水方程包括:
[0033][0034]
其中，h为水深，t为时间，x、y和z为坐标系，u和v分别为x和y方向的流速分量，g为重力加速度，分别为u、v、v
·
v、u
·
v、u·u的垂向平均流速，ρ为流体密度，b为水底高程，v
t
为t时刻的水流流速，u、e、g为定义的特殊矩阵，s
ax
和s
ay
分别为x和y方向的底坡项分量，s
fx
和s
fy
分别为x和y方向的摩阻项分量，τ
zx
和τ
zy
均为侧向应力。
[0035]
采用本发明，有如下优点:
[0036]
(1)准确拟合排水管道功能性病害对管道过流特性的影响。考虑排水管道病害与内涝偶联关系的一二维耦合方法、系统及终端利用renolds时均湍流方程、欧拉-拉格朗日法等紊流分析方法构建管道功能性病害三维瞬态水力模型，设计实现排水管道病害与内涝的偶联关系模块，并通过管道足尺试验率定起动剪切应力、雷诺应力、能量耗散、脉动流速、紊动强度等过流特性和紊动流场结构参数，进而得到不同区域管网功能性病害情况与地表地下产汇流之间的定量关系，在现有一二维水文水动力学耦合模型pcswmm的配合下，实现排水管网功能性病害影响下一二维水文水动力学耦合方法的数值模拟。
[0037]
(2)地表地下产汇流量化准确。通过排水管道病害与内涝的偶联关系模块动态模拟排水管网功能性病害影响下的一二维瞬时水流状态转换规律，准确计算淹没水深、淹没面积、淹没历时、排水管道过流特性和紊动流场结构参数等一二维耦合模型相关指标，解决现有地表地下产汇流量化计算过程中未考虑排水管道功能性病害与内涝的偶联关系问题。
附图说明
[0038]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0039]
图1是本发明实施例提供的基于排水管道病害与内涝偶联关系的耦合方法的示意图；
[0040]
图2是本发明实施例提供的管道水流及功能性病害受力情况的示意图；
[0041]
图3是本发明实施例提供的管道功能性病害的三维瞬态水力模型的示意图；
[0042]
图4是本发明实施例提供的排水管网足尺试验的示意图；
[0043]
图5是本发明实施例提供的考虑水管道病害与内涝偶联关系的地表地下一二维耦合连接方式之水平方向连接的示意图；
[0044]
图6是本发明实施例提供的考虑水管道病害与内涝偶联关系的地表地下一二维耦
合连接方式之垂直方向连接的示意图。
具体实施方式
[0045]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0046]
图1是本发明实施例提供的基于排水管道病害与内涝偶联关系的耦合方法的示意图，所述方法包括：
[0047]
s101、构建管道功能性病害的三维瞬态水力模型；
[0048]
图2是本发明实施例提供的管道水流及功能性病害受力情况的示意图，所述三维瞬态水力模型的公式化表达包括时均运动方程和脉动运动方程，即：
[0049][0050]
其中，u、v、w分别为管道垂直平均流速在三维坐标系x、y、z轴上的分量，为湍流在各坐标轴方向上的实时脉动流速。
[0051]
s102、根据所述三维瞬态水力模型来获取起动剪切应力、推移质移动距离以及过流能力；
[0052]
图3是本发明实施例提供的管道功能性病害的三维瞬态水力模型的示意图，其中，根据所述三维瞬态水力模型来获取起动剪切应力、推移质移动距离以及过流能力包括：
[0053]
求解所述三维瞬态水力模型中冲刷闸、功能性病害管段和落底井耦合作用下的管壁冲刷边界条件、紊动能产生项及扩散项，引入滑动极限稳定条件推导管道功能性病害在冲击波、紊流、水流叠加影响下的剪切应力和阻力理论结构式，采用时均运动方程、脉动运动方程以及质量或动量矩守恒方程，对比判定管道水流剪切应力是否大于起动剪切应力，进而分析计算推移质移动距离和过流能力。
[0054]
其中，所述求解所述三维瞬态水力模型中冲刷闸、功能性病害管段和落底井耦合作用下的管壁冲刷边界条件、紊动能产生项及扩散项包括：
[0055]
依据流体力学中水体参考单元的动量守恒原理，构建管道中水流的reynolds时均方程；
[0056]
结合水力学约束条件和reynolds时均方程，求解得到紊动能产生项和扩散项；
[0057]
利用管道淤积质的临界起动条件为沿水流方向的作用力与阻力相等的条件约束，得到管壁冲刷边界条件。
[0058]
具体来讲，依据流体力学中水体参考单元的动量守恒原理，构建管道中水流的reynolds时均方程；
[0059]
[0060]
其中，为三维空间的拉普拉斯算子，μ为动力粘性系数，涡粘性系数模型可表示为:
[0061][0062]
其中，g为水流的重力加速度，ρ为静止流场的平均压力，a为管道与标准水平面之间的夹角；
[0063]
结合水力学约束条件和reynolds时均方程，求解得到紊动能产生项eg和扩散项ee可表示为其中，τ0为z＝0时河床的剪切应力，uf为摩阻流速；
[0064]
利用管道淤积质的临界起动条件为沿水流方向的作用力fb+(g-f
l
)sinα与阻力ff相等的条件约束，得到管壁冲刷边界条件为，
[0065]
fb+(g-f
l
)sinα＝ff[0066]
其中，d为淤积质颗粒的直径，为淤积质颗粒的摩擦角，f
l
为淤积质颗粒所受到的水体浮力，fn为坡面对淤积质颗粒的支撑力，ff为河床作用于淤积质颗粒上的阻力，g为淤积质颗粒受到的重力。
[0067]
其中，所述引入滑动极限稳定条件推导管道功能性病害在冲击波、紊流、水流叠加影响下的剪切应力和阻力理论结构式包括：
[0068]
管道水流剪切应力和阻力分别可表示为：
[0069][0070][0071]
其中，ρw和ρs分别为管道中水和淤积质的密度，c
t
为摩阻系数，管道水流边界外的自由流速用曲线vf＝v
max
sin(ωt)拟合，v
max
为自由流速的最大值，ω为自由流速动态变化的角速度，ff为管道作用于淤积质颗粒上的阻力，g为淤积质颗粒受到的重力，为淤积质颗粒的摩擦角，a为管道与标准水平面之间的夹角。
[0072]
其中，采用时均运动方程、脉动运动方程以及质量或动量矩守恒方程，对比判定管道水流剪切应力是否大于起动剪切应力，进而分析计算推移质移动距离和过流能力包括：
[0073]
结合多场耦合作用下管道功能性病害的三维瞬态水力模型、剪切应力及阻力，判断管道功能性病害的输移运动区间；
[0074]
判断输移运动区间的步骤：
[0075]
计算管道床面的剪切应力和临界起动剪切应力
[0076][0077]
其中，沙粒绕流reynolds数
[0078]
f(re)＝0.184re-0.265
[0079]
其中，v为清水的运动粘滞系数，ρw和ρs分别为管道中水和淤积质的密度，c
t
为摩阻系数，管道水流边界外的自由流速用曲线vf＝v
max
sin(ωt)拟合，v
max
为自由流速的最大值，ω为自由流速动态变化的角速度；
[0080]
对比判定τ
tb
≥τ
th
的区间为管道功能性病害的输移运动区间。
[0081]
由垂直平均流速v和管道半径r可得管道满流状态下的过流量为πr2v；
[0082]
结合水力学约束条件和reynolds时均方程，求解得到紊动流场结构参数紊动能产生项eg和扩散项ee可表示为其中，τ0为z＝0时河床的剪切应力，uf为摩阻流速。
[0083]
103、结合所述起动剪切应力、推移质移动距离、过流能力以及实验率定的过流特性以及紊动流场结构参数来构建一二维耦合连接模型；
[0084]
利用管网功能性病害的三维瞬态水力模型求解得到的起动剪切应力、推移质移动距离和瞬时过流能力以及试验率定的管网瞬时水流状态参数，结合哈迪-克劳斯法、纳维-斯托克斯方程和经验公式，从地表水平连接和地表地下垂向连接的角度构建考虑管网功能性病害的城市地表地下一二维耦合连接模型。图5是本发明实施例提供的考虑水管道病害与内涝偶联关系的地表地下一二维耦合连接方式之水平方向连接的示意图，图6是本发明实施例提供的考虑水管道病害与内涝偶联关系的地表地下一二维耦合连接方式之垂直方向连接的示意图，可知，水平连接拟采用水文水动力经验公式、哈迪-克劳斯法和相互提供边界条件的方法，动态量化地面水流运动和河流水系之间的水流交换关系。垂向连接拟采用控制水位法、纳维-斯托克斯方程和预估校正法，准确计算重力流和压力流作用下节点的溢流、回流瞬时值，动态模拟考虑管网功能性病害和内涝水文水动力学耦合关系的城市一二维瞬时水流状态转换关系。
[0085]
其中，所述计算重力流和压力流作用下节点的溢流、回流瞬间值包括：
[0086]
构建考虑旁侧入流和局部水头损失的一维明满流控制方程；
[0087]
在navier-stokes方程基础上得到的二维浅水方程；
[0088]
联立所述一维明满流控制方程以及二维浅水方程，获取节点的溢流、回流瞬时值。
[0089]
其中，所述构建考虑旁侧入流和局部水头损失的一维明满流控制方程包括：
[0090][0091]
其中，z表示水位，a为过水断面面积，q为截面的出口流量，q
l
表示旁侧入流，g为重力加速度，t和x分别表示一维时间和空间坐标，
ɑ
表示波速，sf为摩阻比降，h
l
为单元长度上的局部水头损失,地表汇流的水量平衡动态微分方程可表示为：
[0092][0093]
其中，d为蓄水池(水库)水深，i
*
表示抵消蒸发强度和下渗强度后的降雨强度，w表示研究水域宽度，d
p
为研究水域洼蓄深度，s为坡度，n为地表曼宁系数。
[0094]
其中，所述在navier-stokes方程基础上得到的二维浅水方程包括：
[0095][0096]
其中，h为水深，t为时间，x、y和z为坐标系，u和v分别为x和y方向的流速分量，g为重力加速度，分别为u、v、v
·
v、u
·
v、u
·
u的垂向平均流速，ρ为流体密度，b为水底高程，v
t
为t时刻的水流流速，u、e、g为定义的特殊矩阵，s
ax
和s
ay
分别为x和y方向的底坡项分量，s
fx
和s
fy
分别为x和y方向的摩阻项分量，τ
zx
和τ
zy
均为侧向应力。
[0097]
s104、将暴雨雨量输入所述一二维耦合连接模型，所述一二维耦合连接模型输出地表淹没状况。
[0098]
所述一二维耦合连接模型输出的地表淹没状况包括：地表淹没面积、淹没水深和淹没历时。
[0099]
除此之外，本发明还可以验证所述三维瞬态水力模型的可靠性，图4是本发明实施例提供的排水管网足尺试验的示意图，开展排水管网足尺试验，通过控制变量法测试不同压强(压力流、重力流)、不同管道材料(预应力混凝土管、波纹管)和不同功能性病害状态(病害程度、长度)等条件下水流在管道中的瞬时输移特性(不同断面深度的剪切应力、摩阻流速等)，验证管道功能性病害三维瞬态水力模型的可靠性，进而准确率定雷诺应力、能量耗散、脉动流速、紊动强度等过流特性和紊动流场结构参数。
[0100]
验证管道功能性病害三维瞬态水力模型的可靠性的步骤如下：
[0101]
步骤1、利用控制变量法测试、测量不同压强(压力流、重力流)、不同管道材料(预应力混凝土管、波纹管)和不同功能性病害状态(病害程度、长度)等条件下水流在管道中的剪切应力、摩阻流速、流量。
[0102]
步骤2、将这些压强、管道材料参数、功能性病害程度和功能性病害长度代入三维瞬态水力模型的理论式；
[0103][0104]
将步骤2的10次测试平均输出结果与步骤1中的平均试验结果进行对比。
[0105]
3、假设步骤1的结果为a，步骤2的结果为b，则可靠性可表示为。
[0106][0107]
雷诺应力、能量耗散、脉动流速、紊动强度等过流特性和紊动流场结构参数的计算方法：
[0108]
雷诺应力即管道床面的剪切应力能量耗散、紊动流场结构参数主要指紊动能产生项eg和扩散项ee可表示为其中，τ0为z＝0时河床的剪切应力，uf为摩阻流速。脉动流速由三维瞬态水力模型的理论式在x、y、z轴上的分量分解得到。
[0109]
采用本发明，有如下优点:
[0110]
(1)准确拟合排水管道功能性病害对管道过流特性的影响。考虑排水管道病害与内涝偶联关系的一二维耦合方法、系统及终端利用renolds时均湍流方程、欧拉-拉格朗日法等紊流分析方法构建管道功能性病害三维瞬态水力模型，设计实现排水管道病害与内涝的偶联关系模块，并通过管道足尺试验率定起动剪切应力、雷诺应力、能量耗散、脉动流速、紊动强度等过流特性和紊动流场结构参数，进而得到不同区域管网功能性病害情况与地表地下产汇流之间的定量关系，在现有一二维水文水动力学耦合模型pcswmm的配合下，实现排水管网功能性病害影响下一二维水文水动力学耦合方法的数值模拟。
[0111]
(2)地表地下产汇流量化准确。通过排水管道病害与内涝的偶联关系模块动态模拟排水管网功能性病害影响下的一二维瞬时水流状态转换规律，准确计算淹没水深、淹没面积、淹没历时、排水管道过流特性和紊动流场结构参数等一二维耦合模型相关指标，解决现有地表地下产汇流量化计算过程中未考虑排水管道功能性病害与内涝的偶联关系问题。
[0112]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。