CN104631392A - 一种基于河相关系的航道整治设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于河相关系的航道整治设计方法，包括由如下步骤：步骤一、计算航道沿程各断面特征流量；步骤二、计算航道河床断面面积、河宽和平均水深特征值；步骤三、拟合航道的河相关系式；步骤四，计算航道宽深比，并归类统计；步骤五、利用所述步骤四中所确定的河相关系和宽深比，进行航道整治工程的尺寸设计。本发明克服了以往航道整治过多依赖工程实践累积经验的缺陷，设计方法简洁、节省时间，能够适应与满足不同河床地貌形态的航道段的整治要求。

Description

一种基于河相关系的航道整治设计方法

技术领域

本发明涉及一种航道整治的设计方法，特别是涉及一种基于河相关系的航道整治设计方法。

背景技术

随着我国流域经济发展，流域两岸开发进程不断加快，为满足运量快速增长的需求，适应船舶大型化的发展需要，对航道等级需求也越来越高。实践中提高航道等级主要采取工程手段，改善或维护航道通航尺度，常用的方法有疏浚和整治。疏浚费用较高，且容易回淤。而航道整治方法可因势利导，顺应河势，具有稳定、改善航道航行条件的优点。

现有的航道整治方法，一般是根据内河航道整治理论进行航道整治设计，即：基于输沙平衡等原理确定整治水位和航道宽度，进行整个航道的整治设计。其中，整治水位采用优良平摊水位法、多年平均流量法、造床流量法或水位与航深关系法等，并结合河段的整治经验分析确定；整治宽度根据河段的具体情况和整治经验综合分析确定。而河段经实践检验效果良好的经验公式，则作为计算整治线宽度的主要依据，在缺乏整治经验的河流上，整治线宽度采用优良河段模拟法、实测河宽与水深关系法或理论计算法确定。这种设计方法的缺陷是：一是过多依赖工程实践的积累经验，耗时长，二是对于不同形态的航道段如河口段的整治仍沿用内河航道整治理论进行设计，无法满足实际的航道全程河床地貌形态的整治要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于河相关系的航道整治设计方法，其克服了以往航道整治过多依赖工程实践的积累经验的缺陷，方法简洁、节省时间，能够适应与满足不同河床地貌形态的航道段的整治要求。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。

一种基于河相关系的航道整治设计方法，其特征在于包括由如下步骤：

步骤一、计算航道沿程各断面特征流量；根据航道水下地形实测资料，在研究区域将河段均匀分为若干个断面；根据研究区域地形及相关水文资料，建立二维平面潮流数学模型并采用数值方法对其求解，利用实测水文资料对模型参数进行率定，验证达到精度要求后进行工程后的潮流数值模拟；

步骤二、计算航道河床断面面积、河宽和平均水深特征值：根据水下地形实测资料，统计各断面平均特征流量对应的水位线以下河床的断面面积、河宽和平均水深特征值；

步骤三、拟合航道的河相关系式：简化基于河床最小活动性原理的河相关系公式，利用简化的河相关系公式线性回归分析上述计算所得的特征流量与断面面积，建立能真实反映天然情况下水流动力条件特征流量与河床面积间的河相关系经验公式；

步骤四、计算航道宽深比，并归类统计；

步骤五、利用所述步骤四中所确定的河相关系和宽深比，进行航道整治工程的尺寸设计。

在所述步骤一中，所述二维平面潮流数学模型的控制方程式分别是：

$\frac{\∂U_x}{\∂t}+U_x\frac{{\∂U}_x}{\∂x}+U_y\frac{\∂U_x}{\∂y}={\mathrm{fU}}_y-g\frac{\∂\mathrm{\ζ}}{\∂x}-\frac{{\mathrm{\τ}}_x}{\mathrm{\ρ}(h+\mathrm{\ζ})}+N_x(\frac{{{\∂}^{2}U}_x}{\∂x^2}+\frac{{{\∂}^{2}U}_x}{\∂y^2})---\left(2\right)$

$\frac{\∂U_y}{\∂t}+U_x\frac{{\∂U}_y}{\∂x}+U_y\frac{\∂U_y}{\∂y}=-{\mathrm{fU}}_x-g\frac{\∂\mathrm{\ζ}}{\∂y}-\frac{{\mathrm{\τ}}_y}{\mathrm{\ρ}(h+\mathrm{\ζ})}+N_y(\frac{{{\∂}^{2}U}_y}{\∂x^2}+\frac{{{\∂}^{2}U}_y}{\∂y^2})---\left(3\right)$

其中：x、y为直角坐标系坐标；t为时间变量；h为平均水深；ζ为相对于平均海平面的潮位；U_x、U_y为x、y方向上的垂线平均速度；ρ为水流密度；g为重力加速度；N_x、N_y为x、y方向的水平紊动粘性系数；f为科氏参数，即f﹦2ωsinφ，其中ω为地球旋转角速度、φ为纬度；选取特征流量作为代表流量，利用潮流数学模型计算沿程各断面平均特征流量。

所述步骤三的具体过程为：

依据将河床最小活动性原理应用到潮汐河流而提出的河相关系公式：

$A=1.075{\left(\frac{{\mathrm{\β}}^2{k}^2{Q}_e^8}{g^2{u}_{\mathrm{os}}^2{s_e}^2{\mathrm{\α}}^2{u}_{\mathrm{ob}}^2}\right)}^{1/9}---\left(4\right)$

将面积与特征流量间关系简化为：A＝kQ^8/9      (5)

利用公式(5)将上述计算出的特征流量Q^8/9与断面面积A进行线性回归分析，确定出拟合良好的河相关系式斜率k，建立能真实反映天然情况下水流动力条件特征流量与河床面积间的河相关系经验公式。

所述步骤四的具体过程为：依据所述步骤二所统计的沿程各断面的河宽和平均水深，根据宽深关系公式：计算各断面宽深比，将研究区域河段分为弯曲段、过渡段、微弯段三种河段形态，统计其宽深比变化范围及特征。针对不同河段形态进行宽深比计算，并分析其中存在的规律，重点是宽深比的大小和变化范围，分析确定各种河段形态最为合适的整治宽深比。

所述步骤五的具体过程为：按照航道等级规划要求，结合拟整治河段的形态特征，按照所述步骤四中所确定的宽深比数值与河相关系式，由断面积公式A＝BH，计算出整治宽度，从而进行航道整治工程尺寸设计。

由此，完成基于河相关系的航道整治设计全过程。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1.本发明基于河相关系，使用简便，符合河道演变规律，克服了以往航道整治过多依赖工程实践的积累经验的缺陷。

2.本发明提出了航道弯曲段、过渡段、微弯段三种特征形态的断面宽深比变化特点，适合各河流宽深比统计归类，能够适应与满足不同河床地貌形态的航道段的整治要求。

3.本发明尤其适合河床冲淤平衡的航道整治工程设计。

附图说明

图1是本发明所述一种基于河相关系的航道整治设计方法的流程图。

图2是本发明的一个实施例江苏省灌河断面位置图。其中，灌河大桥为1#断面，各断面相距800m，局部河床形态变化较大加密，东三汊到灌河响水大桥为-19#～1#，灌河响水大桥到燕尾港河段为1#～42#。

图3是灌河二维潮流数学模型图。其中，模型东西宽约104km，南北长约140km，范围约14560km²。

图4是灌河的-20#～42#断面的河相关系图。

图5是灌河的-20#～39#断面河相关系图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

本发明设计方法的原理为：航道整治设计应依据航道的演变规律来进行，而河相关系反映了航道动力因子与河床地貌形态的定量关系。所以，本发明利用所建立的潮流数学模型，计算沿程特征流量，建立流量与河道断面面积之间的河相关系，同时分析沿程弯曲段、过渡段、微弯段等具有不同河段形态的河床断面宽深比，利用河相关系结合河床宽深比特征进行航道整治工程设计。

本发明所述的一种基于河相关系的航道整治设计方法，其特征在于包括由如下步骤：

步骤一、计算航道沿程各断面特征流量；根据航道水下地形实测资料，在研究区域将河段均匀分为若干个断面；根据研究区域地形及相关水文资料，建立二维平面潮流数学模型并采用数值方法对其求解，利用实测水文资料对模型参数进行率定，验证达到精度要求后进行工程后的潮流数值模拟；

步骤二、计算航道河床断面面积、河宽和平均水深特征值：根据水下地形实测资料，统计各断面平均特征流量对应的水位线以下河床的断面面积、河宽和平均水深特征值；

步骤三、拟合航道的河相关系式：简化基于河床最小活动性原理的河相关系公式，利用简化的河相关系公式线性回归分析上述计算所得的特征流量与断面面积，建立能真实反映天然情况下水流动力条件特征流量与河床面积间的河相关系经验公式；

步骤四、计算航道宽深比，并归类统计；

步骤五、利用所述步骤四中所确定的河相关系和宽深比，进行航道整治工程的尺寸设计。

在所述步骤一中，所述二维平面潮流数学模型的控制方程式分别是：

$\frac{\∂U_x}{\∂t}+U_x\frac{{\∂U}_x}{\∂x}+U_y\frac{\∂U_x}{\∂y}={\mathrm{fU}}_y-g\frac{\∂\mathrm{\ζ}}{\∂x}-\frac{{\mathrm{\τ}}_x}{\mathrm{\ρ}(h+\mathrm{\ζ})}+N_x(\frac{{{\∂}^{2}U}_x}{\∂x^2}+\frac{{{\∂}^{2}U}_x}{\∂y^2})---\left(2\right)$

$\frac{\∂U_y}{\∂t}+U_x\frac{{\∂U}_y}{\∂x}+U_y\frac{\∂U_y}{\∂y}=-{\mathrm{fU}}_x-g\frac{\∂\mathrm{\ζ}}{\∂y}-\frac{{\mathrm{\τ}}_y}{\mathrm{\ρ}(h+\mathrm{\ζ})}+N_y(\frac{{{\∂}^{2}U}_y}{\∂x^2}+\frac{{{\∂}^{2}U}_y}{\∂y^2})---\left(3\right)$

其中：x、y为直角坐标系坐标；t为时间变量；h为平均水深；ζ为相对于平均海平面的潮位；U_x、U_y为x、y方向上的垂线平均速度；ρ为水流密度；g为重力加速度；N_x、N_y为x、y方向的水平紊动粘性系数；f为科氏参数，即f﹦2ωsinφ，其中ω为地球旋转角速度、φ为纬度；选取特征流量作为代表流量，利用潮流数学模型计算沿程各断面平均特征流量。

所述步骤三的具体过程为：

依据将河床最小活动性原理应用到潮汐河流而提出的河相关系公式：

$A=1.075{\left(\frac{{\mathrm{\β}}^2{k}^2{Q}_e^8}{g^2{u}_{\mathrm{os}}^2{s_e}^2{\mathrm{\α}}^2{u}_{\mathrm{ob}}^2}\right)}^{1/9}---\left(4\right)$

将面积与特征流量间关系简化为：A＝kQ^8/9         (5)

利用公式(5)将上述计算出的特征流量Q^8/9与断面面积A进行线性回归分析，确定出拟合良好的河相关系式斜率k，建立能真实反映天然情况下水流动力条件特征流量与河床面积间的河相关系经验公式。

所述步骤四的具体过程为：依据所述步骤二所统计的沿程各断面的河宽和平均水深，根据宽深关系公式：计算各断面宽深比，将研究区域河段分为弯曲段、过渡段、微弯段三种河段形态，统计其宽深比变化范围及特征。针对不同河段形态进行宽深比计算，并分析其中存在的规律，重点是宽深比的大小和变化范围，分析确定各种河段形态最为合适的整治宽深比。

所述步骤五的具体过程为：按照航道等级规划要求，结合拟整治河段的形态特征，按照所述步骤四中所确定的宽深比数值与河相关系式，由断面积公式A＝BH，计算出整治宽度，从而进行航道整治工程尺寸设计。

由此，完成基于河相关系的航道整治设计全过程。

灌河作为江苏省北部地区最大的入海潮汐河流，河宽300～1000m，水深7～11m，常年不封冻，河床冲淤变化较小，总体上处于平衡状态。现结合灌河航道实例，说明本发明的具体实施步骤。

步骤一、计算沿程各断面特征流量：

利用2006年灌河水下实测地形图，将东三叉至燕尾港河段均匀分为62个断面，断面位置见图2(以灌河大桥为1#断面，各断面相距800m，局部河床形态变化较大加密，东三汊到灌河响水大桥为-19#～1#，灌河响水大桥到燕尾港河段为1#～42#)。建立并验证北起日照市(E119°30′46″，N35°22′31″)，南至废黄河口附近(E120°16′51″，N34°18′3″)，外海至-20m等深线外，灌河上游至盐东控制工程，模型东西宽约104km，南北长约140km，范围约14560km²的潮流数学模型，详见图3，利用现场实测资料对数学模型进行验证。选取2004年6月3日～6月5日大潮作为代表潮型，利用潮流数学模型计算沿程62个断面平均落潮流量作为特征流量。

步骤二、计算河床断面面积、河宽和平均水深特征值：

利用2006年灌河水下实测地形图，统计东三汊至燕尾港河段62个断面，各断面0m线(中国国家85高程基面，下同)以下河床断面面积和河宽等特征值。

步骤三、拟合河相关系式：

将各断面计算得到的平均潮位下面积(A)与落潮平均流量的8/9次方(Q^8/9)作为散点，点绘于平面(x,y)坐标系，并进行线性回归分析，见图4。由图4可以得到经验公式：

$A=2.96Q_e^{8/9}---\left(4\right)$

由此可见：沿程各断面面积A与落潮流量Q^8/9之间存在明显线性关系，相关系数高达R²＝0.95，说明灌河的河相关系具有较好的稳定性。

图4中位于新沂河下游的40#、41#、42#断面点(图4中右侧最后3个点)与其它点的分布趋势有明显不同(偏下)，经过分析，可能与新沂河泄洪有关，而二维潮流数值模型难以反映新沂河行洪对所在河段的影响。图5为去掉40#、41#、42#断面点后得到的河相关系图，相关系数R²＝0.97，更能反映灌河河相关系的内在实质。根据图5，按照线性回归方法，可得到经验公式：

$A=2.84Q_e^{8/9}---\left(5\right)$

步骤四、计算宽深比，并归类统计：

在水流与河床的长期相互作用下，宽度与平均水深之间可能存在某种关系。前苏联水文研究所根据大量水文测验资料，获得平原河流平均宽度与平均水深之间的关系：

$\sqrt{B}/H=a---\left(6\right)$

式中：系数a为常数，根据水文测验资料平均等于2.74，对于易冲刷的沙底河流达到5.5，对于陡岩的山区河流则降到1.4，国内外关于参数a的解释众多，代表性看法是把参数a看作反映河床和河岸组成的综合参数。

选取灌河响水大桥以下39个断面作为讨论对象进行分析，灌河响水大桥至新沂河口河段1#～39#断面的特征值见表1。结果表明：在自然状态下，灌河沿程各断面的宽深比并不是一个常数，介于2.02～5.91，变化较大。其中，2.0～2.5共4个断面，2.5～3.0共10个断面，3.0～3.5共9个断面，3.5～4.0共9个断面，4.0～5.0共6个断面，大于5.0共1个断面。

表1、灌河响水大桥至新沂河口河段断面特征及航道整治断面表

在上述统计断面中，29#断面宽深比最大为5.91、平均水深最小为4.7，从图4可以看出该断面位于弯曲过渡段，航道条件最差。进一步分析可以发现：宽深比介于4.0～5.0的6个断面，分别为23#、26#、30#、33#、38#和39#断面，均位于弯道的过渡段，其水深条件较邻近断面要差，是影响灌河航道条件的关键节点河段。实际上不难发现：弯曲过渡段断面的宽深比相对其它断面都要大，如宽深比介于3.5～4.0的9个弯曲过渡段断面，水深条件也要比其他断面水深条件差一些，均是改善航道需要重点关注的对象。而宽深比介于2.0～2.5的四个断面，均靠近弯道顶端，水深条件较好，是灌河航道水深条件较好的河段。微弯段宽深比介于2.5～3.5之间，水深条件较弯道段断面要差，但较弯道过渡段水深条件要好。从上述分析可以看出，灌河沿程的水深条件与河段形态特征密切相关，弯曲段水深最好，宽深比最小可达2.02；微弯段次之，宽深比最小可至2.5；过渡段水深最差，宽深比最小只能达3.5。

步骤五、利用河相关系和宽深比，进行航道整治工程的尺寸设计；

灌河为天然潮汐河流，全程处于潮流界，潮流作用强，维持灌河常年稳定水深和过水断面的动力为潮流，因此只要纳潮量不发生大的变化，将维持河床稳定的基本格局。根据公式(5)，可知灌河河道断面面积与落潮流量密切相关，落潮流量决定了断面面积；而根据表1，可看出断面宽深比并非一个定值，主要与局部河段的形态特征有关。由此可见，自然状态下潮汐河流的落潮流量虽然决定了河床断面面积，但是断面形状是可以调整的，具有一定的可调控性。

由此可为潮汐河流整治提供思路，即：①在自然状态下，潮汐河流的潮流量沿程基本稳定，河床过水断面也不会发生变化，河道水深、宽度相互制约，一方的增加通常会导致另一方的减小，这也意味着航道整治不可能既增加航道水深又增加航道宽度；②在潮流量不变的情况下，尽管过水断面积不会改变，但是，可以通过调整宽深比来达到改善航道条件的目的；③在实际整治过程中，可以根据河段的形态特征来选择相应的优良河段宽深比，如灌河的微弯段宽深比可以整治到2.5，弯曲过渡段可以整治到3.5，弯曲段可以整治到2.02，在此基础上，可以利用河相关系公式(5)和断面积公式A＝BH，进而计算出整治后河道宽度。

Claims (5)

1.一种基于河相关系的航道整治设计方法，其特征在于包括由如下步骤：

步骤一、计算航道沿程各断面特征流量；根据航道水下地形实测资料，在研究区域将河段均匀分为若干个断面；根据研究区域地形及相关水文资料，建立二维平面潮流数学模型并采用数值方法对其求解，利用实测水文资料对模型参数进行率定，验证达到精度要求后进行工程后的潮流数值模拟；

步骤二、计算航道河床断面面积、河宽和平均水深特征值：根据水下地形实测资料，统计各断面平均特征流量对应的水位线以下河床的断面面积、河宽和平均水深特征值；

步骤三、拟合航道的河相关系式：简化基于河床最小活动性原理的河相关系公式，利用简化的河相关系公式线性回归分析上述计算所得的特征流量与断面面积，建立能真实反映天然情况下水流动力条件特征流量与河床面积间的河相关系经验公式；

步骤四、计算航道宽深比，并归类统计；

步骤五、利用所述步骤四中所确定的河相关系和宽深比，进行航道整治工程的尺寸设计。

2.根据权利要求1所述的一种基于河相关系的航道整治设计方法，其特征在于：在所述步骤一中，所述二维平面潮流数学模型的控制方程式分别是：

$\frac{{\∂U}_x}{\∂t}+U_x\frac{{\∂U}_x}{\∂x}+U_y\frac{{\∂U}_x}{\∂y}={\mathrm{fU}}_y-g\frac{\∂\mathrm{\ζ}}{\∂x}-\frac{{\mathrm{\τ}}_x}{\mathrm{\ρ}(h+\mathrm{\ζ})}+N_x(\frac{{\∂}^2{U}_x}{{\∂x}^2}+\frac{{\∂}^2{U}_x}{{\∂y}^2})---\left(2\right)$

$\frac{{\∂U}_y}{\∂t}+U_x\frac{{\∂U}_y}{\∂x}+U_y\frac{{\∂U}_y}{\∂y}={-\mathrm{fU}}_x-g\frac{\∂\mathrm{\ζ}}{\∂y}-\frac{{\mathrm{\τ}}_y}{\mathrm{\ρ}(h+\mathrm{\ζ})}+N_y(\frac{{\∂}^2{U}_y}{{\∂x}^2}+\frac{{\∂}^2{U}_y}{{\∂y}^2})---\left(3\right)$

其中：x、y为直角坐标系坐标；t为时间变量；h为平均水深；ζ为相对于平均海平面的潮位；U_x、U_y为x、y方向上的垂线平均速度；ρ为水流密度；g为重力加速度；N_x、N_y为x、y方向的水平紊动粘性系数；f为科氏参数，即f﹦2ωsinφ，其中ω为地球旋转角速度、φ为纬度；选取特征流量作为代表流量，利用潮流数学模型计算沿程各断面平均特征流量。

3.根据权利要求1所述的一种基于河相关系的航道整治设计方法，其特征在于：所述步骤三的具体过程为：

依据将河床最小活动性原理应用到潮汐河流而提出的河相关系公式：

$A=1.075{\left(\frac{{\mathrm{\β}}^2{k}^2{Q}_e^8}{g^2{u}_{\mathrm{os}}^2{S_e}^2{\mathrm{\α}}^2{u}_{\mathrm{ob}}^2}\right)}^{1/9}---\left(4\right)$

将面积与特征流量间关系简化为：A＝kQ^8/9     (5)

利用公式(5)将上述计算出的特征流量Q^8/9与断面面积A进行线性回归分析，确定出拟合良好的河相关系式斜率k，建立能真实反映天然情况下水流动力条件特征流量与河床面积间的河相关系经验公式。

4.根据权利要求1所述的一种基于河相关系的航道整治设计方法，其特征在于：所述步骤四的具体过程为：依据所述步骤二所统计的沿程各断面的河宽和平均水深，根据宽深关系公式：计算各断面宽深比，将研究区域河段分为弯曲段、过渡段、微弯段三种河段形态，统计其宽深比变化范围及特征。针对不同河段形态进行宽深比计算，并分析其中存在的规律，重点是宽深比的大小和变化范围，分析确定各种河段形态最为合适的整治宽深比。

5.根据权利要求1所述的一种基于河相关系的航道整治设计方法，其特征在于：所述步骤五的具体过程为：按照航道等级规划要求，结合拟整治河段的形态特征，按照所述步骤四中所确定的宽深比数值与河相关系式，由断面积公式A＝BH，计算出整治宽度，从而进行航道整治工程尺寸设计。