CN106801400B - 一种山丘区季节性河流长度的定量估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种山丘区季节性河流长度的定量估算方法，通过收集所需的水文气象资料和水文地质资料、提取退水过程数据和绘制退水曲线图、细分退水曲线图并判定退水曲线的上下边界、采用试算法绘制河流长度与含水层饱和厚度关系曲线并最终根据该曲线定量估算河流长度的取值范围。本发明的技术方案主要依靠实测退水径流数据，采用简明的公式和图式法，具有良好的操作性和实际应用价值，为山丘区季节性河流水文特征分析提供了技术支撑，可合理地定量估算山丘区不同丰枯水文条件下的季节性河流长度。

Description

一种山丘区季节性河流长度的定量估算方法

技术领域

本发明涉及水利工程技术领域，具体涉及一种山丘区季节性河流长度的定量估算方法。

背景技术

流域退水径流主要来源于流域地下含水层的排水，退水径流特征是流域地表地貌、地下含水层特征的综合反映。Brutsaert于1977年提出了基于流域退水径流分析的含水层水文地质参数反演方法，此后，这一方法已广泛应用于不同流域并取得了良好的效果。但目前仍然主要应用于含水层渗透系数、给水度等地下水文地质参数的估算，在流域河网长度等地表地貌参数估算方面的应用还很少见。

山丘区河流通常是中下游河网的河源区，是流域内径流的重要产区和汇流区，山丘区河道作为径流的传输载体，具有明显的季节性特征。通常表现为，在丰水年份，河网水系发达，支流密布，在枯水年份，河网水系衰减，支流干涸，只有主要干流河道排水。准确掌握不同丰枯情形下的季节性河流长度特征，对于流域水文情势分析，防洪排涝演算，水系连通性评估与水体纳污能力计算，水生态流量评价等具有重要意义。目前获取山丘区河流长度季节性变化的常用手段包括野外实地调查和遥感影像分析方法。但现有方法主要存在的问题与不足是，野外调查方法费时费力，时效性差，而且经常受限于山区复杂地形的可达条件，基于遥感影像分析的河流长度提取较为方便，但提取结果与图像解译能力密切相关，同时受到遥感影像的覆盖范围、监测频率的影响，在监测范围和遥感成像时段之外，无法定量估算季节性河长的动态特征。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于实测径流量数据的山丘区季节性河流长度的定量估算方法，用以解决现有山丘区季节性河流长度获取方法的不足。

为实现上述目的，本发明公开了一种山丘区季节性河流长度的定量估算方法。具体地，该方法包括如下步骤：

(1)收集水文气象和水文地质资料，包括山丘区河流干流上典型控制断面的多年连续观测径流量数据及降水、蒸发数据及流域内含水层水文地质资料；

(2)提取退水过程数据，计算退水过程的退水速率，绘制退水曲线图；

(3)细分退水曲线图，判定退水曲线的上下边界；

(4)采用试算法，基于上边界特征值估算每个子区间内饱和含水层饱和厚度D与河流长度B的取值范围，最后绘制得到B与D的曲线图；

(5)根据收集的流域资料从B与D的曲线图上定量估算河流长度的取值范围；

进一步地，步骤(2)具体为：(2)从多年连续径流量数据中挑选提取出多个退水过程数据，计算每个退水过程的退水速率，在自然对数坐标中点绘退水曲线、形成退水曲线图；

再进一步地，步骤(3)具体为：按照退水流量的变化范围，将步骤(2)中形成的退水曲线细分为多个子区间，观测判定每个子区间内曲线分布的上下边界，求出上边界特征值；

再进一步地，步骤(3)中每个子区间内曲线分布的上边界设定为一条斜率为3的切线，这条切线的截距即为这个子区间内退水曲线的上边界特征值；

再进一步地，所述上边界特征值为α，根据山区倾斜含水层排水的Brutsaert解析解，α的表达式为：

α＝1.133/B²kD³fcosi (3)

式中，B为河流长度，k为含水层渗透系数，D为含水层饱和厚度，f为含水层给水度，i为含水层的倾斜度数；

进一步地，步骤(2)中计算退水过程的退水速率的方式为：

dQ/dt＝(Q(t+Δt)-Q(t))/Δt (1)；

再进一步地，步骤(2)具体为：

以数值差分形式近似计算每个退水过程的退水速率如下：

dQ/dt＝(Q(t+Δt)-Q(t))/Δt (1)

同时计算时段流量均值：

Δt为实测数据的时间间隔，在自然对数坐标中点绘每个退水过程ln(-dQ/dt)与的曲线，形成一组退水曲线图；

再进一步地，步骤(3)以步骤(2)得到的退水曲线图为依据、按照的区间分布，将这组曲线细分为若干个子区间，每个子区间单个退水曲线的数量为10条左右；

再进一步地，步骤(5)具体为：

以D和B为未知量，采用试算法，估算D和B的取值范围，具体步骤如下：

设定D的初始值，通常取1m，根据含水层水文地质资料，在k、f、i已知的情形下，从公式(3)计算出B；然后采用Brutsaert解析解(公式(4))计算出流量q及其变化率dq/dt；然后将-dq/dt～q自然对数曲线绘制在相应的子区间内；

式中，q为含水层排水量，z_n＝nπ，K＝kpDcosi/f,U＝ksini/f，a＝-U/2K，p为常数取值0.347；L为含水层的平均宽度，可以根据流域面积估算；

逐步增加D的取值，重复公式(4)求解过程，最终得到D的取值范围：D_min～D_max，只有当D位于这一取值范围内时，绘制的-dq/dt～q自然对数曲线才落于相应的子区间的上下边界之间。

本发明方法具有如下优点：

本发明的技术方案主要依靠实测退水径流数据，采用简明的公式和图式法，具有良好的操作性和实际应用价值，为山丘区季节性河流水文特征分析提供了技术支撑，可合理地定量估算山丘区不同丰枯水文条件下的季节性河流长度。

附图说明

图1为本发明的河流长度B与含水层饱和厚度D的曲线示意图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

本发明的具体实施方式如下：

(1)收集山丘区河流干流上典型控制断面的多年连续观测径流量数据及同期降水、蒸发数据；收集流域含水层水文地质资料，包括渗透系数、给水度、地下水位埋深等；

(2)从多年连续径流量数据中挑选出多个退水过程数据，可以根据径流数据的丰富程度，限定单个退水过程的历时长度，通常以日计算，至少要具有5-7日以上的连续退水过程。以数值差分形式近似计算每个退水过程的退水速率如下：

dQ/dt＝(Q(t+Δt)-Q(t))/Δt (1)

同时计算时段流量均值：

Δt为实测数据的时间间隔，通常为1日；

在自然对数坐标中点绘每个退水过程ln(-dQ/dt)与的曲线，形成一组曲线图；

(3)以这组曲线图为依据，按照的区间分布，将这组曲线细分为n个子区间，每个子区间单个退水曲线的数量以10条左右为宜，同一子区间内的退水曲线应分布紧凑，可认为具有相似的退水特征；

(4)观测判定每个子区间内曲线的上边界，绘制斜率为3的上边界切线，这条切线的截距即为这个子区间内退水曲线的特征值α；观测判定每个子区间内曲线的下边界；根据山区倾斜含水层排水的Brutsaert解析解，α的表达式为：

α＝1.133/B²kD³fcosi (3)

式中，B为河流长度，k为含水层渗透系数，D为含水层饱和厚度，f为含水层给水度，i为含水层的倾斜度数；

(5)以D和B为未知量，采用试算法，估算D和B的取值范围，具体步骤如下：

设定D的初始值，通常取1m，根据含水层水文地质资料，在k、f、i已知的情形下，从公式(3)计算出B；然后采用Brutsaert解析解(公式(4))计算出流量q及其变化率dq/dt；然后将-dq/dt～q自然对数曲线绘制在相应的子区间内；

式中，q为含水层排水量，z_n＝nπ，K＝kpDcosi/f,U＝ksini/f，a＝-U/2K，p为常数取值0.347；L为含水层的平均宽度，可以根据流域面积估算；

逐步增加D的取值，重复公式(4)求解过程，最终得到D的取值范围：D_min～D_max，只有当D位于这一取值范围内时，绘制的-dq/dt～q自然对数曲线才落于相应的子区间的上下边界之间；

(6)重复步骤(5)，直至完成所有n个子区间的D取值范围估算；根据每个子区间的D取值范围(D_min～D_max)，从公式(3)得出每个子区间的B取值范围，绘制得到n条B～D曲线，如示意图(1)所示；这组曲线即定量表征了流域内不同丰枯水文条件下的河流长度B与含水层饱和厚度D的动态特征；图(1)中曲线从右上至左下依次表示流域从丰水情形向枯水情形的演变顺序；

(7)根据收集的流域水文地质资料，分析地下水位特征及含水层分布特征，估算丰水情形下饱和含水层最大厚度D_max，据此，可以在图(1)中丰水情形曲线上查出x点及相应河流长度值B_max；当流域从丰水情形向枯水情形演变时，河流长度会衰减，饱和含水层厚度会降低，因此，河流长度的合理估算区间应位于图(1)所示的扇形阴影区域内；进一步地，山丘流域处于枯水情形时，通常仅有主要干流河道排水，若根据前期收集资料，已知干流河道长度为B_min，据此，可以在图(1)中枯水情形曲线上查出y点。根据x，y两点连线(图(1)中虚线)与各条曲线的交点，最终可以估算得到不同丰枯情形下的河流长度；

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种山丘区季节性河流长度的定量估算方法，其特征在于，所述方法至少包括如下步骤：

(1)收集水文气象资料和水文地质资料，包括山丘区河流干流上典型控制断面的多年连续观测径流量数据及降水、蒸发数据及流域内含水层水文地质资料；

(2)提取退水过程数据，计算退水过程的退水速率，绘制退水曲线图；

(3)细分退水曲线图，判定退水曲线的上下边界；

(4)采用试算法，基于上边界特征值估算每个子区间内饱和含水层饱和厚度D与河流长度B的取值范围，绘制得到B与D的曲线图；

(5)根据收集的水文气象资料从B与D的曲线图上定量估算河流长度的取值范围。

2.如权利要求1所述的一种山丘区季节性河流长度的定量估算方法，其特征在于，步骤(2)具体为：从若干年连续径流量数据中挑选提取出若干个退水过程数据，计算每个退水过程的退水速率，在自然对数坐标中点绘退水曲线、形成退水曲线图。

3.如权利要求2所述的一种山丘区季节性河流长度的定量估算方法，其特征在于，步骤(3)具体为：按照退水流量的变化范围，将步骤(2)中形成的退水曲线细分为多个子区间，观测判定每个子区间内曲线分布的上下边界，求出上边界特征值。

4.如权利要求3所述的一种山丘区季节性河流长度的定量估算方法，其特征在于，步骤(3)中每个子区间内曲线分布的上边界设定为一条斜率为3的切线，这条切线的截距即为这个子区间内退水曲线的上边界特征值。

5.如权利要求4所述的一种山丘区季节性河流长度的定量估算方法，其特征在于，所述上边界特征值为α，根据山区倾斜含水层排水的Brutsaert解析解，α的表达式为：

α＝1.133/B²kD³fcosi (3)

式中，B为河流长度，k为含水层渗透系数，D为含水层饱和厚度，f为含水层给水度，i为含水层的倾斜度数。

6.如权利要求1所述的一种山丘区季节性河流长度的定量估算方法，其特征在于，步骤(2)中计算退水过程的退水速率的方式为：

dQ/dt＝(Q(t+Δt)-Q(t))/Δt (1)。

7.如权利要求6所述的一种山丘区季节性河流长度的定量估算方法，其特征在于，步骤(2)具体为：

以数值差分形式近似计算每个退水过程的退水速率如下：

dQ/dt＝(Q(t+Δt)-Q(t))/Δt (1)

同时计算时段流量均值：

Δt为实测数据的时间间隔，在自然对数坐标中点绘每个退水过程与的曲线，形成一组退水曲线图。

8.如权利要求7所述的一种山丘区季节性河流长度的定量估算方法，其特征在于，步骤(3)以步骤(2)得到的退水曲线图为依据、按照的区间分布，将这组曲线细分为若干个子区间。

9.如权利要求5所述的一种山丘区季节性河流长度的定量估算方法，其特征在于，步骤(4)具体为：

以D和B为未知量，采用试算法，估算D和B的取值范围，具体步骤如下：

设定D的初始值，根据含水层水文地质资料，在k、f、i已知的情形下，根据公式(3)计算出B；然后采用Brutsaert解析解计算出流量q及其变化率dq/dt；然后将-dq/dt～q自然对数曲线绘制在相应的子区间内；

式中，q为含水层排水量，z_n＝nπ，K＝kpDcosi/f,U＝ksini/f，a＝-U/2K，p为常数取值0.347；L为含水层的平均宽度，根据流域面积估算；

逐步增加D的取值，重复公式(4)求解过程，最终得到D的取值范围：D_min～D_max，只有当D位于这一取值范围内时，绘制的-dq/dt～q自然对数曲线才落于相应的子区间的上下边界之间。