耦合河床冲淤演变与湿周响应的河道生态流量控制方法与流程

本技术涉及水利环境工程，尤其涉及耦合河床冲淤演变与湿周响应的河道生态流量控制方法。

背景技术：

1、生态流量是维系河流生态结构与功能的水文学基础，其直接关系到河流生态保护、水资源调度及河道生态修复的实施效果，尤其对于多沙河流及冲淤活跃河段，生态基流能否真实反映动态变化的河道水力条件尤为关键。

2、当前，传统的河道生态流量控制方法基于固定河道断面计算生态流量阈值，但对于存在明显河床冲淤演变的河段，河床地形会随着水沙输移过程持续发生变化，传统方法未考虑河床冲淤演变对断面形态及湿周响应关系的动态影响，容易出现生态流量阈值识别失真、计算稳定性不足以及对多沙河流适应性较差等问题，从而影响生态流量控制的精确度与可靠性。

3、因此，对于多沙河流及冲淤活跃河段，如何提高对生态流量控制的精确度与可靠性，是目前亟需解决的一个问题。

技术实现思路

1、本技术的主要目的在于提供一种耦合河床冲淤演变与湿周响应的河道生态流量控制方法，旨在解决对于多沙河流及冲淤活跃河段，如何提高对生态流量控制的精确度与可靠性的技术问题。

2、为实现上述目的，本技术提出一种耦合河床冲淤演变与湿周响应的河道生态流量控制方法，所述的方法包括：

3、获取目标河流的基础数据集，基于所述基础数据集构建水动力泥沙耦合模型，并通过水动力泥沙耦合模型分别模拟所述目标河流在多个工况下的河床冲淤过程，得到各工况下的河床冲淤厚度；

4、基于所述河床冲淤厚度，更新所述目标河流的河道断面几何形态，得到更新后的河道断面几何形态；

5、基于所述更新后的河道断面几何形态，重构湿周与流量之间的动态响应关系，并基于所述动态响应关系，确定所述目标河流的生态流量阈值；

6、根据所述生态流量阈值生成并输出控制指令，所述控制指令用于控制目标河流上游水利工程泄放流量。

7、在一实施例中，所述获取目标河流的基础数据集，基于所述基础数据集构建水动力泥沙耦合模型，并通过水动力泥沙耦合模型分别模拟所述目标河流在多个工况下的河床冲淤过程，得到各工况下的河床冲淤厚度的步骤，包括：

8、获取目标河流的基础数据集，基于所述目标河流的基础数据集对所述目标河流进行矢量化处理，建立河道几何文件，所述基础数据集包括测绘数据、水文数据以及气象数据；

9、基于质量守恒与动量守恒构建水动力控制方程，并基于泥沙连续方程构建的泥沙输移控制方程，所述泥沙输移控制方程用于通过泥沙输移不平衡计算河床高程变化；

10、基于所述河道几何文件确定水动力泥沙耦合模型的初始条件和边界条件；

11、基于所述初始条件和边界条件、所述水动力控制方程以及所述泥沙输移控制方程，确定水动力泥沙耦合模型；

12、将河床糙率、泥沙孔隙率以及水力坡度输入水动力泥沙耦合模型，分别模拟所述目标河流在各工况下的河床冲淤过程，获取各工况下目标河流特征断面上各高程点的河床高程变化量，将所述河床高程变化量作为河床冲淤厚度，所述工况包括丰水期、平水期和枯水期。

13、在一实施例中，所述基于所述河床冲淤厚度，更新所述目标河流的河道断面几何形态，得到更新后的河道断面几何形态的步骤，包括：

14、提取所述目标河流特征断面上各高程点的河床高程变化量；

15、将各高程点的所述河床高程变化量分别叠加至对应高程点的原始高程上，得到各高程点更新后的高程值；

16、基于所有高程点更新后的高程值，生成更新后的河道断面几何形态。

17、在一实施例中，所述获取各工况下目标河流特征断面上各高程点的河床高程变化量，将所述河床高程变化量作为河床冲淤厚度的步骤之后，还包括：

18、基于所述特征断面上各高程点的河床高程变化量及各高程点对应的水深，计算河床演变率，所述河床演变率用于指示所述河道断面几何形态的变化剧烈程度；

19、判断当前计算时段的所述河床演变率是否大于预设阈值；

20、若当前计算时段的所述河床演变率大于预设阈值，则执行所述基于所述更新后的河道断面几何形态，重构湿周与流量之间的动态响应关系的步骤；

21、若当前计算时段的所述河床演变率小于或等于预设阈值，则沿用前一计算时段的所述动态响应关系或所述生态流量阈值。

22、在一实施例中，所述基于所述更新后的河道断面几何形态，重构湿周与流量之间的动态响应关系，并基于所述动态响应关系，确定所述目标河流的生态流量阈值的步骤，包括：

23、基于所述更新后的河道断面几何形态，利用曼宁公式与谢才公式的推导关系式计算预设流量序列下各流量值对应的湿周值，生成湿周序列；

24、根据连续可导函数对所述湿周序列与所述预设流量序列进行拟合，构建用于表征湿周与流量对应关系的拟合函数，根据所述拟合函数确定动态响应关系；

25、基于所述动态响应关系，根据曲率计算公式计算所述拟合函数在各流量值处的曲率；

26、基于曲率的变化确定生态流量阈值，其中，曲率峰值所对应的流量值为目标河流的生态流量阈值。

27、在一实施例中，所述控制指令包括初始控制指令，所述根据所述生态流量阈值生成并输出控制指令的步骤，包括：

28、将所述生态流量阈值与水利工程的实际运行约束条件进行比对，生成初始控制指令，所述控制指令用于调节水利工程泄流设施开度；其中，所述实际运行约束条件包括发电机组运行状态、汛期防洪限制水位和分汛期补枯调度规则中的至少一种；

29、将所述初始控制指令发送至所述水利工程的执行机构，所述执行机构包括闸门控制器、阀门控制器或机组调速器中的至少一种。

30、在一实施例中，所述控制指令还包括目标控制指令，所述将所述初始控制指令发送至所述水利工程的执行机构的步骤之后，还包括：

31、在水利工程执行所述初始控制指令之后，获取实际下泄流量监测数据；

32、基于所述实际下泄流量监测数据，重新执行所述水动力泥沙耦合模型的模拟计算，获取更新后的河床冲淤厚度；

33、基于所述更新后的河床冲淤厚度，返回所述基于所述河床冲淤厚度，更新所述目标河流的河道断面几何形态，得到更新后的河道断面几何形态的步骤，直至相邻两次迭代计算得到的生态流量阈值之间的差值小于预设收敛阈值时，停止迭代并将当前控制指令作为目标控制指令输出。

34、此外，为实现上述目的，本技术还提出一种耦合河床冲淤演变与湿周响应的河道生态流量控制装置，所述耦合河床冲淤演变与湿周响应的河道生态流量控制装置包括：

35、数据获取模块，用于获取目标河流的基础数据集，基于所述基础数据集构建水动力泥沙耦合模型，并通过水动力泥沙耦合模型分别模拟所述目标河流在多个工况下的河床冲淤过程，得到各工况下的河床冲淤厚度；

36、形态更新模块，用于基于所述河床冲淤厚度，更新所述目标河流的河道断面几何形态，得到更新后的河道断面几何形态；

37、流量确定模块，用于基于所述更新后的河道断面几何形态，重构湿周与流量之间的动态响应关系，并基于所述动态响应关系，确定所述目标河流的生态流量阈值；

38、指令输出模块，用于根据所述生态流量阈值生成并输出控制指令，所述控制指令用于控制目标河流上游水利工程泄放流量。

39、此外，为实现上述目的，本技术还提出一种电子设备，所述电子设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序配置为实现如上文所述的耦合河床冲淤演变与湿周响应的河道生态流量控制方法的步骤。

40、此外，为实现上述目的，本技术还提出一种非暂态计算机存储介质，所述非暂态计算机存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上文所述的耦合河床冲淤演变与湿周响应的河道生态流量控制方法的步骤。

41、本技术提出的一个或多个技术方案，至少具有以下技术效果：

42、获取目标河流的基础数据集，基于基础数据集构建水动力泥沙耦合模型，并通过水动力泥沙耦合模型分别模拟目标河流在多个工况下的河床冲淤过程，得到各工况下的河床冲淤厚度；基于河床冲淤厚度，更新目标河流的河道断面几何形态，得到更新后的河道断面几何形态；基于更新后的河道断面几何形态，重构湿周与流量之间的动态响应关系，并基于动态响应关系，确定目标河流的生态流量阈值；根据生态流量阈值生成并输出控制指令，控制指令用于控制目标河流上游水利工程泄放流量。获取目标河流基础数据并构建水动力泥沙耦合模型以模拟多工况下河床冲淤厚度，解决了传统方法默认断面形态不变导致无法反映真实河床演变的技术问题，实现了对冲淤演变过程的精细化量化表征，确保了后续计算基础的真实性。采用了基于冲淤厚度动态更新河道断面几何形态的技术手段，解决了静态断面与动态河流实际形态脱节的技术问题，实现了对河道过水能力的实时校准，消除了因断面变形带来的计算偏差。采用了基于更新后断面重构湿周与流量动态响应关系并确定生态流量阈值的技术手段，解决了传统湿周法在冲淤河段阈值识别失真及不稳定的技术问题，实现了生态流量阈值的自适应动态修正，显著提升了计算结果的精确度与可靠性。根据生态流量阈值直接生成并输出控制指令以调控上游水利工程泄放流量，实现了从理论计算到工程执行的闭环控制，满足了多沙河流生态流量精细化管理的实际应用需求。