CN114218840B - 河口航道水沙运动及其地形演变整体建模及可视化*** - Google Patents

河口航道水沙运动及其地形演变整体建模及可视化*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了河口航道水沙运动及其地形演变整体建模及可视化***，实施方案与技术路线如下：收集研究河口水道区域的水文、泥沙资料及相关的报告数据，对研究区域地形演变变化进行分析，根据现场水文、泥沙观测资料，分析水流、泥沙运动特点和回淤规律。本发明的航道地形演变建模模拟及其虚拟环境可视化***，通过与物联网、云计算、大数据等技术融合，将会把与航道相关的港口码头建设成现代化的“智慧港口”，带来的是效率和安全度的大幅提升，工作人员及决策者可以随时查看航道的泥沙淤积态势，监控、监测航道底部地形演变趋势，以便提前采取优化措施，提高经济效益，保障航运安全良好运营。

Description

河口航道水沙运动及其地形演变整体建模及可视化***
技术领域
本发明涉及海洋信息化技术领域，具体为河口航道水沙运动及其地形演变整体建模及可视化***。
背景技术
疏浚工程是指采用挖泥船或其他机具以及人工进行水下挖掘，为拓宽和加深水域而进行的土石方工程，疏浚工程的挖槽设计应力图通过改变河道水流几何边界，引起水流内部结构的变化，使得新形成的水流结构，不但可以保证泥沙不再淤积在航道内(至少在下一个汛期到来之前不再淤积)，而且能将进入挖槽内的泥沙输送到下深槽中去，维持航道稳定，长江口深水航道治理三期工程于2006年9月开工，三期工程主要以疏浚为主，设计基建疏浚量10308万m3，三期工程已经完工；
但航道沿程有大量浮泥产生，部分航段回淤显著，虽历经整治，目前还需要每年代价不菲的疏浚维护，为了减少通航成本，提高经济效益，有必要对长江口深水航道地形的发展演变、动力响应特征及其机制进行***研究。
发明内容
本发明提供河口航道水沙运动及其地形演变整体建模及可视化***，可以有效解决上述背景技术中提出航道沿程有大量浮泥产生，部分航段回淤显著，虽历经整治，目前还需要每年代价不菲的疏浚维护的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：河口航道水沙运动及其地形演变整体建模及可视化***，根据水流泥沙淤积数值试验研究技术要求，以及水域所在的地理位置、地形条件与水文测验条件，实施方案与技术路线如下：
S1、收集研究河口区域的水文、泥沙资料及相关的报告，对研究区域历史的航道地形演变变化进行分析，根据现场水文、泥沙观测资料，分析水流、泥沙运动特点和回淤规律；
S2、采用三维精细网格水沙数学模型，模拟研究航段水流、泥沙运动状况；
S3、利用实测水文、泥沙资料(大、中、小潮条件下的潮位、流速、含沙量)对泥沙数值模型进行验证；
S4、模型验证完毕后，分别进行洪水期、中水期和枯水期的大、中、小潮典型水文组合条件下的水沙模型数值模拟研究；
S5、数学模型后处理-计算结果输出与可视化研究；
S6、综合上述研究成果，集成开发研究区域泥沙冲淤和地形演变模拟计算算法体系及其虚拟环境可视化的预报预警分析***；
S7、实施可视化***，进行可视化模型设计，管理可视化任务，并设计可视化报告。
根据上述技术方案，所述S4中，运用高分辨率三维粘性沉积物数值模式，模拟研究在潮流、风浪和径流淡水输入水文要素综合作用情况下的深水航道泥沙沉积物的输运、悬浮、沉降和沉积过程，利用等密度垂向分层三维模式，模拟研究航段浮泥的形成、演变发展、输运和消散过程；
研究强风强浪极端天气对深水航道泥沙淤积和地形演变的影响。
根据上述技术方案，所述S5中，开发研究不同视角三维动态流场生成原理和质点跟踪运动高效计算方法，编制可选择演示范围、可控播放速度的平面和三维动态流场生成模块，集成静态地形、流场、水位场、地形冲淤场图形化模块，实现二维、三维计算结果后处理模块。
根据上述技术方案，所述S7中，***实施方法如下：
A1、基于delft3d，构建能够模拟潮流、风浪和径流淡水输入水文要素综合作用情况下的深水航道泥沙沉积物的输运、悬浮、沉降和沉积过程的高分辨率三维沉积物数值模型；
A2、基于实测数据，对delft3d模型的航道泥沙冲淤和地形演变模拟计算结果进行可视化；
利用不同视角三维动态流场生成原理和质点跟踪运动高效计算方法，编制可选择演示范围、可控播放速度的平面和三维动态流场生成模块，集成静态地形、流场、水位场、地形冲淤场图形化模块，实现二维、三维计算结果后处理模块；
A3、计算算法体系及其虚拟环境可视化***。
根据上述技术方案，所述A3中，计算算法体系及其虚拟环境可视化***的功能包括数据源连接及数据接入、过滤数据表和字段、元数据信息补充、数据实体分类和配置数据字典；
所述数据源连接及数据接入功能，支持建立多源异构数据源连接，将元数据导入建模分析平台，并对元数据进行扩展补充，支持如下数据源：
文件数据源，支持连接csv，excel主流文件格式的数据源，接入建模分析平台，并进行有效的可视化管理；
关系型数据库数据源，支持连接主流关系型数据库数据源，如Oracle、MySQL和Sqlserver，接入建模分析平台，并进行有效的可视化管理；
大数据数据源，支持对主流大数据存储，例如Hadoop、Hive、HBase的接入能力，进行海量数据可视化；
所述配置化数据自动接入，可配置数据自动采集功能，对全量、增量数据进行自动采集，可配置对增量数据可初始化采集历史数据后继续增量采集；自动化采集任务需要可配置，可调整，记录运行状态、采集日志管理，采集流程可配置，错误可回滚并从错误点重新采集。
根据上述技术方案，所述过滤数据表和字段包括：
支持在导入元数据过程中根据实际需求过滤数据表，将不需要的数据表过滤掉；
支持用户关闭掉不需要的冗余字段，建模过程中不显示冗余字段；
支持删除、开启和关闭数据实体，用户可以自主关闭数据表，不在模型设计区域展示。
根据上述技术方案，所述元数据信息补充，支持对数据实体信息进行可视化配置，修改补充相关信息，如字段别名、提示信息、数据字典，对应的可视化的图标，以提高数据的可读性和可理解性；
所述数据实体分类如下：
建立数据实体类别列表；
将数据按实体类别对数据进行分类；
设置数据分类图标；
支持数据实体类别维护，包括新增、编辑、删除实体类别；
所述配置数据字典，支持可视化配置数据字典，提高数据的可用性和可理解性，有常用的公安数据字典库，可灵活添加新的数据字典，在建模、数据可视化时可使用数据字典将数据自动转换为对照的中文含义。
根据上述技术方案，所述S7中，可视化模型设计包括在模型设计区域展示数据实体、在模型设计区域展示工具和算子、在模型设计区域展示已有模型和模型设计：
所述在模型设计区域展示数据实体：在模型设计区域列出建模平台中的数据实体，展示实体图标，支持通过实体类别进行分类筛选和搜索实体，数据预览功能；
所述在模型设计区域展示工具和算子：在模型设计区域列出建模平台中支持的算法、算子和工具，展示工具图标，支持通过类别进行分类筛选和搜索算子工具；
所述在模型设计区域展示已有模型：在模型设计区域列出建模平台中已有的数据模型，展示模型图标，支持通过类别进行分类筛选和搜索模型；
所述模型设计：支持配置显示字段和过滤条件，支持配置操作类型、条件范围和新增字段，支持预览数据实体，显示数据实体总记录数以及前200条数据，同时显示相应字段名，预览结果可根据字典对照出中文含义(可选择预览原始类型，也可切换显示中文含义)，支持保存模型，可以设置模型名称和描述信息，支持模型的每个节点进行单步执行操作，支持模型多输出，一个模型可以输出多个结果集，结果集可作为实体复用在其他模型中，模型执行参数可设置默认值、动态设置，在执行正式任务时可进行替换，模型算子可添加业务说明，可通过快速查看方式查看到每个算子的业务说明，数据详情，相关实体信息。
根据上述技术方案，所述S7中，可视化任务管理包括可视化配置任务、可视化管理任务和结果集访问；
所述可视化配置任务：
支持添加新计算任务，设置任务基本信息、运行参数、调度信息、增全量数据信息；
支持编辑计算任务的启动时间；
支持配置任务类型，如临时任务、手工任务、计划任务；
所述可视化管理任务：
支持浏览和查询任务信息，包括任务名称、任务状态、创建时间、最近执行时间和调度信息；
支持删除、启用、停用计算任务；
所述结果集访问：
计算任务执行成功后，用户可以预览数据结果；
支持下载结果集；
支持一个模型输出多个结果集进行预览和数据下载功能；
对计划任务类型中的历史任务产生的数据也要提供预览和数据下载功能。
根据上述技术方案，所述S7中，可视化报告设计支持对结果集再次进行多维分析，具体功能包括：
数据可视化功能包括：支持常用图表类型20个以上，其中常用包括：柱状图、趋势图、饼图、气泡图、地图、组合图、指标图、分组表、明细表、雷达图、词云图、面积图、环状图、热力图、迁徙图；
提供大于等于5个常用报表模板，大屏展示模板；
图表公共的查询条件配置功能；
报表提供根据时间间隔进行自动数据刷新功能。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
深水航道地形演变建模模拟及其虚拟环境可视化***，通过与物联网、云计算、大数据等技术融合，其传统架构及运维管理模式发生变革，码头运营、航道管理设施将会基于资源化的云计算数据中心、虚拟化园区网、物联网来实现，将会把深水航道相关码头建设成现代化的“智慧码头”，并且采用虚拟化、IPv6、WLAN、融合安全技术，这种新的模式和架构，带来的是效率和安全度的大幅提升，工作人员、领导可以随时查看航道的泥沙淤积态势，监控、监测航道底部地形演变趋势，以便提前采取措施，提高经济效益，保障航运安全良好运营。
附图说明
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：
图1是本发明实施方案与技术路线的步骤图；
图2是本发明深水航道演变的整体建模及可视化***研究技术路线图；
图3是本发明的研究河道及测验位置图；
图4是本发明的模拟范围及网格剖分图；
图5是本发明的DHl测站大潮水位验证结果图；
图6是本发明的DH3测站大潮水位验证结果图；
图7是本发明的V2测站大潮流速验证结果图；
图8是本发明的V9测站大潮流速验证结果图；
图9是本发明的V2测站大潮流向验证结果图；
图10是本发明的V9测站大潮流向验证结果图；
图11是本发明的V2测站大潮含沙量验证结果图；
图12是本发明的V9测站大潮含沙量验证结果图；
图13是本发明的V2测站小潮含沙量验证结果图；
图14是本发明的V9测站小潮含沙量验证结果图；
图15是本发明的断面设置图；
图16是本发明的隧道横断面河床变化图；
图17是本发明的隧道前方断面河床变化图；
图18是本发明的隧道后方横断面河床变化图；
图19是本发明的中线纵断面河床变化图；
图20是本发明的河床左侧纵断面河床变化图；
图21是本发明的河床右侧纵断面河床变化图；
图22是本发明的河道冲淤分布图；
图23是本发明的隧道断面冲淤变化图；
图24是本发明的隧道断面水位变化图；
图25是本发明的隧道断面流速变化图；
具体实施方式
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。
实施例1：
如图1-2所示，本发明提供一种技术方案，河口航道水沙运动及其地形演变整体建模及可视化***，根据水流泥沙淤积数值试验研究技术要求，以及水域所在的地理位置、地形条件与水文测验条件，实施方案与技术路线如下：
S1、收集研究河口区域的水文、泥沙资料及相关的报告，对研究区域历史的航道地形演变变化进行分析，根据现场水文、泥沙观测资料，分析水流、泥沙运动特点和回淤规律；
S2、采用三维精细网格水沙数学模型，模拟研究航段水流、泥沙运动状况；
S3、利用实测水文、泥沙资料(大、中、小潮条件下的潮位、流速、含沙量)对泥沙数值模型进行验证；
S4、模型验证完毕后，分别进行洪水期、中水期和枯水期的大、中、小潮典型水文组合条件下的水沙模型数值模拟研究；
S5、数学模型后处理-计算结果输出与可视化研究；
S6、综合上述研究成果，集成开发研究区域泥沙冲淤和地形演变模拟计算算法体系及其虚拟环境可视化的预报预警分析***；
S7、实施可视化***，进行可视化模型设计，管理可视化任务，并设计可视化报告。
根据上述技术方案，S4中，运用高分辨率三维粘性沉积物数值模式，模拟研究在潮流、风浪和径流淡水输入水文要素综合作用情况下的深水航道泥沙沉积物的输运、悬浮、沉降和沉积过程，利用等密度垂向分层三维模式，模拟研究航段浮泥的形成、演变发展、输运和消散过程；
研究强风强浪极端天气对深水航道泥沙淤积和地形演变的影响。
根据上述技术方案，S5中，开发研究不同视角三维动态流场生成原理和质点跟踪运动高效计算方法，编制可选择演示范围、可控播放速度的平面和三维动态流场生成模块，集成静态地形、流场、水位场、地形冲淤场图形化模块，实现二维、三维计算结果后处理模块。
根据上述技术方案，S7中，***实施方法如下：
A1、基于delft3d，构建能够模拟潮流、风浪和径流淡水输入水文要素综合作用情况下的深水航道泥沙沉积物的输运、悬浮、沉降和沉积过程的高分辨率三维沉积物数值模型；
A2、基于实测数据，对delft3d模型的航道泥沙冲淤和地形演变模拟计算结果进行可视化；
利用不同视角三维动态流场生成原理和质点跟踪运动高效计算方法，编制可选择演示范围、可控播放速度的平面和三维动态流场生成模块，集成静态地形、流场、水位场、地形冲淤场图形化模块，实现二维、三维计算结果后处理模块；
A3、计算算法体系及其虚拟环境可视化***。
根据上述技术方案，A3中，计算算法体系及其虚拟环境可视化***的功能包括数据源连接及数据接入、过滤数据表和字段、元数据信息补充、数据实体分类和配置数据字典；
数据源连接及数据接入功能，支持建立多源异构数据源连接，将元数据导入建模分析平台，并对元数据进行扩展补充，支持如下数据源：
文件数据源，支持连接csv，excel主流文件格式的数据源，接入建模分析平台，并进行有效的可视化管理；
关系型数据库数据源，支持连接主流关系型数据库数据源，如Oracle、MySQL和Sqlserver，接入建模分析平台，并进行有效的可视化管理；
大数据数据源，支持对主流大数据存储，例如Hadoop、Hive、HBase的接入能力，进行海量数据可视化；
配置化数据自动接入，可配置数据自动采集功能，对全量、增量数据进行自动采集，可配置对增量数据可初始化采集历史数据后继续增量采集；自动化采集任务需要可配置，可调整，记录运行状态、采集日志管理，采集流程可配置，错误可回滚并从错误点重新采集。
根据上述技术方案，过滤数据表和字段包括：
支持在导入元数据过程中根据实际需求过滤数据表，将不需要的数据表过滤掉；
支持用户关闭掉不需要的冗余字段，建模过程中不显示冗余字段；
支持删除、开启和关闭数据实体，用户可以自主关闭数据表，不在模型设计区域展示。
根据上述技术方案，元数据信息补充，支持对数据实体信息进行可视化配置，修改补充相关信息，如字段别名、提示信息、数据字典，对应的可视化的图标，以提高数据的可读性和可理解性；
数据实体分类如下：
建立数据实体类别列表；
将数据按实体类别对数据进行分类；
设置数据分类图标；
支持数据实体类别维护，包括新增、编辑、删除实体类别；
配置数据字典，支持可视化配置数据字典，提高数据的可用性和可理解性，有常用的公安数据字典库，可灵活添加新的数据字典，在建模、数据可视化时可使用数据字典将数据自动转换为对照的中文含义。
根据上述技术方案，S7中，可视化模型设计包括在模型设计区域展示数据实体、在模型设计区域展示工具和算子、在模型设计区域展示已有模型和模型设计：
在模型设计区域展示数据实体：在模型设计区域列出建模平台中的数据实体，展示实体图标，支持通过实体类别进行分类筛选和搜索实体，数据预览功能；
在模型设计区域展示工具和算子：在模型设计区域列出建模平台中支持的算法、算子和工具，展示工具图标，支持通过类别进行分类筛选和搜索算子工具；
在模型设计区域展示已有模型：在模型设计区域列出建模平台中已有的数据模型，展示模型图标，支持通过类别进行分类筛选和搜索模型；
模型设计：支持配置显示字段和过滤条件，支持配置操作类型、条件范围和新增字段，支持预览数据实体，显示数据实体总记录数以及前200条数据，同时显示相应字段名，预览结果可根据字典对照出中文含义(可选择预览原始类型，也可切换显示中文含义)，支持保存模型，可以设置模型名称和描述信息，支持模型的每个节点进行单步执行操作，支持模型多输出，一个模型可以输出多个结果集，结果集可作为实体复用在其他模型中，模型执行参数可设置默认值、动态设置，在执行正式任务时可进行替换，模型算子可添加业务说明，可通过快速查看方式查看到每个算子的业务说明，数据详情，相关实体信息。
根据上述技术方案，S7中，可视化任务管理包括可视化配置任务、可视化管理任务和结果集访问；
可视化配置任务：
支持添加新计算任务，设置任务基本信息、运行参数、调度信息、增全量数据信息；
支持编辑计算任务的启动时间；
支持配置任务类型，如临时任务、手工任务、计划任务；
可视化管理任务：
支持浏览和查询任务信息，包括任务名称、任务状态、创建时间、最近执行时间和调度信息；
支持删除、启用、停用计算任务；
结果集访问：
计算任务执行成功后，用户可以预览数据结果；
支持下载结果集；
支持一个模型输出多个结果集进行预览和数据下载功能；
对计划任务类型中的历史任务产生的数据也要提供预览和数据下载功能。
根据上述技术方案，S7中，可视化报告设计支持对结果集再次进行多维分析，具体功能包括：
数据可视化功能包括：支持常用图表类型20个以上，其中常用包括：柱状图、趋势图、饼图、气泡图、地图、组合图、指标图、分组表、明细表、雷达图、词云图、面积图、环状图、热力图、迁徙图；
提供大于等于5个常用报表模板，大屏展示模板；
图表公共的查询条件配置功能；
报表提供根据时间间隔进行自动数据刷新功能。
实施例2：
以金光东隧道工程所在河段为例，使用MIKE21进行水流泥沙运动模拟，具体过程如下：
1、水文测量
如图3所示，在金光东隧道工程所在河段布设4条测流断面，每条断面根据测线长度及河槽地形布置4个测流取沙点，进行大、小两个代表潮的水文测验；
测验内容包括断面大、小潮流速、流量过程观测，分层含沙量、悬沙颗粒、床沙颗粒、风速风向、表层水温、盐度、容重等，各垂线同步观测，施测大、小两个代表潮，每个代表潮保证两涨两落，满足潮流闭合要求，绘制各断面及测流取沙垂线布置图；
布设4个临时潮位站，收集水文测验期间半个月的潮位资料，具体时间为2015年11月19日13:00-2015年12月04日13:00；
各代表潮观测的具体起讫时间见表1所示：
表1 具体测验时间表
Figure BDA0003434601250000151
2、模型建立
如图4所示，使用MIKE21软件建立数值模型，所建数值模型组成包括HD水动力模块和MT泥沙模块，绘制模型网格剖分图，左下端部为上游开边界、右上部为下游开边界，根据表1所示的大小潮施测时间段及各断面及测流取沙垂线布置图所示的实测水文资料，开展模型的建立和验证；
上游水开边界条件采用流量实测结果，下游水动力开边界采用相应的水位实测结果，上、下游含沙量开边界条件采用实测结果，通过对实测泥沙粒径分析结果的计算与分析，结合水位、流速、含沙量实测资料，进行模型相关参数的设置。
3、模型验证
如图5-14所示，分别利用各断面及测流取沙垂线布置图所示测站的大小潮的水位、流速、含沙量(SSC)测验数据进行模型的率定和验证，模型各站点水位、流速、含沙量验证拟合精度优良，满足相关规范要求，绘制代表性测站的验证结果图。
4河床冲淤变化数值模拟
对河床稳定性的研究主要分为两个方面，分别为通常条件下的河床稳定性，即不考虑洪水等不利条件影响，以及不利条件影响下的河床稳定性，而主要的地形变化响应因素为水动力边界条件；
通过珠江流域水动力模型，分别输出45天的通常边界数据以及各种流量过程组合下的不利条件边界数据，以此来对该河段稳定性进行研究。
4.1、通常条件下冲淤分析
如图15所示，设置6个河床高度输出断面用于对照分析河床的整体稳定性，绘制断面设置图，在断面设置图中三个为横向断面，分别为隧道所在断面及隧道前方与后方的横向断面，其余三个断面为河道中心线断面及两侧平行断面，三个纵向断面各由七个直线断面连接而成，每个直线断面上均匀输出10个点，相邻断面首尾相接；
完成模拟后，以断面输出点序号为横坐标，地形深度为纵坐标绘制曲线图，图中纵坐标均为地形深度，横坐标为数据输出点序号，对比27h、15天、45天的断面河床变化量曲线，分析河道稳定性。
4.1.1横断面河床变化
如图16-18所示，横断面地形深度数据输出顺序由河道右岸向左岸，绘制隧道横断面河床变化图、隧道前方断面河床变化图和隧道后方横断面河床变化图，隧道所在区域横断面整体处于十分稳定的状态，河槽内有轻微淤积，河道右岸有轻微冲刷，隧道施工区域没有出现河床下切的现象。
4.1.2纵断面河床变化
如图19-21所示，纵断面地形深度数据输出顺序由上游向下游，绘制中线纵断面河床变化图、河床左侧纵断面河床变化图和河床右侧纵断面河床变化图，对比发现，三个断面上河床整体相当稳定，大部分区域出现轻微淤积，中线断面稳定，几乎没有明显冲刷，中线左侧断面上的淤积则因为该处途径深槽，其中有深坑，水流在该处爬坡流速下降，造成泥沙大量沉积，其他断面中的类似地形处基本都有一定量的淤积，沿程无河床下切现象。
4.1.3冲淤分布平面图
如图22所示，绘制水流泥沙模拟45天后的的河道冲淤分布图，河道整体轻微淤积，大部分淤积区域的河床变化量为0～0.5m之间，最大淤积量出现在河道右侧，河床变化量为1.8m以上，对应中线右侧断面中深坑中的淤积，冲刷分布较少，河床变化量大部分在0～-0.5m之间，较强冲刷区域主要位于河道弯道右岸附近。
4.2不利条件下冲淤分析
工程河段位于珠江三角洲的网河区域，此处既受到上游径流的影响也会受到下游潮流上溯的影响，总体冲淤变化十分复杂，当洪水经过该河段时，即遭遇不利水动力条件时，工程所在处有可能发生冲刷现象，而金光东隧道在设计之时采用沉管构造，对河床冲刷具有高度的敏感性，因此需要考虑隧道所在断面在不利条件下的冲淤情况，并确定沉管的埋深。
4.2.1大范围水动力模型边界取值
各种洪水组合通过大范围水动力模型，输出对应组合作用下的工程河段边界数据，将其反映到工程河段的冲刷计算中；
(1)洪水组合主要参考广东省水利水电科学研究院在2004年9月编写的《东江干流及三角洲河段设计洪潮水面线计算报告》资料及表2中的各级频率洪峰设计流量；
计算报告中用的组合为“1998.6”洪水组合、“1997.7”中水组合和“2001.2”的枯水组合，该三组水文组合为珠江河口区涉水工程的典型计算水文条件，已经验证并多次应用；
“1998.6”洪水组合：高要、石角、博罗边界处的流量数值分别设置为49869.54m3/s、19192.82m3/s和14635.74m3/s，该组合持续时间为73小时；
“1997.7”中水组合：高要、石角、博罗边界处的流量数值分别设置为32847.64m3/s、9133m3/s和5138.84m3/s，该组合持续时间为187小时；
“2001.2”枯水组合：高要、石角、博罗边界处的流量数值分别设置为3000m3/s、650m3/s和500m3/s，该组合持续时间为200小时；
表2 主要水文站各级频率设计洪峰流量
Figure BDA0003434601250000191
由于要尽可能考虑最不利的洪峰组合，因此三个边界数据依次取各测站0.5％、1％、2％频率对应的设计洪峰流量数值；
即第一组，高要：55900m3/s、石角：20400m3/s、博罗：15800m3/s；
第二组，高要：52900m3/s、石角：19000m3/s、博罗：14500m3/s；
第三组，高要：50500m3/s、石角：17600m3/s、博罗：12000m3/s；
结合之前三组水文组合，共设置6组流量边界进行冲淤对照。
(2)外海开边界数据取2015年8月中的低潮位时间段，计算时间取三个水文组合中最长的一段，即时间段长度为200小时，自2015年8月16日4：00至8月24日12:00。
4.2.2隧道断面冲刷对比
如图23所示，将大范围水动力模型在6种流量过程组合条件下输出的工程河段边界条件依次代入工程河段水沙模型进行数值模拟运算，将隧道所在断面经过200小时之后河床高度与原始河床高度一起绘制为隧道断面冲淤变化图进行对比分析，图中纵坐标为地形深度，横坐标为数据输出点序号；
经过数值模拟显示，隧道断面的深槽位置有明显的冲刷下切现象，冲刷量随着洪水组合流量的增大而增大，最大下切深度出现于深槽中央，冲刷结束后的最大深度为17.38m，且深槽中的下切有向右岸发展的趋势，该断面左右两岸冲淤几乎维持在平衡状态，没有明显的冲淤变化；
如图24、25所示，为了研究分析洪水期隧道断面的冲刷机理，将隧道断面处的最大流速及水位分别作图，进行对比分析，绘制隧道断面水位变化图和隧道断面流速变化图，图中纵坐标分别为水位与流速，横坐标均为数据输出点序号；
对绘制隧道断面水位变化图和隧道断面流速变化图进行总结分析可知，随着洪水流量的增大，隧道断面处水位有微小的增大，最大增大值为0.033m，而流速增大较为明显，流速分布与流速增加有着相似的规律，靠近左右岸流速小，流速随洪水流量增大值小，深槽所在的主流区流速大，随洪水流量的增加值也大，随着流量增大，主流区流速最大值为1.44m/s；
上述模拟结果说明工程河段在洪水期间，随着洪峰流量的增大，河道中流速与水位也增大，流速增大幅度相较于水位更大，且主流区流速增大幅度大于两岸，其水流挟沙能力明显增大，造成的河床冲刷更强，使河床越发下切。
5、总结
通过使用MIKE21对隧道工程所在河段进行了45天的水流泥沙运动模拟，对比河床27h、15天与45天的高程变化曲线，可得到结论为：在通常水动力条件下工程河段河床稳定，没有严重的河床下切，整体上轻微淤积，隧道区域处于轻微淤积状态，施工具有可行性和安全性；
随后使用大范围水动力模型输出上游洪、中、枯三种情况下的边界条件及三种种频率设计洪峰流量组合影响下的边界条件，对隧道所在断面进行冲淤对比，发现在洪水期隧道断面有明显的冲刷下切现象，下切深度随洪水流量增大而增大，最大下切深度为17.38m，因此在实际施工设计时，隧道埋深要大于17.38m，如果有更加极端的不利条件资料，需要进一步模拟计算其深度。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.河口航道水沙运动及其地形演变整体建模及可视化***，其特征在于：根据水流泥沙淤积数值试验研究技术要求，以及水域所在的地理位置、地形条件与水文测验条件，实施方案与技术路线如下：
S1、收集研究河口区域的水文、泥沙资料及相关的报告，对研究区域历史的航道地形演变变化进行分析，根据现场水文、泥沙观测资料，分析水流、泥沙运动特点和回淤规律；
S2、采用三维精细网格水沙数学模型，模拟研究航段水流、泥沙运动状况；
S3、利用实测水文、泥沙资料对泥沙数值模型进行验证；
S4、模型验证完毕后，分别进行洪水期、中水期和枯水期的大、中、小潮典型水文组合条件下的水沙模型数值模拟研究；
S5、数学模型后处理-计算结果输出与可视化研究；
S6、综合上述研究成果，集成开发研究区域泥沙冲淤和地形演变模拟计算算法体系及其虚拟环境可视化的预报预警分析***；
S7、实施可视化***，进行可视化模型设计，管理可视化任务，并设计可视化报告；
所述S4中，运用高分辨率三维粘性沉积物数值模式，模拟研究在潮流、风浪和径流淡水输入水文要素综合作用情况下的深水航道泥沙沉积物的输运、悬浮、沉降和沉积过程，利用等密度垂向分层三维模式，模拟研究航段浮泥的形成、演变发展、输运和消散过程；
研究强风强浪极端天气对深水航道泥沙淤积和地形演变的影响；
所述S7中，可视化模型设计包括在模型设计区域展示数据实体、在模型设计区域展示工具和算子、在模型设计区域展示已有模型和模型设计：
所述在模型设计区域展示数据实体：在模型设计区域列出建模平台中的数据实体，展示实体图标，支持通过实体类别进行分类筛选和搜索实体，数据预览功能；
所述在模型设计区域展示工具和算子：在模型设计区域列出建模平台中支持的算法、算子和工具，展示工具图标，支持通过类别进行分类筛选和搜索算子工具；
所述在模型设计区域展示已有模型：在模型设计区域列出建模平台中已有的数据模型，展示模型图标，支持通过类别进行分类筛选和搜索模型；
所述模型设计：支持配置显示字段和过滤条件，支持配置操作类型、条件范围和新增字段，支持预览数据实体，显示数据实体总记录数以及前200条数据，同时显示相应字段名，预览结果可根据字典对照出中文含义，支持保存模型，可以设置模型名称和描述信息，支持模型的每个节点进行单步执行操作，支持模型多输出，一个模型可以输出多个结果集，结果集可作为实体复用在其他模型中，模型执行参数可设置默认值、动态设置，在执行正式任务时可进行替换，模型算子可添加业务说明，可通过快速查看方式查看到每个算子的业务说明，数据详情，相关实体信息。
2.根据权利要求1所述的河口航道水沙运动及其地形演变整体建模及可视化***，其特征在于，所述S5中，开发研究不同视角三维动态流场生成原理和质点跟踪运动高效计算方法，编制可选择演示范围、可控播放速度的平面和三维动态流场生成模块，集成静态地形、流场、水位场、地形冲淤场图形化模块，实现二维、三维计算结果后处理模块。
3.根据权利要求1所述的河口航道水沙运动及其地形演变整体建模及可视化***，其特征在于，所述S7中，***实施方法如下：
A1、基于delft3d，构建能够模拟潮流、风浪和径流淡水输入水文要素综合作用情况下的深水航道泥沙沉积物的输运、悬浮、沉降和沉积过程的高分辨率三维沉积物数值模型；
A2、基于实测数据，对delft3d模型的航道泥沙冲淤和地形演变模拟计算结果进行可视化；
利用不同视角三维动态流场生成原理和质点跟踪运动高效计算方法，编制可选择演示范围、可控播放速度的平面和三维动态流场生成模块，集成静态地形、流场、水位场、地形冲淤场图形化模块，实现二维、三维计算结果后处理模块；
A3、计算算法体系及其虚拟环境可视化***。
4.根据权利要求3所述的河口航道水沙运动及其地形演变整体建模及可视化***，其特征在于，所述A3中，计算算法体系及其虚拟环境可视化***的功能包括数据源连接及数据接入、过滤数据表和字段、元数据信息补充、数据实体分类和配置数据字典；
所述数据源连接及数据接入功能，支持建立多源异构数据源连接，将元数据导入建模分析平台，并对元数据进行扩展补充，支持如下数据源：
文件数据源，支持连接csv，excel主流文件格式的数据源，接入建模分析平台，并进行有效的可视化管理；
关系型数据库数据源，支持连接主流关系型数据库数据源，如Oracle、MySQL和Sqlserver，接入建模分析平台，并进行有效的可视化管理；
大数据数据源，支持对主流大数据存储，例如Hadoop、Hive、HBase的接入能力，进行海量数据可视化；
配置化数据自动接入，可配置数据自动采集功能，对全量、增量数据进行自动采集，可配置对增量数据可初始化采集历史数据后继续增量采集；自动化采集任务需要可配置，可调整，记录运行状态、采集日志管理，采集流程可配置，错误可回滚并从错误点重新采集。
5.根据权利要求4所述的河口航道水沙运动及其地形演变整体建模及可视化***，其特征在于，所述过滤数据表和字段包括：
支持在导入元数据过程中根据实际需求过滤数据表，将不需要的数据表过滤掉；
支持用户关闭掉不需要的冗余字段，建模过程中不显示冗余字段；
支持删除、开启和关闭数据实体，用户可以自主关闭数据表，不在模型设计区域展示。
6.根据权利要求5所述的河口航道水沙运动及其地形演变整体建模及可视化***，其特征在于，所述元数据信息补充，支持对数据实体信息进行可视化配置，修改补充相关信息，如字段别名、提示信息、数据字典，对应的可视化的图标，以提高数据的可读性和可理解性；
所述数据实体分类如下：
建立数据实体类别列表；
将数据按实体类别对数据进行分类；
设置数据分类图标；
支持数据实体类别维护，包括新增、编辑、删除实体类别；
所述配置数据字典，支持可视化配置数据字典，提高数据的可用性和可理解性，有常用的公安数据字典库，可灵活添加新的数据字典，在建模、数据可视化时可使用数据字典将数据自动转换为对照的中文含义。
7.根据权利要求1所述的河口航道水沙运动及其地形演变整体建模及可视化***，其特征在于，所述S7中，可视化任务管理包括可视化配置任务、可视化管理任务和结果集访问；
所述可视化配置任务：
支持添加新计算任务，设置任务基本信息、运行参数、调度信息、增全量数据信息；
支持编辑计算任务的启动时间；
支持配置任务类型，如临时任务、手工任务、计划任务；
所述可视化管理任务：
支持浏览和查询任务信息，包括任务名称、任务状态、创建时间、最近执行时间和调度信息；
支持删除、启用、停用计算任务；
所述结果集访问：
计算任务执行成功后，用户可以预览数据结果；
支持下载结果集；
支持一个模型输出多个结果集进行预览和数据下载功能；
对计划任务类型中的历史任务产生的数据也要提供预览和数据下载功能。
8.根据权利要求1所述的河口航道水沙运动及其地形演变整体建模及可视化***，其特征在于，所述S7中，可视化报告设计支持对结果集再次进行多维分析，具体功能包括：
数据可视化功能包括：支持常用图表类型20个以上，其中常用包括：柱状图、趋势图、饼图、气泡图、地图、组合图、指标图、分组表、明细表、雷达图、词云图、面积图、环状图、热力图、迁徙图；
提供大于等于5个常用报表模板，大屏展示模板；
图表公共的查询条件配置功能；
报表提供根据时间间隔进行自动数据刷新功能。
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