河流模拟数学模型课程设计报告.docx

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河流模拟数学模型课程设计报告

2010河流模拟数学模型课程设计报告

1、课设题目及目的：

水库一维泥沙淤积计算。

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。

2、课设内容：

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。

3、建模原理：

（1）基本方程：

水流连续方程：

（1）

水流运动方程

（2）

或

（3）

泥沙连续方程

（4）

河床变形方程

（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，MAYER-PETER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）。

方程的离散

方程

（1）在恒定流情况下有

，

离散为:

Q=const

方程（3）变形为

或

上式离散为

方程（4）去掉时间项得到

该方程的解析解为：

由方程（4-5）可得　　

对2号断面以下，上式可以离散为：

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：

补充公式及参数选取：

K取0.124，m取1.05。

恢复饱和系数

干密度

取1.3

均匀沙粒径为d=0.022mm

（2）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

程序流程图：

4、成果分析：

（1）历年流量输沙量特征值

计算各年悬疑质输沙量、推移质输沙量、年均流量见下表。

（其中推移质输沙量是按照悬疑质输沙量的1.5%计算的）

表一历年流量输沙量特征值

年份

悬移质输沙量（万吨）

推移质输沙量（万吨）

年均流量（万吨）

1988

169.514

2.54271

21173.25

1989

76.68

1.1502

14515.59

1990

169.155

2.537325

19446.73

1991

195.304

2.92956

22639.1

1992

304.969

4.574535

29555.03

1993

165.346

2.48019

22068.5

1994

229.101

3.436515

24900.8

1995

165.21

2.47815

21477.6

1996

339.257

5.088855

31435.2

1997

122.459

1.836885

19966.5

（2）各年淤积总量

表二各年淤积总量

年份

总淤积沙量（亿立方米）

0.014

0.02

0.033

0.048

0.072

0.085

0.104

0.117

0.144

0.154

图一历年淤积总量变化

（3）各年库容水位关系

各年库容水位关系计算数据如下：

表三各年库容水位关系库容单位（亿立方米）

水位（m）

0年

2年

4年

6年

8年

10年

1060

0.759

0.74

0.713

0.677

0.647

0.613

1058

0.677

0.658

0.63

0.595

0.564

0.53

1056

0.599

0.58

0.552

0.517

0.487

0.453

1054

0.526

0.507

0.48

0.445

0.415

0.383

1052

0.457

0.439

0.415

0.383

0.354

0.326

1050

0.395

0.383

0.363

0.334

0.309

0.283

1048

0.345

0.339

0.321

0.295

0.273

0.25

1046

0.302

0.297

0.282

0.258

0.24

0.218

1044

0.26

0.256

0.243

0.224

0.208

0.187

1042

0.219

0.215

0.205

0.19

0.177

0.158

1040

0.18

0.177

0.168

0.156

0.147

0.132

图二逐年水位库容关系曲线

（4）水面线变化

逐年水面线变化计算结果成表如下：

表四水面线变化水面线高程（m）

距坝里程（km）

0年

2年

4年

6年

8年

10年

11.52

1057.8

1056.5

1056.52

1056.6

1056.57

1056.69

11.03

1056.28

1056.17

1056.25

1056.19

1056.2

10.56

1055.18

1055.09

1055.18

1055.21

1055.12

1055.15

10.17

1054.01

1053.92

1054.04

1053.95

1054.01

9.78

1053.3

1053.38

1053.25

1053.28

1053.38

1053.32

9.16

1052.54

1052.48

1052.7

1052.79

1052.63

1052.7

8.72

1051.77

1051.72

1052.63

1052.66

1052.08

1052.29

8.37

1051.5

1051.61

1052.53

1052.54

1052.06

1052.27

7.99

1051.15

1051.47

1052.37

1052.42

1052.06

1052.26

7.43

1050.24

1051.23

1052.1

1052.25

1052.03

1052.22

7.16

1050.01

1051.13

1051.94

1052.13

1051.99

1052.18

6.47

1050

1050.76

1051.47

1051.84

1052.02

5.87

1050

1050.43

1051

1051.49

1051.63

1051.81

5.15

1050

1050.09

1050.44

1051

1051.26

1051.54

4.71

1050

1050.15

1050.61

1050.92

1051.3

4.19

1050

1050.17

1050.44

1050.94

3.71

1050

1050.11

1050.52

3.26

1050

1050.14

2.85

1050

2.48

1050

2.13

1050

1.8

1050

1.4

1050

1.07

1050

0.67

1050

0.3

1050

0.07

1050

图三水面线变化图

（5）深泓变化

计算逐年深泓变化成表如下：

表五逐年深泓变化高程（m）

距坝里程（km）

0年

2年

4年

6年

8年

10年

水面线

11.52

1057.7

1056.27

1056.26

1056.27

1056.24

1056.25

1056.69

11.03

1056.1

1056.2

10.56

1055

1055.15

10.17

1053.8

1053.83

1054.01

9.78

1053.1

1053.12

1053.32

9.16

1052.4

1052.41

1052.4

1052.41

1052.7

8.72

1051.6

1052.23

1051.77

1051.64

1051.61

1052.29

8.37

1051.3

1051.42

1052.16

1052.09

1051.42

1051.59

1052.27

7.99

1051

1051.37

1052.14

1051.87

1051

1051.71

1052.26

7.43

1050

1051.07

1051.79

1051.89

1051.69

1051.84

1052.22

7.16

1049.7

1051.05

1051.79

1051.92

1051.84

1051.99

1052.18

6.47

1049.1

1050.67

1051.29

1051.65

1051.69

1051.84

1052.02

5.87

1048.6

1050.36

1050.88

1051.35

1051.52

1051.64

1051.81

5.15

1048.1

1050.03

1050.34

1050.9

1051.18

1051.41

1051.54

4.71

1047.6

1049.89

1050.11

1050.57

1050.9

1051.27

1051.3

4.19

1038.9

1040.92

1048.64

1050.05

1050.35

1050.85

1050.94

3.71

1035.2

1035.67

1038.32

1046.56

1050.06

1050.46

1050.52

3.26

1033.6

1034.13

1034.97

1037.76

1047.5

1050.06

1050.14

2.85

1032

1032.97

1035.2

1036.01

1042.32

1050

2.48

1029.7

1029.86

1029.79

1029.99

1032.04

1034.28

1050

2.13

1028.6

1028.63

1029.24

1029.88

1028.84

1029.62

1050

1.8

1028.1

1028.11

1028.1

1029.82

1030.45

1050

1.4

1026.2

1026.22

1026.65

1026.21

1026.58

1050

1.07

1025.8

1025.89

1025.81

1025.89

1025.81

1050

0.67

1025.5

1025.53

1025.51

1026.35

1026.31

1050

0.3

1025.5

1025.52

1025.5

1025.72

1050

0.07

1020.6

1020.67

1020.65

1020.6

1020.72

1050

图四逐年深泓变化图

（6）坝前断面淤积变化

由于是三角形淤积，最靠近坝前断面淤积不是特别严重，为表示更加直观，这里采用LF-19断面作为典型断面分析其淤积情况。

表六坝前断面淤积变化（LF-19断面）高程（m）

起点距（m）

0年

2年

4年

6年

8年

10年

1084.3

5.4

1078.9

10.1

1074.9

17.2

1059

22.5

1059.1

25.5

1054.4

34.1

1048.8

1049.77

1050

42.5

1041.9

1042.87

1045.1

1045.91

1050

58.8

1033.5

1034.47

1036.7

1037.51

1043.82

1032.7

1033.67

1035.9

1036.71

1043.02

95.3

1032.7

1033.67

1035.9

1036.71

1043.02

119.4

1032.8

1033.77

1036

1036.81

1043.12

139.2

1032.8

1033.77

1036

1036.81

1043.12

158.7

1032.7

1033.67

1035.9

1036.71

1043.02

182.8

1032.6

1033.57

1035.8

1036.61

1042.92

206.8

1032.5

1033.47

1035.7

1036.51

1042.82

230.8

1032.5

1033.47

1035.7

1036.51

1042.82

250.2

1032.4

1033.37

1035.6

1036.41

1042.72

265.2

1032.4

1033.37

1035.6

1036.41

1042.72

280

1032.3

1033.27

1035.5

1036.31

1042.62

294.7

1032.4

1033.37

1035.6

1036.41

1042.72

314.4

1032.5

1033.47

1035.7

1036.51

1042.82

333.9

1032.5

1033.47

1035.7

1036.51

1042.82

353.4

1032.3

1033.27

1035.5

1036.31

1042.62

372.7

1032.3

1033.27

1035.5

1036.31

1042.62

406

1032.4

1033.37

1035.6

1036.41

1042.72

420.4

1032.3

1033.27

1035.5

1036.31

1042.62

439.7

1032.2

1033.17

1035.4

1036.21

1042.52

446.2

1032.1

1033.07

1035.3

1036.11

1042.42

464.3

1032.1

1033.07

1035.3

1036.11

1042.42

494

1032

1032.97

1035.2

1036.01

1042.32

518.6

1032.5

1033.47

1035.7

1036.51

1042.82

542.6

1033

1033.97

1036.2

1037.01

1043.32

566.8

1033.1

1034.07

1036.3

1037.11

1043.42

591.7

1036

1036.97

1039.2

1040.01

1046.32

606.6

1038.3

1039.27

1041.5

1042.31

1048.62

626.5

1042

1042.97

1045.2

1046.01

1050

643.3

1048.8

1049.77

1050

648.6

1052.8

663.2

1061.2

681.1

1070.3

695.8

1074.4

708.2

1076.8

图五逐年坝前断面淤积

5、程序源代码及解释说明

programmain

本程序为主程序，主要用来计算丰宁水库10年淤积情况

本程序调用以下程序：

reader用来读取河道断面形态

fw用来计算泥沙沉降速度

writer用来输出计算结果等到文件

level用来计算睡眠线及断面水力要素

ssgg用来计算悬疑质挟沙力和推移质断面输沙率

chongyu用来计算断面冲淤厚度

jianyan用来检验泥沙是否守恒

-----------------定义参数、常数等-------------------------

parameter（nn=27,mm=60,failev=0.5,faidy=0.5,ND=3653,NY=10）

parameter（rs=26.5,r=10.0,rou0=1300,dt=86400,t=15）

dimensionx（mm,2,nn）,rough（nn）,dx（nn）,zlevel（nn）,Q（nn）,Npoint（nn）,b（nn）

dimensiona（nn）,xw（nn）,dxa（nn）,alow（nn）,alow0（nn）,Sx（nn）,Gb（nn）,S（nn）

dimensiondy（nn）,Nday（NY）

data（Nday（m）,m=1,10）/366,731,1096,1461,1827,2192,2557,2922,3288,3653/

d=0.000022!

悬移质泥沙的中值粒径单位m

-----------------打开所需要的读入、输出文件-------------------------

open（10,file='地形.txt',status='old'）

open（11,file='流量沙量.txt',status='old'）

open（12,file='逐年累计淤积量.txt',status='unknown'）

open（13,file='逐年深泓变化.txt',status='unknown'）

open（14,file='逐年水面线变化.txt',status='unknown'）

open（15,file='逐年坝前断面淤积变化.txt',status='unknown'）

open（16,file='逐年水位库容关系变化.txt',status='unknown'）

-----------------读入河床地形糙率等-------------------------

callreader（10,npxt,mm,nn,rough,npoint,dxa,x,alow0,ndisp）

alow=alow0

-----------------计算泥沙沉速------------------------

w=FW（T,r,rs,d,0）

-----------------计算断面间距-----------------------

doi=1,npxt-1

dx（i）=dxa（i）-dxa（i+1）

enddo

-------计算初始时候的水面线、深泓、库容水位关系等，记录到相应文件-------

dwqst=0.0

dWQS=0.0

dWGb=0.0

AVQ=0.0!

用来计算悬移质推移质年均流量库容

q=0.209339625!

流量为第一天流量

zlevel=1050.!

水位为正常蓄水位

calllevel（x,rough,nn,zlevel,dx,Q,npoint,b,a,xw,nn,mm,failev,ndisp）!

初始水面线

输出到文件

callwriter（12,13,14,15,16,0,x,npoint,zlevel,alow,dxa,dx,mm,nn,dWQST,AVQ,dWQS,dWGb,ndisp）

-----------------计算各个来流时段水库的淤积情况——————————————

read（11,*）!

读入来水来沙量

do40i=1,ND

write（*,*）i

read（11,*）M,Q

（1）,zlevel（npxt）,S

（1）,Gb

（1）

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