一种输水明渠水流加速方法及系统与流程

1.本发明涉及明渠输水工程领域，具体涉及一种输水明渠水流加速方法及系统。


背景技术：

2.我国水资源空间分布极不均衡，南方水多，北方水少，资源性缺水成为制约我国尤其是北方地区经济社会发展的重要因素。长距离输水工程是解决我国水资源空间分布不均，资源性缺水的重要水资源优化配置工程措施，是我国水安全的重要保障。
3.为解决渠道输水能力不足的问题，本发明另辟蹊径，利用明渠设计安全富余度，采用轴流泵增加水流流速的方式，增大中线工程渠道输水能力，解决渠道糙率增加后输水能力不足的问题。该项技术步骤简明、成果可靠、易于操作，是一种提高明渠长距离输水能力的有效途径。


技术实现要素：

4.针对上述所显示出来的问题，本发明提供了一种采用轴流泵增加水流流速的方法，增大渠道输水能力，解决渠道糙率增加后输水能力不足的问题。
5.为了上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种输水明渠水流加速方法，包括以下步骤：
7.获取输水明渠的设计参数变化率；
8.基于所述设计参数变化率，确定输水明渠渠道的当前输水能力；
9.判断所述当前输水能力是否合格，若是，无需进行后续操作，否则，根据所述当前输水能力确定待增加的过流量和水头；
10.采用一维模型分析计算出增加了过流量和水头后的输水明渠的明渠水面线。
11.优选的，所述获取输水明渠的设计参数变化率，包括：
12.收集所述输水明渠的初始相关设计和实测资料；
13.对所述初始相关设计和实测资料进行解析以确定输水明渠的初始设计流量、初始设计水位、初始渠道纵坡、初始断面形态以及初始糙率系数，将其统计为初始设计向量；
14.根据实测资料确定输水明渠的当前设计流量、当前设计水位、当前渠道纵坡、当前断面形态以及当前糙率系数，将其统计为当前检测向量；
15.根据所述初始设计向量与当前检测向量的比值确定输水明渠的设计参数变化率。
16.优选的，所述基于所述设计参数变化率，确定输水明渠渠道的当前输水能力，包括：
17.利用预设水力学公式计算出输水明渠渠道在均匀流情况下的均匀水流量和在断面渠道的过水断面面积、湿周以及水力半径，获取第一计算结果；
18.根据所述设计参数变化率评估出第一计算结果的偏差度；
19.根据所述第一计算结果的偏差度结合所述第一计算结果生成输水明渠渠道在当前水流参数下的第二计算结果；
20.根据所述第二计算结果评估出输水明渠渠道的当前输水能力。
21.优选的，判断所述当前输水能力是否合格，若是，无需进行后续操作，否则，根据所述当前输水能力确定待增加的过流量和水头，包括：
22.将所述当前输水能力与设计输水能力进行比较，获取比较结果；
23.若所述比较结果为当前输水能力大于等于设计输水能力，无需进行后续操作，如所述比较结果为当前输水能力小于所述设计输水能力，确认所述当前输水能力不合格；
24.在确认当前输水能力不合格时，计算所述设计输水能力和当前输水能力的差值；
25.根据所述差值以及每个水头的最大水流量确定待增加的过流量和水头。
26.优选的，在判断所述当前输水能力是否合格，若是，无需进行后续操作，否则，根据所述当前输水能力确定待增加的过流量和水头之后，采用一维模型分析计算出增加了过流量和水头后的输水明渠的明渠水面线之前，所述方法还包括：
27.根据所待增加的过流量和水头确定输水明渠增加水流流速的渠道间距；
28.获取所述输水明渠的断面参数，根据所述断面参数和输水明渠增加水流流速的渠道间距确定待设置轴流泵的目标类型；
29.基于所述目标类型，获取多个该类型的轴流泵设计参数；
30.根据输水明渠增加水流流速的渠道间距和多个该类型的轴流泵设计参数选择适配的目标轴流泵并确定其数量和尺寸。
31.优选的，所述采用一维模型分析计算出增加了过流量和水头后的输水明渠的明渠水面线，包括：
32.调取与输水明渠相关的水文资料和时间序列文件；
33.获取所述输水明渠对应的边界文件、参数文件、河网文件以及断面文件；
34.根据所述边界文件、参数文件、河网文件、断面文件、水文资料和时间序列文件生成模拟文件，基于所述模拟文件，构建所述一维模型；
35.利用所述一维模型模拟经由所述输水明渠的河流或河口的水流状态；
36.采用六点隐式差分格式方式计算出输水明渠在每一个网格点不同时的水位和流量；
37.根据输水明渠在每一个网格点不同时的水位和流量绘制增加了过流量和水头后的输水明渠的明渠水面线。
38.优选的，所述方法还包括：
39.对所述输水明渠的明渠水面线进行分析，获取分析结果；
40.根据所述分析结果与目标轴流泵的数量和尺寸生成输水明渠渠道的纵剖面泵站布置示意图和横断面布置示意图；
41.将所述纵剖面泵站布置示意图和横断面布置示意图上传至工作人员终端进行显示。
42.优选的，确定目标轴流泵的数量和尺寸的步骤包括：
43.基于所述初始相关设计，在预设空间内建立虚拟渠道模型；
44.基于所述实测资料，在所述虚拟渠道模型中建立虚拟水头，构建虚拟明渠模型；
45.根据所述虚拟水头在所述虚拟明渠模型中的位置将所述虚拟明渠划分为若干数量的第一子渠段；
46.运行所述虚拟明渠模型，当预设时间段内所述虚拟明渠模型中的总水流量小于标准流动量时，生成动态检测指令；
47.基于所述动态检测指令控制所述虚拟明渠模型运行，获取所述预设时间段内每一第一子渠段对应的第一水位线；
48.基于每一第一子渠段的外形以及所述第一水位线，获取每一第一子渠段对应的第一剩余容水量，获取所述虚拟明渠模型的总剩余容水量；
49.将所述总剩余容水量输入到所述虚拟明渠模型并运行，获取每一第一子渠段对应的溢出水量；
50.根据所述溢出水量为对应的第一子渠段匹配对应尺寸的第一轴流泵，构建并运行第一虚拟检测模型；
51.运行所述第一虚拟检测模型，并以预设步长调节所述第一轴流泵在对应第一子段中的位置，并记录所述第一轴流泵设置所述第一子段中每一位置时对应的第一溢出水量；
52.获取第一溢出水量最小时所述第一轴流泵的最佳位置，生成第一最佳结果；
53.基于所述第一最佳结果，构建并运行第二虚拟检测模型，获取所述第二虚拟检测模型中每一第二子渠段对应的第二溢出水量，根据所述第二溢出水量为对应的第二子渠段匹配对应尺寸的第二轴流泵；
54.获取所述第二轴流泵在所述第二子段中的第二最佳结果；
55.持续修正虚拟检测模型，直到所述修正虚拟明渠模型的总溢出水量为0，获取当前最佳结果，确定所述轴流泵的间距、数量、尺寸。
56.优选的，将明渠划分为若干数量的第一子渠段；基于每一第一子渠段的外形以及所述第一水位线，获取每一第一子渠段对应的第一剩余容水量的步骤包括：
57.基于所述第一子渠段的外形确定出所述第一子渠段对应的容量随水位的变化函数和总容量；
58.确定与所述第一子渠段相邻的前一第一子渠段对应的总配水量和后一第一子渠段对应的总配水量；
59.基于所述第一子渠段对应前一第一子渠段对应的总配水量以及后一第一子渠段对应的总配水量，计算出所述第一子渠段对应的渗水流失量：
[0060][0061]
式中，d为所述第一子渠段对应的渗水流失量，α为所述第一子渠段对应的渗水系数，l为所述第一子渠段对应的总容量，δ为所述第一子渠段周围的土地渗水系数，β1为所述第一子渠段被地下流水冲击的渗水流失校正系数，β2为所述第一子渠段衬砌渠道渗水流失校正系数，w1为所述第一子渠段对应的前一第一子渠段对应的总配水量，w2为所述第一子渠段对应的后一第一子渠段对应的总配水量；t1为第一子渠段对应的渗水时间；t2为第一子渠段周围的土地的渗水时间；
[0062]
基于所述第一子渠段对应的容量随水位的变化函数和所述渗水流失量以及所述第一水位线，计算出所述第一子渠段对应的第一剩余容水量：
[0063]drest
＝d
′
(h)-d
[0064]
式中，d
rest
为所述第一子渠段对应的第一剩余容水量，d
′
(h)即为基于所述第一水
位线和容量随水位的变化函数确定出的初始剩余容水量，h为第一水位线。
[0065]
一种输水明渠水流加速系统，该系统包括：
[0066]
获取模块，用于获取输水明渠的设计参数变化率；
[0067]
确定模块，用于基于所述设计参数变化率，确定输水明渠渠道的当前输水能力；
[0068]
判断模块，用于判断所述当前输水能力是否合格，若是，无需进行后续操作，否则，根据所述当前输水能力确定待增加的过流量和水头；
[0069]
计算模块，用于采用一维模型分析计算出增加了过流量和水头后的输水明渠的明渠水面线。
[0070]
优选的，所述系统还包括：检测模块，将明渠分成若干数量的第二子渠段，每一子渠段均设置一检测模块，所述检测模块用于获取其所在的第二子渠段的实际明渠信息，所述实际明渠信息包括：实际明渠水量信息、实际明渠水质信息、实际明渠环境信息；所述实际明渠水量信息包括：实际明渠水含量信息、实际水位信息、实际明渠水流量信息和实际明渠水流速信息；所述实际明渠环境信息包括：实际第二子渠段障碍物信息、实际第二子渠段边界信息；
[0071]
处理模块，与所述检测模块电连接，用于获取检测模块的明渠位置信息及对应的所述明渠信息；用于根据所述实际明渠环境信息、及预设明渠环境评估规则确定明渠实际取水难度等级；用于根据所述实际明渠水质信息及预设明渠水质评估规则确定明渠水质等级；用于根据所述实际明渠水量信息、明渠实际取水难度等级、明渠水质等级以及预设取水方案集确定目标取水方案，所述目标取水方案包括；对第二子渠段的取水前处理方案，以及取水轴流泵在第二子渠段的布置位置；
[0072]
预测模块，用于根据前一检测时间段的实际明渠水含量信息、当前检测时间段的实际明渠水含量信息、明渠位置信息以及实际明渠环境信息，预测下一检测时间段的预测明渠水含量信息；
[0073]
气候信息获取模块，用于获取明渠的所处环境的气候信息，所述气候信息包括：环境风速、环境温度；
[0074]
修正模块，用于基于所述气候信息获取模块对所述下一检测时间段的预测明渠水含量信息进行修正。
[0075]
方案确定模块，基于所述目标取水方案、当前检测时间段的实际明渠水含量信息、修正后的下一检测时间段的预测明渠水含量信息确定取水轴流泵的布置方案以及轴流泵的工作参数。
[0076]
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
[0077]
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0078]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0079]
图1为本发明提供的一种输水明渠水流加速方法的工作流程图；
[0080]
图2为本发明实施例中输水明渠典型横断面示意图；
[0081]
图3为本发明提供的一种输水明渠水流加速方法的另一工作流程图；
[0082]
图4为本发明提供的一种输水明渠水流加速方法的又一工作流程图；
[0083]
图5为本发明实施例中明渠水位计算示意图；
[0084]
图6为本发明实施例中一维水动力模型计算时水位点和流量点交替布置示意图；
[0085]
图7为本发明实施例中一维水动力模型通过abbott-ionescu六点隐式格式求解圣维南方程组过程示意图；
[0086]
图8为本发明实施例中一维水动力模型建模流程图；
[0087]
图9为本发明实施例中一维水动力模型计算得到的渠道水面线图；
[0088]
图10为本发明实施例中渠道轴流泵纵剖面布置示意图；
[0089]
图11为本发明实施例中渠道轴流泵横断面布置示意图；
[0090]
图12为本发明提供的一种输水明渠水流加速系统的结构示意图；
[0091]
图13为泵的型号组成图。
具体实施方式
[0092]
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0093]
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本发明，其仅仅是为了区别以相同技术用语描述的组件或操作而已，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案以及技术特征可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
[0094]
我国水资源空间分布极不均衡，南方水多，北方水少，资源性缺水成为制约我国尤其是北方地区经济社会发展的重要因素。据统计我国669座城市中有 400座供水不足，110座严重缺水。长距离输水工程是解决我国水资源空间分布不均，资源性缺水的重要水资源优化配置工程措施，是我国水安全的重要保障。
[0095]
为了解决上述问题，本实施例公开了一种输水明渠水流加速方法。
[0096]
一种输水明渠水流加速方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0097]
步骤s101、获取输水明渠的设计参数变化率；
[0098]
步骤s102、基于所述设计参数变化率，确定输水明渠渠道的当前输水能力；
[0099]
步骤s103、判断所述当前输水能力是否合格，若是，无需进行后续操作，否则，根据所述当前输水能力确定待增加的过流量和水头；
[0100]
步骤s104、采用一维模型分析计算出增加了过流量和水头后的输水明渠的明渠水面线。
[0101]
上述技术方案的工作原理为：获取输水明渠的设计参数变化率，基于所述设计参数变化率，确定输水明渠渠道的当前输水能力，判断所述当前输水能力是否合格，若是，无需进行后续操作，否则，根据所述当前输水能力确定待增加的过流量和水头，采用一维模型
分析计算出增加了过流量和水头后的输水明渠的明渠水面线。
[0102]
上述技术方案的有益效果为：通过评估输水明渠的当前水输水能力进而根据其确定待增加的过流量和水头进而设置轴流泵增加水流流速来直观地提高输水明渠的运输水能力，提高了整体的工程工作效率和工作人员的体验感，解决了现有工程中由于渠道混凝土表面附着贝壳类生物等原因，工程糙率由原设计糙率0.014上升到了0.017，使得渠道输水能力大幅下降，影响了工程效益发挥的问题。
[0103]
在一个实施例中，所述获取输水明渠的设计参数变化率，包括：
[0104]
收集所述输水明渠的初始相关设计参数；
[0105]
对所述初始相关设计和实测资料进行解析以确定输水明渠的初始设计流量、初始设计水位、初始渠道纵坡、初始断面形态以及初始糙率系数，将其统计为初始设计向量；
[0106]
对所述输水明渠进行数据实测，根据实测结果确定输水明渠的当前设计流量、当前设计水位、当前渠道纵坡、当前断面形态以及当前糙率系数，将其统计为当前检测向量；
[0107]
根据所述初始设计向量与当前检测向量的比值确定输水明渠的设计参数变化率；
[0108]
渠道典型断面图如图2所示。
[0109]
上述技术方案的有益效果为：通过根据实际设计参数和预设设计参数的比值来确定输水明渠的设计参数变化率可以更加直观和客观地确定输水明渠的设计参数变化率，保证评估结果的实际性和准确性。
[0110]
在一个实施例中，如图3所示，所述基于所述设计参数变化率，确定输水明渠渠道的当前输水能力，包括：
[0111]
步骤s301、利用预设水力学公式计算出输水明渠渠道在均匀流情况下的均匀水流量和在断面渠道的过水断面面积、湿周以及水力半径，获取第一计算结果；
[0112]
步骤s302、根据所述设计参数变化率评估出第一计算结果的偏差度；
[0113]
步骤s303、根据所述第一计算结果的偏差度结合所述第一计算结果生成输水明渠渠道在当前水流参数下的第二计算结果；
[0114]
步骤s304、根据所述第二计算结果评估出输水明渠渠道的当前输水能力；在本实施例中，按明渠均匀流考虑，其流量表达式为：
[0115]
q＝va
ꢀꢀꢀ
(2-1)
[0116]
根据明渠均匀流的性质和特性可知，明渠恒定均匀流的总水头线、水面线和渠底线互相平行，即
[0117]
j＝水面线坡度j
p
＝i
ꢀꢀꢀ
(2-2)
[0118]
明渠水力计算中流速与水头损失的关系式多用谢才公式，即因为明渠恒定均匀流时水力坡度j＝i，使得问题大为简化，得
[0119][0120]
明渠流动多处于阻力平方区，此时可以用曼宁公式计算谢才系数c，即
[0121][0122]
将曼宁公式带入谢才公式便可得到
[0123][0124]
综上，得到明渠恒定均匀流的流量表达式为
[0125][0126]
对于对称的梯形断面渠道，过水断面面积
[0127]
a＝(b mh)h
ꢀꢀꢀ
(2-7)
[0128]
湿周
[0129][0130]
水力半径
[0131][0132]
根据上述水力学公式对渠道的现状输水能力进行复核，采用典型断面进行计算，现状糙率采用0.017，计算得到河道设计水深7m条件下的过流能力为 286m3/s，相较于设计流量320m3/s降低了11％。(按设计糙率0.015计算得到的设计水深7m条件下过流能力为324.6m3/s)。
[0133]
上述技术方案的有益效果为：通过利用水力学公式来计算出输水明渠的当前输水参数进而评估出其输水能力，可根据输水明渠的当前输水实时状况来评估出其当前输水能力，使得评估结果更加客观和无误差。
[0134]
在一个实施例中，如图4所示，判断所述当前输水能力是否合格，若是，无需进行后续操作，否则，根据所述当前输水能力确定待增加的过流量和水头，包括：
[0135]
步骤s401、将所述当前输水能力与设计输水能力进行比较，获取比较结果；
[0136]
步骤s402、若所述比较结果为当前输水能力大于等于设计输水能力，无需进行后续操作，如所述比较结果为当前输水能力小于所述设计输水能力，确认所述当前输水能力不合格；
[0137]
步骤s403、在确认当前输水能力不合格时，计算所述设计输水能力和当前输水能力的差值；
[0138]
步骤s404、根据所述差值以及每个水头的最大水流量确定待增加的过流量和水头；
[0139]
在本实施例中，已知流量q、底坡i、糙率n和断面形状及有关尺寸，求正常水深h0.
[0140]
由上述水力学公式得
[0141][0142]
则可以求解出正常水深，这是一个非线性方程的求解问题，可以用试算法、迭代法、二分法等方法求解。本实施例中采用试算法求解梯形渠道断面正常水深，即假设一系列水深值h
′
，计算出相应的流量q
′
,满足q
′
＝q的h
′
即为正常水深。
[0143]
通过试算得到，现状河道设计流量320m3/s所对应的河道水深为7.50m，断面平均流速为1.10m/s。若将流量增加30％，则可增加最大输水流量至370m3/s。此时不能按照明渠
恒定均匀流考虑，而明渠恒定非均匀流的水深h＝h(s)，过水断面面积a＝a(h,s)和断面平均流速v＝v(h,s)沿流程变化，此时水力坡度 j≠底坡i，不能用式(2-6)计算水深和流量等，而必须采用能量方程。
[0144]
根据能量方程
[0145][0146]
式中：zi、z
i 1
为上、下游断面水位(m)；
[0147]
vi、v
i 1
为上、下游断面平均流速(m/s)；
[0148]hw
为沿程水头损失。
[0149]
该方程可用于分析、计算明渠水位z的沿程变化，水位计算结果如图4所示；
[0150]
z＝zb h cosθ
ꢀꢀꢀ
(3-3)
[0151]
得
[0152][0153]
从总水头中减去渠底高程，便得到断面比能es，即
[0154][0155]
得到断面比能形式的明渠恒定流动的能量方程
[0156][0157]
上下游断面间距为ds，不计局部损失，则
[0158][0159]hw
＝jds
ꢀꢀꢀ
(3-9)
[0160][0161]
得到明渠恒定渐变流的基本微分方程式
[0162][0163]
通过试算，当增加流量至370m3/s时，下游断面平均流速增加至1.29m/s 时，增加水头大小为0.238m，增加断面比能为0.038m，可补充长度为5km的明渠输水的沿程水头损失，即为提高渠道输水能力，需要通过设泵来增加水流流速的渠道间距为5km。
[0164]
上述技术方案的有益效果为：通过根据所述差值以及每个水头的最大水流量确定待增加的过流量和水头可以精准地评估出输水明渠的损失水流量进而快速地确定待增加的过流量和水头，提高了实用性。
[0165]
在一个实施例中，判断所述当前输水能力是否合格，若是，无需进行后续操作，否则，根据所述当前输水能力确定待增加的过流量和水头之后，采用一维模型分析计算出增加了过流量和水头后的输水明渠的明渠水面线之前，所述方法还包括：
[0166]
根据所待增加的过流量和水头确定输水明渠增加水流流速的渠道间距；
[0167]
获取所述输水明渠的断面参数，根据所述断面参数和输水明渠增加水流流速的渠道间距确定待设置轴流泵的目标类型；
[0168]
基于所述目标类型，获取多个该类型的轴流泵设计参数；
[0169]
根据输水明渠增加水流流速的渠道间距和多个该类型的轴流泵设计参数选择适配的目标轴流泵并确定其数量和尺寸；
[0170]
在本实施例中，采用轴流泵实现明渠渠道输水水流加速的目的，依据《中小型轴流泵型式与基本参数》(gb/t 9481-2006)中的规定对轴流泵的型式、型号和基本参数进行比选；
[0171]
规范中，泵的型号由汉语拼音大写字母和阿拉伯数字等组成，具体含义如说明书附图13；
[0172]
根据规范中轴流泵的型号与基本参数，初步选取以下四种泵型作为备选方案：
[0173]
表4-1备选轴流泵型号与基本参数
[0174][0175]
本发明实施例中现状渠道过流能力为286m3/s，通过水流加速，可增加过流量至370m3/s，即需要轴流泵流量为84m3/s。1号和2号泵型设计流量为1.445m3/s，若补充流量84m3/s，则需布置轴流泵约58台，3号和4号泵型流量为2.957m3/s，若补充流量84m3/s，则需布置轴流泵约29台。考虑到3、4号泵型的流量约为 1、2号泵型流量的2倍，而轴功率则为其1.5倍，且3、4号泵型的效率为85.8％，相对1、2号泵型效率也较高，因此从经济角度来看，3、4号泵型更为合适。此外，轴流泵数目越多，对渠道水流流态的影响越大，应尽可能减少渠道中轴流泵布置的数目；
[0176]
3号和4号泵型的基本参数完全一致，区别在于3号泵型为立式轴流泵，4 号泵型为卧式轴流泵。考虑到立式轴流泵在水中的阻水面积相较卧式轴流泵大，且出水方向与水流方向夹角也较大，因此选择4号泵型作为本发明实例中轴流泵的泵型。
[0177]
上述技术方案的有益效果为：通过选择适配的目标轴流泵并确定其数量和尺寸可以根据输水明渠的实际输水情况来选择最合适的轴流泵，提高了输水效率的同时最大化了轴流泵的工作效率。
[0178]
在一个实施例中，所述采用一维模型分析计算出增加了过流量和水头后的输水明渠的明渠水面线，包括：
[0179]
调取与输水明渠相关的水文资料和时间序列文件；
[0180]
获取所述输水明渠对应的边界文件、参数文件、河网文件以及断面文件；
[0181]
根据所述边界文件、参数文件、河网文件、断面文件、水文资料和时间序列文件生成模拟文件，基于所述模拟文件，构建所述一维模型；
[0182]
利用所述一维模型模拟经由所述输水明渠的河流或河口的水流状态；
[0183]
采用六点隐式差分格式方式计算出输水明渠在每一个网格点不同时的水位和流量；
[0184]
根据输水明渠在每一个网格点不同时的水位和流量绘制增加了过流量和水头后
的输水明渠的明渠水面线；
[0185]
在本实施例中，mike 11hd是基于垂向积分的物质和动量守恒方程，即一维非恒定流圣维南(saint-venant)方程组来模拟河流或河口的水流状态。其方程组的具体形式如下：
[0186][0187]
式中：x,t分别为空间坐标和时间坐标；q,h分别为断面流量和水位；a,r 分别为断面过流面积和水力半径；bs为河宽；q为旁侧入流量；c为谢才系数； g为重力加速度；α为垂向速度分布系数，即其中u为断面平均流速。
[0188]
离散方法：
[0189]
mike 11hd采用abbott-ionescu六点隐式差分格式求解。该格式在每一个网格点不同时计算水位和流量，而是按顺序交替计算水位或流量，分别称为 h点和q点，如图6所示；
[0190]
在连续性方程中，q仅对x求偏导，以水位点h为中心，而动量方程则以流量点q为中心，如图7所示；
[0191]
连续性方程离散后的形式如下：
[0192][0193]
动量方程离散后的形式如下：
[0194][0195]
离散后的线形方程组用追赶法求解。
[0196]
mike 11hd的建模流程如图8所示，水面线计算结果如图9所示。
[0197]
上述技术方案的有益效果为：可根据水位和流量精准地绘制出输水明渠的明渠水面线进而直观地评估出增加了轴流泵后的输水效果，为后续工作人员进行决策提供了基础。
[0198]
在一个实施例中，所述方法还包括：
[0199]
对所述输水明渠的明渠水面线进行分析，获取分析结果；
[0200]
根据所述分析结果与目标轴流泵的数量和尺寸生成输水明渠渠道的纵剖面泵站布置示意图和横断面布置示意图；
[0201]
将所述纵剖面泵站布置示意图和横断面布置示意图上传至工作人员终端进行显示；
[0202]
在本实施例中，通过对上述计算结果进行分析，渠段应每隔5km设泵加速，每个断面布置29台直径约1m的轴流泵，型号为1000zwq-5.7。渠道纵剖面泵站布置示意图如图10所示，横断面布置示意图如图11所示。
[0203]
上述技术方案的有益效果为：通过生成输水明渠渠道的纵剖面泵站布置示意图和
横断面布置示意图可以使得工作人员为轴流泵的安置提供参考基础，提高了工作效率。
[0204]
在一个实施例中，确定目标轴流泵的数量和尺寸的步骤包括：
[0205]
基于所述初始相关设计，在预设空间内建立虚拟渠道模型；
[0206]
基于所述实测资料，在所述虚拟渠道模型中建立虚拟水头，构建虚拟明渠模型；
[0207]
根据所述虚拟水头在所述虚拟明渠模型中的位置将所述虚拟明渠划分为若干数量的第一子渠段；
[0208]
运行所述虚拟明渠模型，当预设时间段内所述虚拟明渠模型中的总水流量小于标准流动量时，生成动态检测指令；
[0209]
基于所述动态检测指令控制所述虚拟明渠模型运行，获取所述预设时间段内每一第一子渠段对应的第一水位线；
[0210]
基于每一第一子渠段的外形以及所述第一水位线，获取每一第一子渠段对应的第一剩余容水量，获取所述虚拟明渠模型的总剩余容水量；
[0211]
将所述总剩余容水量输入到所述虚拟明渠模型并运行，获取每一第一子渠段对应的溢出水量；
[0212]
根据所述溢出水量为对应的第一子渠段匹配对应尺寸的第一轴流泵，构建并运行第一虚拟检测模型；
[0213]
运行所述第一虚拟检测模型，并以预设步长调节所述第一轴流泵在对应第一子段中的位置，并记录所述第一轴流泵设置所述第一子段中每一位置时对应的第一溢出水量；
[0214]
获取第一溢出水量最小时所述第一轴流泵的最佳位置，生成第一最佳结果；
[0215]
基于所述第一最佳结果，构建并运行第二虚拟检测模型，获取所述第二虚拟检测模型中每一第二子渠段对应的第二溢出水量，根据所述第二溢出水量为对应的第二子渠段匹配对应尺寸的第二轴流泵；
[0216]
获取所述第二轴流泵在所述第二子段中的第二最佳结果；
[0217]
持续修正虚拟检测模型，直到所述修正虚拟明渠模型的总溢出水量为0，获取当前最佳结果，确定所述轴流泵的间距、数量、尺寸；
[0218]
该实例中，相关设计表示输水明渠的外形设计；
[0219]
该实例中，实测资料表示有关人员实际测量输水明渠的到的数据；
[0220]
该实例中，虚拟明渠模型表示根据相关设计和实测资料将实际明渠等比例缩小，在到虚拟空间建立的与实际明渠具有相同功能和性质的虚拟物；
[0221]
该实例中，第一子渠段表示虚拟明渠模型中两个相邻虚拟水头之间的渠道；
[0222]
该实例中，预设时间段可以为一小时，检验者可以根据检验需求调节预设时间段；
[0223]
该实例中，水位线表示子渠段中水的高度；
[0224]
该实例中，剩余容水两表示子渠段或虚拟明渠模型中剩余空间可容纳的最大水量；
[0225]
该实例中，一次修正工作为对应的子渠段放置一个轴流泵。
[0226]
上述技术方案的有益效果为：通过建立虚拟明渠模型，在虚拟明渠模型中模拟实际水流的流动状况，为了提高明渠的输水量，根据明渠的最大容水量调节渠体上轴流泵的位置，实现明渠空间的最大化利用，同时，根据不同的溢水状况在渠体上设置不同尺寸的轴流泵，既达到了提高输水量的目的，还可以节约资源，避免浪费。
[0227]
在一个实施例中，将明渠划分为若干数量的第一子渠段；基于每一第一子渠段的外形以及所述第一水位线，获取每一第一子渠段对应的第一剩余容水量的步骤包括：
[0228]
基于所述第一子渠段的外形确定出所述第一子渠段对应的容量随水位的变化函数和总容量；
[0229]
确定与所述第一子渠段相邻的前一第一子渠段对应的总配水量和后一第一子渠段对应的总配水量；
[0230]
基于所述第一子渠段对应前一第一子渠段对应的总配水量以及后一第一子渠段对应的总配水量，计算出所述第一子渠段对应的渗水流失量：
[0231][0232]
式中，d为所述第一子渠段对应的渗水流失量且d的单位为升，α为所述第一子渠段对应的渗水系数(单位为l/min)，l为所述第一子渠段对应的总容量且l的单位为升，δ为所述第一子渠段周围的土地渗水系数，β1为所述第一子渠段被地下流水冲击的渗水流失校正系数且β1为无量纲，β2为所述第一子渠段衬砌渠道渗水流失校正系数且β2为无量纲，w1为所述第一子渠段对应的前一第一子渠段对应的总配水量且w1的单位为升，w2为所述第一子渠段对应的后一第一子渠段对应的总配水量且w2的单位为升；t1为第一子渠段对应的渗水时间；t2为第一子渠段周围的土地的渗水时间；
[0233]
基于所述第一子渠段对应的容量随水位的变化函数和所述渗水流失量以及所述第一水位线，计算出所述第一子渠段对应的第一剩余容水量：
[0234]drest
＝d
′
(h)-d
[0235]
式中，d
rest
为所述第一子渠段对应的第一剩余容水量且d
rest
的单位为升， d
′
(h)即为基于所述第一水位线和容量随水位的变化函数确定出的初始剩余容水量且初始容水量的单位为升，h为第一水位线且h的单位为米。
[0236]
上述技术方案的有益效果为：通过所述第一子渠段对应的渗水系数、总容量、周围的土地渗水系数、被地下流水冲击的渗水流失校正系数、衬砌渠道渗水流失校正系数，可以准确地计算出对应的渗水流失量，所述第一子渠段对应的容量随水位的变化函数和所述渗水流失量以及所述第一水位线，可以准确地计算出所述第一子渠段对应的第一剩余容水量，使得获得的第一剩余容水量考虑到了周遭的渗水效果的影响，也考虑到了被地下水冲击和衬砌渠道渗水流失早晨的歌渗水效果的影响，从而使得获得的第一剩余容水量更加准确。
[0237]
本实施例还公开了一种输水明渠水流加速系统，如图12所示，该系统包括：
[0238]
获取模块1201，用于获取输水明渠的设计参数变化率；
[0239]
确定模块1202，用于基于所述设计参数变化率，确定输水明渠渠道的当前输水能力；
[0240]
判断模块1203，用于判断所述当前输水能力是否合格，若是，无需进行后续操作，否则，根据所述当前输水能力确定待增加的过流量和水头；
[0241]
计算模块1204，用于采用一维模型分析计算出增加了过流量和水头后的输水明渠的明渠水面线。
[0242]
上述技术方案的工作原理及有益效果在方法实施例已经说明，此处不再赘述。
[0243]
在一个实施例中，所述系统还包括：
[0244]
检测模块，将明渠分成若干数量的第二子渠段，每一子渠段均设置一检测模块，所述检测模块用于获取其所在的第二子渠段的实际明渠信息，所述实际明渠信息包括：实际明渠水量信息、实际明渠水质信息、实际明渠环境信息；所述实际明渠水量信息包括：实际明渠水含量信息、实际水位信息、实际明渠水流量信息和实际明渠水流速信息；所述实际明渠环境信息包括：实际第二子渠段障碍物信息、实际第二子渠段边界信息；
[0245]
处理模块，与所述检测模块电连接，用于获取检测模块的明渠位置信息及对应的所述明渠信息；用于根据所述实际明渠环境信息、及预设明渠环境评估规则确定明渠实际取水难度等级；用于根据所述实际明渠水质信息及预设明渠水质评估规则确定明渠水质等级；用于根据所述实际明渠水量信息、明渠实际取水难度等级、明渠水质等级以及预设取水方案集确定目标取水方案，所述目标取水方案包括；对第二子渠段的取水前处理方案，以及取水轴流泵在第二子渠段的布置位置；
[0246]
预测模块，用于根据前一检测时间段的实际明渠水含量信息、当前检测时间段的实际明渠水含量信息、明渠位置信息以及实际明渠环境信息，预测下一检测时间段的预测明渠水含量信息；
[0247]
气候信息获取模块，用于获取明渠的所处环境的气候信息，所述气候信息包括：环境风速、环境温度；
[0248]
修正模块，用于基于所述气候信息获取模块对所述下一检测时间段的预测明渠水含量信息进行修正。
[0249]
方案确定模块，基于所述目标取水方案、当前检测时间段的实际明渠水含量信息、修正后的下一检测时间段的预测明渠水含量信息确定取水轴流泵的布置方案以及轴流泵的工作参数。
[0250]
上述技术方案的工作原理和有益效果：将明渠分成若干数量的第二子渠段，每一子渠段均设置一检测模块，所述检测模块用于获取其所在的第二子渠段的实际明渠信息，取水前，首先根据需要输水目的地的位置，获取其关联的各个第二子渠段的明渠信息，并且所述实际明渠信息包括：实际明渠水量信息、实际明渠水质信息、实际明渠环境信息；所述实际明渠水量信息包括：实际明渠水含量信息、实际水位信息、实际明渠水流量信息和实际明渠水流速信息；所述实际明渠环境信息包括：实际第二子渠段障碍物信息、实际第二子渠段边界信息；综合考虑第二子渠段的水含量信息、水质信息、环境信息的影响，使得制定的取水方案更加可靠。
[0251]
然后处理模块，用于根据所述实际明渠环境信息、及预设明渠环境评估规则确定明渠实际取水难度等级；用于根据所述实际明渠水质信息及预设明渠水质评估规则确定明渠水质等级；用于根据所述实际明渠水量信息、明渠实际取水难度等级、明渠水质等级以及预设取水方案集确定目标取水方案，所述目标取水方案包括；对第二子渠段的取水前处理方案，以及取水轴流泵在第二子渠段的布置位置；具体的，根据所述实际明渠水量信息、明渠实际取水难度等级、明渠水质等级以及预设取水方案集确定目标取水方案，所述目标取水方案包括；对第二子渠段的取水前处理方案，以及取水轴流泵在第二子渠段的布置位置；实现与水含量、水质等级、取水等级对应的取水前处理保证取水效果，以及实现与水含量、水质等级、取水等级对应的轴流泵的布置位置，更方便轴流泵的布置。
[0252]
然后预测模块，用于前一检测时间段的实际明渠水含量信息、当前检测时间段的实际明渠水含量信息、明渠位置信息以及实际明渠环境信息，预测下一检测时间段的预测明渠水含量信息；实现考虑水含量的动态变化对轴流泵进行设置；并且修正模块，用于基于所述气候信息获取模块对所述下一检测时间段的预测明渠水含量信息进行修正。实现根据气候影响对水含量进行修正，保证结果可靠；
[0253]
最终方案确定模块，基于所述目标取水方案、当前检测时间段的实际明渠水含量信息、修正后的下一检测时间段的预测明渠水含量信息确定取水轴流泵的布置方案以及轴流泵的工作参数，基于检测智能获取与渠道实际相匹配的轴流泵的布置方案以及轴流泵的工作参数。
[0254]
本领域技术用户员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本技术旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
[0255]
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

技术特征：
1.一种输水明渠水流加速方法，其特征在于，包括以下步骤：获取输水明渠的设计参数变化率；基于所述设计参数变化率，确定输水明渠渠道的当前输水能力；判断所述当前输水能力是否合格，若是，无需进行后续操作，否则，根据所述当前输水能力确定待增加的过流量和水头；采用一维模型分析计算出增加了过流量和水头后的输水明渠的明渠水面线。2.根据权利要求1所述输水明渠水流加速方法，其特征在于，所述获取输水明渠的设计参数变化率，包括：收集所述输水明渠的初始相关设计和实测资料；对所述初始相关设计和实测资料进行解析以确定输水明渠的初始设计流量、初始设计水位、初始渠道纵坡、初始断面形态以及初始糙率系数，将其统计为初始设计向量；根据实测资料确定输水明渠的当前设计流量、当前设计水位、当前渠道纵坡、当前断面形态以及当前糙率系数，将其统计为当前检测向量；根据所述初始设计向量与当前检测向量的比值确定输水明渠的设计参数变化率。3.根据权利要求1所述输水明渠水流加速方法，其特征在于，所述基于所述设计参数变化率，确定输水明渠渠道的当前输水能力，包括：利用预设水力学公式计算出输水明渠渠道在均匀流情况下的均匀水流量和在断面渠道的过水断面面积、湿周以及水力半径，获取第一计算结果；根据所述设计参数变化率评估出第一计算结果的偏差度；根据所述第一计算结果的偏差度结合所述第一计算结果生成输水明渠渠道在当前水流参数下的第二计算结果；根据所述第二计算结果评估出输水明渠渠道的当前输水能力；所述判断所述当前输水能力是否合格，若是，无需进行后续操作，否则，根据所述当前输水能力确定待增加的过流量和水头，包括：将所述当前输水能力与设计输水能力进行比较，获取比较结果；若所述比较结果为当前输水能力大于等于设计输水能力，无需进行后续操作，如所述比较结果为当前输水能力小于所述设计输水能力，确认所述当前输水能力不合格；在确认当前输水能力不合格时，计算所述设计输水能力和当前输水能力的差值；根据所述差值以及每个水头的最大水流量确定待增加的过流量和水头。4.根据权利要求1所述输水明渠水流加速方法，其特征在于，判断所述当前输水能力是否合格，若是，无需进行后续操作，否则，根据所述当前输水能力确定待增加的过流量和水头之后，采用一维模型分析计算出增加了过流量和水头后的输水明渠的明渠水面线之前，所述方法还包括：根据所待增加的过流量和水头确定输水明渠增加水流流速的渠道间距；获取所述输水明渠的断面参数，根据所述断面参数和输水明渠增加水流流速的渠道间距确定待设置轴流泵的目标类型；基于所述目标类型，获取多个该类型的轴流泵设计参数；根据输水明渠增加水流流速的渠道间距和多个该类型的轴流泵设计参数选择适配的目标轴流泵并确定其数量和尺寸。
5.根据权利要求1所述输水明渠水流加速方法，其特征在于，所述采用一维模型分析计算出增加了过流量和水头后的输水明渠的明渠水面线，包括：调取与输水明渠相关的水文资料和时间序列文件；获取所述输水明渠对应的边界文件、参数文件、河网文件以及断面文件；根据所述边界文件、参数文件、河网文件、断面文件、水文资料和时间序列文件生成模拟文件，基于所述模拟文件，构建所述一维模型；利用所述一维模型模拟经由所述输水明渠的河流或河口的水流状态；采用六点隐式差分格式方式计算出输水明渠在每一个网格点不同时的水位和流量；根据输水明渠在每一个网格点不同时的水位和流量绘制增加了过流量和水头后的输水明渠的明渠水面线。6.根据权利要求4所述输水明渠水流加速方法，其特征在于，所述方法还包括：对所述输水明渠的明渠水面线进行分析，获取分析结果；根据所述分析结果与目标轴流泵的数量和尺寸生成输水明渠渠道的纵剖面泵站布置示意图和横断面布置示意图；将所述纵剖面泵站布置示意图和横断面布置示意图上传至工作人员终端进行显示。7.根据权利要求2所述输水明渠水流加速方法，其特征在于，确定目标轴流泵的数量和尺寸的步骤包括：基于所述初始相关设计，在预设空间内建立虚拟渠道模型；基于所述实测资料，在所述虚拟渠道模型中建立虚拟水头，构建虚拟明渠模型；根据所述虚拟水头在所述虚拟明渠模型中的位置将所述虚拟明渠划分为若干数量的第一子渠段；运行所述虚拟明渠模型，当预设时间段内所述虚拟明渠模型中的总水流量小于标准流动量时，生成动态检测指令；基于所述动态检测指令控制所述虚拟明渠模型运行，获取所述预设时间段内每一第一子渠段对应的第一水位线；基于每一第一子渠段的外形以及所述第一水位线，获取每一第一子渠段对应的第一剩余容水量，获取所述虚拟明渠模型的总剩余容水量；将所述总剩余容水量输入到所述虚拟明渠模型并运行，获取每一第一子渠段对应的溢出水量；根据所述溢出水量为对应的第一子渠段匹配对应尺寸的第一轴流泵，构建并运行第一虚拟检测模型；运行所述第一虚拟检测模型，并以预设步长调节所述第一轴流泵在对应第一子段中的位置，并记录所述第一轴流泵设置所述第一子段中每一位置时对应的第一溢出水量；获取第一溢出水量最小时所述第一轴流泵的最佳位置，生成第一最佳结果；基于所述第一最佳结果，构建并运行第二虚拟检测模型，获取所述第二虚拟检测模型中每一第二子渠段对应的第二溢出水量，根据所述第二溢出水量为对应的第二子渠段匹配对应尺寸的第二轴流泵；获取所述第二轴流泵在所述第二子段中的第二最佳结果；持续修正虚拟检测模型，直到所述修正虚拟明渠模型的总溢出水量为0，获取当前最佳
结果，确定所述轴流泵的间距、数量、尺寸。8.根据权利要求1所述输水明渠水流加速方法，其特征在于，将明渠划分为若干数量的第一子渠段；基于每一第一子渠段的外形以及第一水位线，获取每一第一子渠段对应的第一剩余容水量的步骤包括：基于所述第一子渠段的外形确定出所述第一子渠段对应的容量随水位的变化函数和总容量；确定与所述第一子渠段相邻的前一第一子渠段对应的总配水量和后一第一子渠段对应的总配水量；基于所述第一子渠段对应前一第一子渠段对应的总配水量以及后一第一子渠段对应的总配水量，计算出所述第一子渠段对应的渗水流失量：式中，d为所述第一子渠段对应的渗水流失量，α为所述第一子渠段对应的渗水系数，l为所述第一子渠段对应的总容量，δ为所述第一子渠段周围的土地渗水系数，β1为所述第一子渠段被地下流水冲击的渗水流失校正系数，β2为所述第一子渠段衬砌渠道渗水流失校正系数，w1为所述第一子渠段对应的前一第一子渠段对应的总配水量，w2为所述第一子渠段对应的后一第一子渠段对应的总配水量；t1为第一子渠段对应的渗水时间；t2为第一子渠段周围的土地的渗水时间；基于所述第一子渠段对应的容量随水位的变化函数和所述渗水流失量以及所述第一水位线，计算出所述第一子渠段对应的第一剩余容水量：d
rest
＝d
′
(h)-d式中，d
rest
为所述第一子渠段对应的第一剩余容水量，d
′
(h)即为基于所述第一水位线和容量随水位的变化函数确定出的初始剩余容水量，h为第一水位线。9.一种输水明渠水流加速系统，基于如权利要求1-8中任一项所述的方法工作，其特征在于，该系统包括：获取模块，用于获取输水明渠的设计参数变化率；确定模块，用于基于所述设计参数变化率，确定输水明渠渠道的当前输水能力；判断模块，用于判断所述当前输水能力是否合格，若是，无需进行后续操作，否则，根据所述当前输水能力确定待增加的过流量和水头；计算模块，用于采用一维模型分析计算出增加了过流量和水头后的输水明渠的明渠水面线。10.根据权利要求9所述的输水明渠水流加速系统，其特征在于，该系统还包括：检测模块，将明渠分成若干数量的第二子渠段，每一子渠段均设置一检测模块，所述检测模块用于获取其所在的第二子渠段的实际明渠信息，所述实际明渠信息包括：实际明渠水量信息、实际明渠水质信息、实际明渠环境信息；所述实际明渠水量信息包括：实际明渠水含量信息、实际水位信息、实际明渠水流量信息和实际明渠水流速信息；所述实际明渠环境信息包括：实际第二子渠段障碍物信息、实际第二子渠段边界信息；处理模块，与所述检测模块电连接，用于获取检测模块的明渠位置信息及对应的所述明渠信息；用于根据所述实际明渠环境信息、及预设明渠环境评估规则确定明渠实际取水难度等级；用于根据所述实际明渠水质信息及预设明渠水质评估规则确定明渠水质等级；
用于根据所述实际明渠水量信息、明渠实际取水难度等级、明渠水质等级以及预设取水方案集确定目标取水方案，所述目标取水方案包括；对第二子渠段的取水前处理方案，以及取水轴流泵在第二子渠段的布置位置；预测模块，用于根据前一检测时间段的实际明渠水含量信息、当前检测时间段的实际明渠水含量信息、明渠位置信息以及实际明渠环境信息，预测下一检测时间段的预测明渠水含量信息；气候信息获取模块，用于获取明渠的所处环境的气候信息，所述气候信息包括：环境风速、环境温度；修正模块，用于基于所述气候信息获取模块对所述下一检测时间段的预测明渠水含量信息进行修正；方案确定模块，基于所述目标取水方案、当前检测时间段的实际明渠水含量信息、修正后的下一检测时间段的预测明渠水含量信息确定取水轴流泵的布置方案以及轴流泵的工作参数。

技术总结
本发明提供了一种输水明渠水流加速方法及系统，其方法包括：获取输水明渠的设计参数变化率，基于所述设计参数变化率，确定输水明渠渠道的当前输水能力，判断所述当前输水能力是否合格，若是，无需进行后续操作，否则，根据所述当前输水能力确定待增加的过流量和水头，采用一维模型分析计算出增加了过流量和水头后的输水明渠的明渠水面线。通过评估输水明渠的当前水输水能力，确定其待增加的过流量和水头，并通过设置轴流泵增加水流流速来直观地提高输水明渠的输水能力，提高了整体的工程工作效率和工作人员的体验感。效率和工作人员的体验感。效率和工作人员的体验感。


技术研发人员：张金良 景来红 刘继祥 崔振华 陈松伟 罗秋实 赵翔
受保护的技术使用者：黄河勘测规划设计研究院有限公司
技术研发日：2022.02.16
技术公布日：2022/5/25