一种泵站引渠及前池泥沙通量的确定方法及系统与流程

本发明实施例涉及水利工程技术领域，更具体地，涉及一种泵站引渠及前池泥沙通量的确定方法及系统。

背景技术：

泥沙通量是泥沙浓度和速度的乘积，表示单位时间通过单位断面的泥沙量，在泵站引渠及前池含沙动床面的往复流动中，泥沙通量是动态变化的。

工程中广泛使用的泥沙通量都是基于恒定流动的理论推导出来的，不考虑动床面的变化，不包含边界层的非对称性及相位差作用。这导致其缺点是：不能体现动床面的变化以及动床面效应，不能反应泥沙通量相对于水动力条件所需要的时间响应，无法体现边界层的非对称性和大相位差导致的负向净流速和净通量，还会造成对半周期平均泥沙通量的低估。

如何确定包含床面的变化、含边界层的非对称性和相位差的瞬时泥沙通量，是确定往复流动条件下含沙动床面净输沙量的重要基础，也是判断泵站入泵泥沙和水泵磨蚀情况的依据。但到目前为止，如何给出泵站引渠及前池往复流动条件下含沙动床面的泥沙通量，尚未有任何可供借鉴的成果和方法，因此，本发明继续提供一种泵站引渠及前池泥沙通量的确定方法。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的泵站引渠及前池泥沙通量的确定方法及系统。

第一方面本发明实施例提供了一种泵站引渠及前池泥沙通量的确定方法，包括：

获取泵站引渠及前池水体的外边界层流动速度、泥沙与水的密度比值、泥沙粒径以及流动周期；

根据所述外边界层流动速度、所述泥沙与水的密度比值、所述泥沙粒径以及所述流动周期，获取谢尔兹数、泥沙沉降速度和所述泥沙在输沙层内的沉降时间与流动周期的比值，并获取泥沙对流速的相位漂移和泥沙的相位残留；

以所述外边界层流动速度为边界条件，根据所述泥沙粒径、所述流动周期、所述谢尔兹数、所述泥沙沉降速度、所述泥沙对流速的相位漂移和所述泥沙的相位残留，获取含沙动床面受水流侵蚀的深度、往复流边界层厚度和边界层流速超前函数，进而确定泥沙通量。

另一方面本发明实施例提供了一种泵站引渠及前池泥沙通量的确定系统，包括：

第一模块，用于获取泵站引渠及前池水体的外边界层流动速度、泥沙与水的密度比值、泥沙粒径以及流动周期；

第二模块，用于根据所述外边界层流动速度、所述泥沙与水的密度比值、所述泥沙粒径以及所述流动周期，获取谢尔兹数、泥沙沉降速度和所述泥沙在输沙层内的沉降时间与流动周期的比值，并获取泥沙对流速的相位漂移和泥沙的相位残留；

第三模块，用于以所述外边界层流动速度为边界条件，根据所述泥沙粒径、所述流动周期、所述谢尔兹数、所述泥沙沉降速度、所述泥沙对流速的相位漂移和所述泥沙的相位残留，获取含沙动床面受水流侵蚀的深度、往复流边界层厚度和边界层流速超前函数，进而确定泥沙通量。

第三方面本发明实施例提供了包括处理器、通信接口、存储器和总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过总线完成相互间的通信，处理器可以调用存储器中的逻辑指令，以执行第一方面提供的泵站引渠及前池泥沙通量的确定方法。

第四方面本发明实施例提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行第一方面提供的泵站引渠及前池泥沙通量的确定方法。

本发明实施例提供的一种泵站引渠及前池泥沙通量的确定方法及系统，通过所确定的相关相位差、动床面和边界层厚度参数进行设计计算，可以反应瞬时泥沙通量在往复流动过程中相对于水动力条件所需要的时间响应，体现动床面的变化以及动床面效应，避免对半周期平均泥沙通量的低估。

附图说明

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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。

图1为本发明实施例提供的一种泵站引渠及前池泥沙通量的确定方法的流程图；

图2为本发明实施例的实例中采用的非对称往复流流速及边界层厚度；

图3为本发明实施例的实例中确定的非对称往复流动床面瞬时泥沙通量；

图4为本发明实施例的实例中去除相位差作用获得的非对称往复流动床面瞬时泥沙通量；

图5为本发明实施例的实例中确定的净流速和泥沙通量，其中d＝0.1mm；

图6为本发明实施例的实例中确定的净流速和泥沙通量，其中d＝0.25mm；

图7为本发明实施例提供的一种站引渠及前池泥沙通量的确定系统；

图8为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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地描述，显然，所描述的实施例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做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。

图1为本发明实施例提供的一种泵站引渠及前池泥沙通量的确定方法的流程图，包括：

s101，获取泵站引渠及前池水体的外边界层流动速度、泥沙与水的密度比值、泥沙粒径以及流动周期；

s102，根据所述外边界层流动速度、所述泥沙与水的密度比值、所述泥沙粒径以及所述流动周期，获取谢尔兹数、泥沙沉降速度和所述泥沙在输沙层内的沉降时间与流动周期的比值，并获取泥沙对流速的相位漂移和泥沙的相位残留；

s103，以所述外边界层流动速度为边界条件，根据所述泥沙粒径、流动周期、所述谢尔兹数、所述泥沙沉降速度、所述泥沙对流速的相位漂移和所述泥沙的相位残留，获取含沙动床面受水流侵蚀的深度、往复流边界层厚度和边界层流速超前函数，进而确定泥沙通量。

本发明实施例提供的一种泵站引渠及前池泥沙通量的确定方法，通过所确定的相关相位差、动床面和边界层厚度参数进行设计计算，可以反应瞬时泥沙通量在往复流动过程中相对于水动力条件所需要的时间响应，体现动床面的变化以及动床面效应，避免对半周期平均泥沙通量的低估。

在上述实施例中，所述获取泵站引渠及前池水体的外边界层流动速度，具体包括：

测得往复流动的所述外边界层流速，将所述外边界层流速以级数展开，得到在流动周期内的外边界层流速u(t)：

式中，t表示时间；k表示谐波的阶；n表示谐波的阶数；wk表示k阶谐波的振幅；ω是谐波的频率，取值2π/t，t为流动周期；φk表示k阶谐波的迟角；t0表示使u(0)＝0的参数。由于u(t)已测出，此处n、wk、ω、t0、φk都是已知值。

具体地，通过一个实例来对本发明实施例进行说明，假设水体所处已知条件为：一个标准大气压，20℃水温，最大外边界层流动速度um＝1.2m/s，流动周期t＝5s，泥沙粒径d＝1.0×10^-4m，泥沙与水的密度比值s＝2.65，重力加速度g＝9.8m/s²，水的运动粘性系数ν＝1.0×10^-6m²/s。采用非对称的2阶stokes往复流速过程展开为：

u(t)＝0.96cos[2π(t/t-0.214)]+0.24cos[4π(t/t-0.214)]，

如图2所示，对应式(1)的n＝2、wk＝0.96×0.25^k-1m/s、ω＝0.4πs^-1、t0＝-0.18s、φk＝-0.5(k-1)π。

在上述实施例中，所述获取谢尔兹数θ，具体包括：

将测得所述外边界层流动速度、所述泥沙与水的密度比值、所述泥沙粒径以及所述流动周期代入以下第一方程组：

求解所述第一方程组得到所述谢尔兹数；

其中，um是u的最大值，s表示泥沙与水的密度比值，d表示泥沙粒径，t表示流动周期，θm是θ的最大值，f表示含沙动床面的摩擦因子，g表示重力加速度。

具体地，以上述实例继续进行说明，根据第一方程组计算谢尔兹数θ和含沙动床面的摩擦因子f，具体包括：

(1)先假定θm<1，由第一方程组下面的式子得到f＝6.6×10^-3；代入第一方程组上面的式子得到θm＝2.94＞1。假定不成立，进行步骤(2)；

(2)根据θm＞1，将um代入式第一方程组上面的式子、连同第一方程组上面的式子代入第一方程组下面的式子，得到：

从式(2)解得f＝1.0×10^-2，代入第一方程组上面的式子得θm＝4.45，且

θ(t)＝3.09u²(3)

在上述实施例中，所述获取泥沙沉降速度和泥沙在输沙层内的沉降时间与流动周期的比值，具体包括：

将所述根据所述外边界层流动速度、所述泥沙与水的密度比值、所述泥沙粒径、所述流动周期以及所述谢尔兹数代入以下第二方程组：

求解所述第二方程组得到所述泥沙沉降速度和所述泥沙在输沙层内的沉降时间与流动周期的比值；

其中，um是u的最大值，s表示泥沙与水的密度比值，d表示泥沙粒径，t表示流动周期，θm是θ的最大值，g表示重力加速度，w表示泥沙沉降速度，ψ表示泥沙在输沙层内的沉降时间与流动周期的比值，ν表示水的运动粘性系数，θ表示谢尔兹数，u表示外边界层流动速度。

具体地，以上述实例继续进行说明，根据第二方程组计算泥沙沉降速度w和泥沙在输沙层内的沉降时间与流动周期的比值ψ，具体包括：

从第二方程组下面的式子得w＝8.4×10^-3m/s，代入第二方程组上面的式子得ψ＝1.1。

在上述实施例中，所述获取泥沙对流速的相位漂移和泥沙的相位残留，具体包括：

将所述泥沙在输沙层内的沉降时间与流动周期的比值代入以下第三方程组：

求解所述第三方程组，得到所述泥沙对流速的相位漂移和所述泥沙的相位残留；

其中，ψ表示泥沙在输沙层内的沉降时间与流动周期的比值，ψ表示泥沙对流速的相位漂移，α表示泥沙相位的残留，t表示流动周期。

具体地，以上述实例继续进行说明，根据第三方程组计算泥沙对流速的相位漂移ψ和泥沙相位的残留α，具体包括：

从第三方程组上面的式子得ψ＝8.7×10^-1s，从第三方程组下面的式子得α＝8.3×10^-1。

在上述实施例中，所述获取含沙动床面受水流侵蚀的深度和往复流边界层厚度，具体包括：

将所述泥沙粒径、流动周期、谢尔兹数、泥沙沉降速度、泥沙对流速的相位漂移和所述泥沙的相位残留代入以下第四方程组：

求解所述第四方程组，得到所述含沙动床面受水流侵蚀的深度和所述往复流边界层厚度；

其中，um是u的最大值，d表示泥沙粒径，t表示流动周期，θm是θ的最大值，w表示泥沙沉降速度，ψ表示泥沙对流速的相位漂移，α表示泥沙相位的残留，θcr表示临界谢尔兹数，δ表示含沙动床面受水流侵蚀的深度，δb表示往复流边界层厚度，t表示时间，θ表示谢尔兹数，u表示外边界层流动速度。

具体地，以上述实例继续进行说明，根据第四方程组计算侵蚀深度δ和边界层厚度δb，具体包括：

将上述参数以及泥沙对流速的相位漂移ψ和泥沙相位的残留α，代入第四方程组得：

δ(t+0.87)＝(30.54+4.26u²)×10^-4(4)

δb(t)＝0.022×[max(1,3.09u²)]^0.18(5)

在上述实施例中，所述泥沙通量为：

其中，qb表示瞬时泥沙通量，y是垂向坐标，t表示时间，f是边界层流速超前函数，sm是泥沙最大体积浓度，一般取0.6。

具体地，在计算泥沙通量之前，需要计算边界层流速超前函数：

其中，β是动床面流速和切应力相对外边界层流速的相位超前，本发明针对紊流可取值0.32。

以上述实施例中的实例继续进行说明，将sm＝0.6和式(6)代入式泥沙通量的表达式，取β＝0.32得本发明实施例非对称往复流动条件下泥沙体积计的瞬时泥沙通量：

将u(t)、n＝2、wk＝0.96×0.25^k-1m/s、ω＝0.4πs^-1、t0＝-0.18s、φk＝-0.5(k-1)π，式(4)的δ延迟0.87s和式(5)的δb代入式(7)即得图3瞬时泥沙通量分布。作为对比，去除相位差作用的瞬时泥沙通量分布列于图4。

净泥沙通量是<qb>＝<ubsb>，见图5，可分解为<qb>＝qbc+qbw。其中，尖括号代表周期平均值；qbc＝<ub><sb>是净流速带来的净泥沙通量；qbw＝<ub′sb′>是波动流速带来的净泥沙通量；ub′＝ub-<ub>；sb′＝sb-<sb>。增大粒径至d＝0.25mm，重复以上计算步骤，相位差参数减小至ψ＝1.5×10^-1、ψ＝1.2×10^-1s、α＝2.6×10^-1，对应图6的净流速和泥沙通量。

本发明实施例由于采取以上方法，如图2-图6，使瞬时泥沙通量具有考虑动床面变化、边界层非对称性和相位差作用后所带来的以下3个优点：

(一)能体现动床面的变化以及动床面效应。

泥沙通量建立在侵蚀深度δ的动床面上，本发明实施例体现了动床面随着水流周期性变化，因而能体现弱相位差作用时经典的动床面效应，如图6。由于正向半周期(t/t＝0.00～0.42)流动强度大于负向半周期(t/t＝0.42～1.00)，对于弱相位差作用的d＝0.25mm情形，输沙层底部的泥沙仅能在正向大流速阶段运动，从而图6输沙层底部的净流速和净泥沙通量均为正。

(二)能避免对半周期平均泥沙通量的低估。

强相位差作用时，由于较大的相位残留，流动峰值阶段(t/t＝0.21附近)扬起泥沙会被带入其余阶段增强其泥沙通量，且流动转向时刻t/t＝0.00、0.43的泥沙通量非0，如图3。而图4去除相位差作用后，流动转向时刻t/t＝0.00、0.43的泥沙通量不合理地减为0；其余时刻的泥沙通量迅速减少，会造成对正向半周期(t/t＝0.00～0.42)或者负向半周期(t/t＝0.42～1.00)平均泥沙通量的低估。

(三)能反应边界层的非对称性和大相位差导致的负向净流速和净通量。

2阶stokes流动是一种典型的非对称往复流，图2实线的边界层厚度也是非对称的，负向半周期(t/t＝0.42～1.00)的边界层厚度较正向半周期(t/t＝0.00～0.42)薄，对应相对较强的负向流动的边界层流速。大相位差使含沙层表面(y＝-δ)几乎不变、无动床面效应，从而产生负向边界层净流速，如图5。大相位差使泥沙浓度变化很小，即泥沙波动部分浓度sb′和带来的净泥沙通量qbw＝<ub′sb′>趋于0。由此，<qb>＝qbc+qbw＝qbc＝<ub><sb>，即总净泥沙通量等于净流速带来的负向净泥沙通量，如图5。

其中，在图2中，t/t是无量纲的时间；u/um是无量纲的外边界层流速；δb/δbm是无量纲的边界层厚度。在图3中，qb是以体积计的泥沙通量；t/t是无量纲的时间；y是垂向坐标，其中y＝0处为初始床面。在图4中，qb是以体积计的泥沙通量；t/t是无量纲的时间；y是垂向坐标，其中y＝0处为初始床面。在图5中，y是垂向坐标，其中y＝0处为初始床面；<qb>是净泥沙通量；qbc是净流速带来的净泥沙通量；qbw是波动部分带来的净泥沙通量；尖括号代表周期平均值；此图对应泥沙粒径0.1mm。在图6中，y是垂向坐标，其中y＝0处为初始床面；<qb>是净泥沙通量；qbc是净流速带来的净泥沙通量；qbw是波动部分带来的净泥沙通量；尖括号代表周期平均值；此图对应泥沙粒径0.25mm。

图7为本发明实施例提供的一种站引渠及前池泥沙通量的确定系统的结构框图，如图7所示，包括：第一模块701、第二模块702以及第三模块703。其中：

第一模块701用于获取泵站引渠及前池水体的外边界层流动速度、泥沙与水的密度比值、泥沙粒径以及流动周期。第二模块702用于根据所述外边界层流动速度、所述泥沙与水的密度比值、所述泥沙粒径以及所述流动周期，获取谢尔兹数、泥沙沉降速度和所述泥沙在输沙层内的沉降时间与流动周期的比值，并获取泥沙对流速的相位漂移和泥沙的相位残留。第三模块703用于以所述外边界层流动速度为边界条件，根据所述泥沙粒径、所述流动周期、所述谢尔兹数、所述泥沙沉降速度、所述泥沙对流速的相位漂移和所述泥沙的相位残留，获取含沙动床面受水流侵蚀的深度、往复流边界层厚度和边界层流速超前函数，进而确定泥沙通量。

具体地，本发明实施例中各模块的作用与操作流程与上述方法类实施例是一一对应的，在此不再赘述。

本发明实施例提供的一种泵站引渠及前池泥沙通量的确定系统，通过所确定的相关相位差、动床面和边界层厚度参数进行设计计算，可以反应瞬时泥沙通量在往复流动过程中相对于水动力条件所需要的时间响应，体现动床面的变化以及动床面效应，避免对半周期平均泥沙通量的低估。

图8为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图，如图8所示，电子设备包括：处理器(processor)801、通信接口(communicationsinterface)802、存储器(memory)803和总线804，其中，处理器801，通信接口802，存储器803通过总线804完成相互间的通信。处理器801可以调用存储器803中的逻辑指令，以执行如下方法，例如包括：获取泵站引渠及前池水体的外边界层流动速度、泥沙与水的密度比值、泥沙粒径以及流动周期；根据所述外边界层流动速度、所述泥沙与水的密度比值、所述泥沙粒径以及所述流动周期，获取谢尔兹数、泥沙沉降速度和所述泥沙在输沙层内的沉降时间与流动周期的比值，并获取泥沙对流速的相位漂移和泥沙的相位残留；以所述外边界层流动速度为边界条件，根据所述泥沙粒径、所述流动周期、所述谢尔兹数、所述泥沙沉降速度、所述泥沙对流速的相位漂移和所述泥沙的相位残留，获取含沙动床面受水流侵蚀的深度、往复流边界层厚度和边界层流速超前函数，进而确定泥沙通量。

上述的存储器802中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：获取泵站引渠及前池水体的外边界层流动速度、泥沙与水的密度比值、泥沙粒径以及流动周期；根据所述外边界层流动速度、所述泥沙与水的密度比值、所述泥沙粒径以及所述流动周期，获取谢尔兹数、泥沙沉降速度和所述泥沙在输沙层内的沉降时间与流动周期的比值，并获取泥沙对流速的相位漂移和泥沙的相位残留；以所述外边界层流动速度为边界条件，根据所述泥沙粒径、所述流动周期、所述谢尔兹数、所述泥沙沉降速度、所述泥沙对流速的相位漂移、所述泥沙的相位残留和边界层流速超前函数，获取含沙动床面受水流侵蚀的深度和往复流边界层厚度，进而确定泥沙通量。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：rom、ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所描述的通信设备等实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。