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1、河河 流流 模模 拟拟 课课 程程 设设 计计 专业：港口航道与海岸工程专业：港口航道与海岸工程 姓名：宋永华姓名：宋永华 学号：学号：201003112 指导老师：陈建指导老师：陈建 目录 第一章基本概况1 1.1.课程设计的目的1 1.2.课程设计的内容1 第二章数学建模原理的内容2 2.1.基本方程2 2.2.方程的离散3 2.3.补充公式及参数选取4 第三章计算方法及结果分析4 3.1.计算步骤4 3.2.一维恒定水沙模型程序计算框图5 3.3.资料结果分析及主要结论6 第四章推求过水断面面积程序框图及源代码9 4.1.计算原理9 4.2.推求过水断面面积程序框图11 4.3.推求过水
2、断面面积程序源代码12 第五章结果分析14 5.1.剖面形态分析14 5.2.库容损失分析14 第 1 页 第一章第一章基本概况基本概况 1.1 课程设计的目的 通过课程设计， 初步掌握一维数学模型建立数学模型的的基本过程和计算方 法，具备一定的解决实际问题的能力。 1.2.课程设计的内容 以水流、泥沙方程为基础，构建恒定流条件下的河道一维水沙数学模型， 并 编制出完整的计算程序，并以某个水库为实例，进行水库泥沙淤积计算。 水流条件：恒定非均匀流。 泥沙条件： 包括悬移质， 推移质的均匀沙模型， 推移质计算模式为饱和输沙， 悬移质计算模式为不饱和输沙，水流泥沙方程采用非耦合解。 要求： 1、掌
3、握一维水沙数学模型计算的基本框架及内容。 2、进行历时 10 年的河床变形计算，并以图、表等方式整理分析所得计算结 果。 3、 在理解过水面积计算原理的基础上写出水位过水面积计算的程序框图， 运用 C 语言独立编写出水位过水面积计算的源代码，并选取一横断面，计算 并绘出该断面的水位面积曲线。 4、 编写完整的计算说明书一份。 （应包括， 建模的基本原理； 数值计算方法； 程序框图；资料整理分析及主要结论等；水位过水面积计算程序及其结果） 第 2 页 第二章数学建模的原理 2.12.1 基本方程基本方程 水流连续方程： 0 x Q t A (1) 水流运动方程 f iigA x h gA A Q
4、 xt Q 0 2 (2) 或 0 3 4 222 RA nQ g x z gA A Q xt Q (3) 泥沙连续方程 )( * SSQS x SA t （4） 河床变形方程 )( * 0 0 SS x G t y b （5） 推移质平衡输沙方程 G=G*（6） 水流挟沙力公式采用张瑞瑾公式， 推移质输沙率公式采用 Mayer-Peter 公式： N 为曼宁糙率系数， 为河床平整情况下的沙粒曼宁糙率系数 公式中的能坡 J 按均匀流曼宁公式近似计算（每个断面不同） 。 第 3 页 2.22.2 方程的离散方程的离散 将非恒定流作为恒定流处理，即取0 t A ，0 t U ，具体做法是将进口的实
5、际流 量过程线概化成若干个不同流量级，对于每个流量级其流量为常数，水流可视为恒定流。 可 将一天的流量视为一个不变值。 不考虑河段内水体中悬沙的槽蓄量因时而变，即取0 t AS 。 河床发生冲淤后对水流条件影响不大。 具体做法是限制时间步长 （如河床变形的时间 步长为1天），控制冲淤量不至于太大。 方程（1）在恒定流情况下有 0 x Q ，离散为:Q=const 方程（3）变形为 0 3 4 2 22 RA nQ x z A Q xgA Q 或 0 2 3 4 2 22 2 2 RA nQ x z gA Q x 上式离散为 0)1 ( 2 1 3 4 3 4 2 2 1 2 1 2 1 2 1
6、 2 2 2 1 2 1 jj j jj j jj j j j j RA Q RA Q xnzz A Q A Q g 方程（4）去掉时间项得到 )( * SS qx S 该方程的解析解为： q x x q q x SSSSSS jjjjjj exp1exp 1*1*1 由方程（4-5）可得 第 4 页 0 0 0 t y B x QS x BGb 对2号断面以下，上式可以离散为： 0 )1 ( 1010 0 t yByB x QSQS x BGBG jjjj bb 为推移质输沙率，S为悬移质含沙量 对于进口断面，推移质不考虑，悬移质采用单点离散 方程（5）可离散为： 0 1*1 0 )( tS
7、S y 2.2.3 3补充公式及参数选取补充公式及参数选取 m gR u kS 3 * 本次计算所用到的参数有张瑞瑾公式中的参数k、m，恢复饱和系数，泥沙的干密 度 0 ，以及两个离散时的参数和。 对于k和m，根据经验，k取 0.124，m取 1.05。 泥沙的干密度 3 0 1300/kg m。 因为水库是淤积的，故恢复饱和系数取0.25。 两个离散系数和都取 0.5。 第 5 页 第三章第三章计算方法及结果分析计算方法及结果分析 3.1.3.1.计算步骤计算步骤 （1） 输入河床地形糙率等数据 （2） 读入一个时段的水沙数据 （特别注意， 不要一次性将数据全部读入） （3） 计算水面线，同
8、时得到各断面的水力要素 （4） 计算前要注意在坝前输入水位，各断面均应对流量赋值 （5） 计算水流挟沙力 （6） 计算推移质输沙率 （7） 计算各断面含沙量 （8） 计算各断面冲淤厚度 （9） 修改水各断面水下河床高程 （10）重新进入（2）进行下一循环 （11）计算10年河床变形，计算时段为一天，单位为秒（s） （12）淤积总量年输出一次，其余每两年输出一次计算结果 3.2.3.2.一维恒定水沙模型程序计算框图一维恒定水沙模型程序计算框图 第 6 页 3.3.3.3.资料结果分析及主要结论资料结果分析及主要结论 3.3.1.3.3.1.历年流量输沙量特征值历年流量输沙量特征值 表 1 某水库
9、历年流量输沙量特征值 年份悬移质输沙量(万 t)推移质输沙量(万 t)年径流量(亿 m3) 19841821.4927.3223548.4556 19853469.71652.0457461.4862 198611702.33175.5349586.6389 19873033.78445.5067650.3967 19881640.99624.6149429.5845 19892175.49832.6324731.769 19906301.05894.5158765.8492 19914724.52570.86787556.6098 19921874.59128.11886532.8182 1
10、9932535.49538.03242537.9423 3.3.23.3.2 水库库区泥沙淤积量变化过程水库库区泥沙淤积量变化过程 图【图【1 1】淤积总量随时间变化曲线淤积总量随时间变化曲线 第 7 页 3.3.33.3.3 库区排沙比年际变化库区排沙比年际变化 图【图【2 2】库区排沙比年际变化库区排沙比年际变化 3.3.43.3.4 河床纵剖面变化河床纵剖面变化 图【图【3 3】历年深泓变化趋势图历年深泓变化趋势图 年份年份1 12 23 34 45 56 67 78 89 91010 排沙比排沙比（% %） 69.969.955.155.124.824.854.054.066.566.
11、574.974.936.136.150.150.170.170.143.643.6 第 8 页 3.3.53.3.5 库容损失库容损失 图【图【4】某水位下库容年际变化某水位下库容年际变化 3.3.63.3.6 库区坝前泥沙淤积高程库区坝前泥沙淤积高程 图【图【5 5】4 4 号断面泥沙淤积高程年际变化号断面泥沙淤积高程年际变化 第 9 页 第四章第四章：推求过水断面面积程序框图及源代码：推求过水断面面积程序框图及源代码 4.14.1 推求原理推求原理 I：端点与水位线相等 X= x(i + 1) - x(i) sxzh= (swx - h(i + 1) + (swx-h(i, 1) A1=X
12、* sxzh / 2 A = A+A1 注：注：X：高sxzh：上下底之和；A：总面积；A1：单个梯形面积 Swx:水位线;三角形按上底为零的梯形算 II：两端的在水位线之上 梯形部分面积： X= x(i + 1) - x(i) sxzh= (swx - h(i + 1) + (swx-h(i, 1) A1 =(X* sxzh / 2 A = A+A1 第 10 页 三角形部分面积： h=swx-h(j) X= (x2-x1)/(y1-y2)*(swx-y2) A2=X*h/2 A=A+A2 III:一端在水位线上，一端与水位线持平 此种情况与第II种计算方法相同，可看做是一端的三角形面积 按
13、上底为零的梯形面积计算， 计算出各梯形面积和一个三角形面积即 可。 第 11 页 4.24.2 程序框图程序框图 第 12 页 4.3.4.3.推求过水断面面积程序源代码推求过水断面面积程序源代码 Sub 数据处理() Range(a1:a1000).Clear Range(f11:g1000).Clear Dim a() As String, inputdata As String, j%定义中间变量 400 Open f:7.txt For Input As #1其中内为文档的目录和名称 Do While Not EOF(1)如果 txt 文件没到末尾 ReDim Preserve a(0
14、 To j)定义数组的维数 Line Input #1, inputdata读入一行数据 a(UBound(a) = inputdata把这行数据赋给数组 a 的第 j 个元素 j = j + 1 数组的维数累加 1 Loop Close #1关闭 txt Range(a1).Resize(1000) = a num = Range(a & Rows.Count).End(xlUp).Row For Each k In Range(a1:a & num) If k = Then m = k.Row brr = Range(a & m + 1 & :a & num) s = k.Row + 1:
15、 f = k.Row + 1 End If Next Range(f & m) = X Range(g & m) = Z For i = 1 To UBound(brr) d = Split(brr(i, 1), ) Range(f & s) = d(0) Range(g & f) = d(1) s = s + 1: f = f + 1 Next Range(f1) = 请输入水位线 Range(i1) = 小于水位线数据 Range(f5) = 过水面积 Range(i2:j100).Clear num = Range(g & Rows.Count).End(xlUp).Row swx =
16、Cells(2, f) For Each k In Range(g12:g & num) If k = swx Then crr = k.Offset(0, -1).Resize(1, 2) Cells(Range(i & Rows.Count).End(xlUp).Row, i).Offset(1) = crr(1) Cells(Range(j & Rows.Count).End(xlUp).Row, j).Offset(1) = crr(2) 第 13 页 End If Next num1 = Range(i & Rows.Count).End(xlUp).Row x = Range(i2
17、:i & num1) h = Range(j2:j & num1) mj = 0 For i = 1 To num1 - 2 x1 = x(i + 1, 1) - x(i, 1) sxzh = (swx - h(i + 1, 1) + (swx - h(i , 1) mj1 = x1 * sxzh / 2 mj = mj + mj1 Next i Range(f6) = mj End Sub 4.44.4 运行结果运行结果 根据个人情况，本人所选断面为 4 号断面，关系曲线如下 图【图【6 6】4 4 号断面水位线与过水面积关系曲线号断面水位线与过水面积关系曲线 第 14 页 第五章第五章结果
18、分析结果分析 5.15.1 剖面形态分析剖面形态分析 5.1.15.1.1 纵剖面淤积形态分析纵剖面淤积形态分析 由泓深曲线图（图【3】 ）可以看出，随着时间的增加，河道泓深点河道呈增 高趋势。该水库运行 10 年后，在距坝约 20km 处，深泓点高程增加了大约 24m， 计算结果表明，该水库泥沙淤积大于冲刷，致使库区库容逐年损失，且情况较为 严重，应该加强治理。 5.1.25.1.2 坝前断面变化曲线分析坝前断面变化曲线分析 由于本人所选断面为 4 号断面，离进口较近，该断面高程增加不明显，但是 还是有所增加，说明进口处淤积不是很严重，且没有冲刷。 5.25.2 库容损失分析库容损失分析 由水库库容变化曲线可以看出，水库运行 10 年后，在水位 265m 的情况下， 库容损失率达 61.6%，在水位 270m 的情况下库容损失率达 48.4%，经过 10 年的 运行，该水库库容减少了将近一半，说明该水库调节能力较差，应加强治理。