CN103590363A - 下切性河段水位降幅的控制节点定位防护方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种下切性河段水位降幅的控制节点定位防护方法，包括侧蚀区间与深蚀区间的划分；将目标河段网格化，建立平面二维水流数学模型并进行参数率定及验证；将防护工程概化到平面二维水流数学模型，确定防护工程的布置区域及宽度；得到每种工况相应的局部比降增幅和上游水位增幅，对每个网格序列分别分析；选取最关键的节点或其他影响显著的节点，对于侧蚀节点，布置潜锁坝、护滩带于支汊或洲滩上，对于深蚀节点，布置护底带或潜锁坝于主槽内。本发明将节点类型划分为侧蚀节点与深蚀节点，提出了不同类型节点的守护部位差异，通过对比局部河段布置防护工程的效率，对节点位置进行精确定位，有力保障了防护工程的最优效率。

Description

下切性河段水位降幅的控制节点定位防护方法

技术领域

本发明涉及水利水运工程技术领域，特别针对水库下游河床冲刷过程中的水位降落防控，提出了抑制水位降幅的关键节点河段的定位防护方法。

背景技术

水库下游普遍存在河床冲刷，河床冲刷下切造成中枯水位显著下降，导致航槽水深减小，两岸地下水位降低，不利于航运、沿岸取水和工农业生产。在下切区间内选取对水位具有控制作用的关键节点位置，并在这些位置实施守护工程措施，是减小水位降落危害的重要手段，而如何选择对水位控制作用较强的节点河段，从而提高工程效率、增加工程效果，是河道防护措施研究中的关键问题。天然河道形态极不规则，沿程宽窄相间、深泓凹凸起伏，而水库下游的河床冲刷存在深蚀、侧蚀两种方式，不同位置发生不同的变形方式，对水位具有不同的影响幅度，应对节点位置进行定位、节点类型进行划分，并针对性地采取不同措施。已有研究直接将河道深泓纵剖面起伏程度突变或枯期水面线比降突变位置作为节点河段位置，或者用枯期水面线的沿程落差来筛选节点河段位置，在工程实践中应用极为不便，而且容易漏选、错选较为重要的节点，从而不利于防护工程效果的实现，也会增大经济成本。

发明内容

本发明提供一种河床下切防护节点的定位方法，从而使水库下游下切性河道的水位得到更好的控制。

为实现上述目的，本发明提供一种下切性河段水位降幅的控制节点定位防护方法，包括以下步骤：

步骤1，侧蚀区间与深蚀区间的划分，包括将目标河段根据测点的位置划分为若干区间，依据时段始、末年份各自的水位流量关系趋势线，得出各区间上游点的时段内第二造床流量下的水位降幅DZ¹和最枯流量下的水位降幅DZ₂，求取各区间上游点的比值DT=DZ₁/DZ₂，在目标河段内对DT取平均值DTA，各区间上游点的DT值分别与DTA值相比较，

若DT>DTA，则该区间为侧蚀区间，侧蚀区间内节点为侧蚀节点；

若DT≤DTA，则该区间为深蚀区间，深蚀区间内节点为深蚀节点；

步骤2，将目标河段网格化，建立平面二维水流数学模型并进行参数率定及验证；所述将目标河段网格化，包括首先在垂直水流方向的断面划线构成网格横断面，设有m个网格横断面，然后在每个网格横断面上分n节，得到m×n个网格，构成n个网格序列，每个网格序列包括沿河岸方向的m个网格；

步骤3，将防护工程概化到平面二维水流数学模型，确定防护工程的布置区域及宽度，

所述将防护工程概化到平面二维水流数学模型，包括将地形高程按工程高度增加和将工程局部糙率按糙率系数C增大；

所述确定防护工程的布置区域及宽度，包括侧蚀节点防护工程布置于洲滩与支汊，宽度为布置区域湿周宽度；深蚀节点防护工程布置于主槽内，宽度为主槽内湿周宽度。

步骤4，设一个节点的长度包括N个网格横断面，对每个网格序列分别得出所有节点的相应工况如下，

第1种工况取网格序列中第1～N个网格，第1～N个网格构成的节点处于位置1，第2种工况取网格序列中第2～N+2个网格，第2～N+2个网格构成的节点处于位置2，…，第m-N+1种工况取网格序列中第m-N+1～m个网格，第m-N+1～m个网格构成的节点处于位置m-N+1；

按每个节点的类型为侧蚀节点或深蚀节点，对节点中的N个网格采用步骤3中相应的概化结果，得到每种工况相应的局部比降增幅和上游水位增幅；

步骤5，对每个网格序列分别分析如下，

根据步骤4所得每种工况的局部比降增幅和上游水位增幅，求得相应局部比降增幅平均值JA和上游水位增幅△ZA，得到局部比降增幅大于JA的位置集合S₁和上游水位增幅大于△ZA的位置集合S₂，取S₁与S₂的并集S₁∪S₂中的位置均为影响显著的节点，取S₁与S₂的交集S₁∩S₂中的位置为最关键的节点；

步骤6，选取最关键的节点或其他影响显著的节点，对于侧蚀节点，布置潜锁坝、护滩带于支汊或洲滩上，对于深蚀节点，布置护底带或潜锁坝于主槽内。

而且，糙率系数C根据下式确定，

$C=C_0\frac{k_0}{k}{\left(\frac{D}{D_0}\right)}^{1/6}$

其中，C为河床粗化后的糙率系数，C₀为河床粗化前的糙率系数，D₀为粗化后的床沙中值粒径，D为粗化前的床沙中值粒径，k₀、k为河床粗化前后的有关系数。

与已有方法相比，本发明克服了以往方法的局限性，将目标河段内各节点划分为侧蚀节点与深蚀节点，并提出了不同类型节点的守护部位差异，通过对比局部河段布置防护工程的效率，在长河段内对节点位置进行搜索并对节点位置进行精确定位，根据确定的防护节点，给出了适合的防护工程，从而使水库下游下切性河道的水位得到更好的控制。

附图说明

图1为本发明实施例中的流程示意图。

图2为本发明实施例中的节点类型划分图。

图3为本发明实施例的网格剖分示意图。

图4为本发明实施例中各工况防护工程布置示意图。

图5为本发明实施例中护底后的枯水水面比降变化图。

图6为本发明实施例中护底后的上游枯水位变化图。

具体实施方式

本发明根据冲刷河段水位流量关系变化规律，借助河道平面二维水流数学模型，能够较为准确地定位出河床变形对水位降幅影响较大的关键节点河段，并确定出应采取的工程类型。本领域技术人员可采用计算机软件技术实现自动运行本发明技术方案。以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。

天然河道内存在侧蚀与深蚀两种冲刷下切方式，均引起水位下降，两种节点河段的防护部位应有所区别。侧蚀主要发生于支汊、边滩等高于深泓的部位，枯水河槽以展宽为主，在一定流量范围内，水位降幅随流量增大而增大，防护工程应布置于洲滩与支汊等位置；深蚀主要造成深泓下切，枯水河槽以窄深化为主，在一定流量范围内，各级流量下的水位降幅差异较小，防护位置应布置于主河槽内。参见图1，实施例是某水库下游某河段，结合水文地形资料按照以下步骤实现下切性河段水位降幅的控制节点定位及在定位的节点上建立适合的防护工程，具体步骤如下：

（1）侧蚀区间与深蚀区间的划分；根据不同类型变形方式对水位降幅的影响差异，可对区间进行划分，以便后续决定节点类型，具体方法为：

a.将目标河段根据测点（水尺或水位站）的位置划分为若干区间，根据低于第二造床流量的枯期流量、水位资料，其中包含各站从水库蓄水至今历年的水位流量关系，可得研究时段的时段始、末两个年份各自的水位流量关系趋势线；

b.依据时段始、末年份各自的水位流量关系趋势线，根据已有规范计算第二造床流量，查找第二造床流量下的水位、最枯流量下的水位，得出各区间上游点的时段内第二造床流量下的水位降幅DZ₁和最枯流量下的水位降幅DZ₂，求取各区间上游点的比值DT=DZ₁/DZ₂，在目标河段内对DT取平均值DTA，各区间上游点的DT值与DTA值相比较，

若DT>DTA，则区间内以侧蚀为主，可称为侧蚀区间，侧蚀区间内节点为侧蚀节点；

若DT≤DTA，则区间内以深蚀为主，可称为深蚀区间，深蚀区间内节点为深蚀节点。

两个测点之间为一个区间，区间上游点即其中处于上游的测点。

实施例点绘沿程各位置水位流量关系，计算河段内DTA为1.46，如图2所示，沿程分布的4把水尺标记为1号水尺、2号水尺、3号水尺、4号水尺，1号水尺和2号水尺之间、2号水尺和3号水尺之间、3号水尺和4号水尺之间各为一个区间，各区间上游点2号水尺、3号水尺、4号水尺的DT值与DTA值相比较，2号水尺、3号水尺的DT小于虚线所示DTA，4号水尺的DT大于虚线所示DTA，可见1号至3号水尺之间为深蚀区间，4号水尺以下为侧蚀区间。

（2）建立目标河段内的平面二维水流数学模型。将目标河段河道网格化，建立平面二维水流数学模型，并根据河段内最新实测地形及水文资料，对数学模型进行参数率定，使其能够反映河段内当前的水流运动特点。

实施例对目标河段进行平面矩形网格剖分，具体剖分方式为现有技术，首先在垂直水流方向的断面划线构成网格横断面，设有m个网格横断面，然后在每个网格横断面上分n节，即可在目标河段的平面上得到m×n个网格（点），如图3，实施例中网格横断面个数m=426，节数n=100。具体实施时，可采用现有技术建立平面二维水流数学模型，地形采用最新地形，依据实测水文资料，对模型参数进行了率定，且验证效果良好，可反映河道内的水流运动特点。

（3）防护工程的概化，以及防护工程的布置区域及宽度的确定。

a.防护工程的概化：防护工程一般采用护底带或浅锁坝等形式，概化到平面二维水流数学模型中即为地形高程的增加与工程局部糙率的增大，加高高度取所建工程高度，工程局部糙率的增大确定通过糙率系数C实现，实施例中糙率系数C根据

来确定，其中C₀、D₀为原始河床的糙率与床沙中值粒径，即C为河床粗化后的糙率系数；C₀为河床粗化前的糙率系数；D₀为粗化后的床沙中值粒径；D为粗化前的床沙中值粒径；k₀、k为河床粗化前后的有关系数，与床面上沙波形态有关，具体获取为现有技术。实施例概化防护工程，将其高度取1m。

b.防护工程的布置区域及宽度的确定：侧蚀节点防护工程布置于洲滩与支汊，宽度为布置区域湿周宽度；深蚀节点防护工程布置于主槽内，宽度为主槽内湿周宽度。

（4）得出局部河段防护后的效率。设一个节点的长度包括N个网格横断面，在模型中，每次取护底工程的纵向长度为N个网格单元，即沿河方向N个网格单元。取具体实施时本领域技术人员可自行预先设定N的取值。每个网格单元按照所属节点类型选择（3）中确定的相应工程概化及糙率确定方式；设目标河段内共m个断面，分别令护底带位于紧邻第1个断面下游的1～N个网格内，位于紧邻第2个断面以下的2～N+1个网格内，…直至令其位于第m-N+1个断面以下的m-N+1～m个网格内，这样所得m-N+1种节点的位置分别以工程第一个断面位置为代表进行编号，记为位置1、2…m-N+1。共计得到m-N+1种工况，计算每种工况造成的枯水水流条件变化，由相邻两个断面水位差除以断面之间距离计算比降，具体计算为现有技术。计算时所需代表性枯水流量取历年最枯流量的多年平均值，计算结果为局部比降增幅、上游水位增幅。

实施例的目标河段内共m=426个断面，共n个纵向的网格序列，每个网格序列有426个网格单元，对每个网格序列分别处理：

每次取防护工程纵向长度为N=4个网格单元，每个网格单元按照所属节点类型选择工程概化及糙率计算方式，共计得到423种工况，如图4所示，第1种工况令护底带位于紧邻第1个断面下游的1、2、3、4个网格内，相应节点的位置记为位置1；第2种工况令护底带位于紧邻第1个断面下游的2、3、4、5个网格内，相应节点的位置记为位置2；第3种工况令护底带位于紧邻第1个断面下游的3、4、5、6个网格内，相应节点的位置记为位置3；依次类推…第423种工况令护底带位于紧邻第1个断面下游的423、424、425、426个网格内，相应节点的位置记为位置423。多年平均最枯流量为5600m³/s。

（5）对（4）的计算结果进行分析，对每个网格序列分别优选节点：衡量护底工程效率通过两方面的指标，一是护底前后的局部比降变化，比降如果显著增大，说明该位置实施护底效率高；二是护底前后的上游水位变幅，上游水位若显著幅大，说明该位置护底对控制水位的作用大。

对每个网格序列，分别根据（4）所得各位置1、2…m-N+1的节点实施工程后局部比降增幅、上游水位增幅，对实施工程后的局部比降增幅及上游水位增幅分别求取平均值JA、△ZA，得到局部比降增幅大于JA的位置集合S₁，上游水位增幅大于△ZA的位置集合为S₂，则取S₁与S₂的并集S₁∪S₂中的位置均为影响显著的节点，取S₁与S₂的交集S₁∩S₂中的位置为最关键的节点位置。

（6）根据河段内水位防控的目标，视需要来选择最关键节点或其他影响显著的节点位置，并根据节点类型来布置工程措施，对于侧蚀节点，布置潜锁坝、护滩带于支汊或洲滩上，对于深蚀节点，布置护底带或潜锁坝于主槽内。一般优先防护最关键节点，若难以达到目标，则继而防护影响显著节点。

实施例计算结果见图5与图6，假设对某个网格序列相应所有位置都采用护底带进行防护，护底工程实施后，对各护底带起始断面位置比较原始比较和实施护底后的比降，能够引起局部比降显著变化的位置区域有10处。其中1#、2#、3#、4#、5#为深蚀节点，6#、7#、8#、9#、10#为深蚀节点。1#、2#、8#是比降最大的区域，护底后比降可达4/10000～5/10000。从护底后上游水位变幅来看，1#、2#、7#、8#区域护底对上游水位的直接影响最大。

因此，1#-10#区域均为控制水位降幅显著的节点，1#、2#、7#、8#区域是最为关键的节点。其中1#-5#为深蚀节点，6#-10#为侧蚀节点。根据控制水位下切工程布置的需要在该影响显著节点和最关键节点的位置，对于侧蚀节点6#-10#，布置潜锁坝、护滩带于支汊、洲滩上，对于深蚀节点1#-5#，布置护底带或潜锁坝于主槽内。这样优先防护最为关键节点1#、2#、7#、8#区域，其次防护其它影响显著节点。

基于以上步骤，可在目标河段内的n个网格序列分别优选防护节点，并进行最合适的防护。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，并不会偏离本发明的精神或者超过所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.一种下切性河段水位降幅的控制节点定位防护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，侧蚀区间与深蚀区间的划分，包括将目标河段根据测点的位置划分为若干区间，依据时段始、末年份各自的水位流量关系趋势线，得出各区间上游点的时段内第二造床流量下的水位降幅DZ₁和最枯流量下的水位降幅DZ₂，求取各区间上游点的比值DT=DZ₁/DZ₂，在目标河段内对DT取平均值DTA，各区间上游点的DT值分别与DTA值相比较，

若DT>DTA，则该区间为侧蚀区间，侧蚀区间内节点为侧蚀节点；

若DT≤DTA，则该区间为深蚀区间，深蚀区间内节点为深蚀节点；

步骤2，将目标河段网格化，建立平面二维水流数学模型并进行参数率定及验证；所述将目标河段网格化，包括首先在垂直水流方向的断面划线构成网格横断面，设有m个网格横断面，然后在每个网格横断面上分n节，得到m×n个网格，构成n个网格序列，每个网格序列包括沿河岸方向的m个网格；

步骤3，将防护工程概化到平面二维水流数学模型，确定防护工程的布置区域及宽度，

所述将防护工程概化到平面二维水流数学模型，包括将地形高程按工程高度增加和将工程局部糙率按糙率系数C增大；

所述确定防护工程的布置区域及宽度，包括侧蚀节点防护工程布置于洲滩与支汊，宽度为布置区域湿周宽度；深蚀节点防护工程布置于主槽内，宽度为主槽内湿周宽度。

步骤4，设一个节点的长度包括N个网格横断面，对每个网格序列分别得出所有节点的相应工况如下，

第1种工况取网格序列中第1～N个网格，第1～N个网格构成的节点处于位置1，第2种工况取网格序列中第2～N+2个网格，第2～N+2个网格构成的节点处于位置2，…，第m-N+1种工况取网格序列中第m-N+1～m个网格，第m-N+1～m个网格构成的节点处于位置m-N+1；

按每个节点的类型为侧蚀节点或深蚀节点，对节点中的N个网格采用步骤3中相应的概化结果，得到每种工况相应的局部比降增幅和上游水位增幅；

步骤5，对每个网格序列分别分析如下，

根据步骤4所得每种工况的局部比降增幅和上游水位增幅，求得相应局部比降增幅平均值JA和上游水位增幅△ZA，得到局部比降增幅大于JA的位置集合S₁和上游水位增幅大于△ZA的位置集合S₂，取S₁与S₂的并集S₁∪S₂中的位置均为影响显著的节点，取S₁与S₂的交集S₁∩S₂中的位置为最关键的节点；

步骤6，选取最关键的节点或其他影响显著的节点，对于侧蚀节点，布置潜锁坝、护滩带于支汊或洲滩上，对于深蚀节点，布置护底带或潜锁坝于主槽内。

2.根据权利要求1所述下切性河段水位降幅的控制节点定位防护方法，其特征在于：糙率系数C根据下式确定，

$C=C_0\frac{k_0}{k}{\left(\frac{D}{D_0}\right)}^{1/6}$

其中，C为河床粗化后的糙率系数，C₀为河床粗化前的糙率系数，D₀为粗化后的床沙中值粒径，D为粗化前的床沙中值粒径，k₀、k为河床粗化前后的有关系数。

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