CN107288092A - 冲积通航河道枯水河槽形态调整预测模型的构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种冲积通航河道枯水河槽形态调整预测模型的构建方法，包括：S1.收集河段各固定断面的历史汛后地形资料，以及河段沿程的①干流水位和水文站、②支流水位和水文站的历史日均水文资料；S2.基于各固定断面的历史汛后地形资料，采用一维水动力学模型计算各固定断面的水位流量关系曲线；S3.根据河段的枯水流量，利用固定断面的水位流量关系曲线，确定各固定断面的枯水位，根据枯水位获得各固定断面的枯水河槽形态参数；S4.计算河段尺度的枯水河槽形态参数；S5.构建大型冲积通航河道枯水河槽形态调整预测模型。本发明可较好地预测大型冲积通航河道枯水河槽形态随水沙条件的调整趋势，对枯水航道的治理具有指导意义。
Description
技术领域
本发明属于水利水电工程技术领域，具体涉及一种冲积通航河道枯水河槽形态调整预测模型的构建方法。
背景技术
大型冲积通航河道两岸工业发达、人口密集，是世界各国的经济社会发达地区。然而冲积型河道河床调整较为剧烈，研究其航槽演变规律，对保障航运通畅具有十分重要的意义。由于碍航现象绝大部分发生在枯水期，其航道条件与枯水河槽密切相关，故需研究大型冲积通航河道枯水河槽形态的调整特点。
现有研究航道河槽形态调整的方法主要包括：①利用物理模型，反演重点航道的河床演变过程，探究其变化规律；②通过数学建模，预测航道条件的演变趋势；③基于大量实测资料，总结研究河段的河槽形态调整特点及其碍航机理。但受经费及场地的限制，物理模型不适于预测长河段的航道演变过程。对于长距离的一维河床变形预测，数值模拟占据优势，但洲滩变形、河岸崩退是造成浅滩碍航的重要原因，亟需从二、三维的角度建模，仍有一定难度。目前实测资料分析法被广泛应用于河床演变研究，但现有成果多是从宏观上定性分析航道条件的变化情况，可以定量描述河槽形态随水沙条件调整趋势的研究成果较少且多局限于特定断面。然而当河槽形态沿程差异较大时，特定断面的调整特点不能代表整个河段。
发明内容
本发明目的是提供一种冲积通航河道枯水河槽形态调整预测模型的构建方法，所构建预测模块可定量地反映枯水河槽形态随水沙条件的变化特点。
本发明原理如下：
冲积河流的河槽形态调整是前期水沙条件多年累积作用的结果，两者之间可建立一定的函数关系，且相关程度随滑动年数增加呈先增后减的趋势。各枯水河槽形态参数与前期多年水沙条件相关，主要是因为河床调整对其存在滞后响应；而滑动年份进一步增加相关程度反而降低，则是由于距离较远的年份对当前河床形态的影响已基本消失。本发明采用基于对数转换的几何平均与断面间距加权平均相结合的方法，计算河段尺度的枯水河槽形态参数；然后，基于河床调整对前期水沙条件的滞后效应，建立枯水河槽形态调整预测模型；最后，采用实测的历史水沙数据和历史汛后地形资料率定枯水河槽形态调整预测模型参数。
为达到上述目的，本发明提供的冲积通航河道枯水河槽形态调整预测模型的构建方法，包括步骤：
S1收集河段各固定断面的历史汛后地形资料，以及河段沿程的①干流水位和水文站、②支流水位和水文站的历史日均水文资料；
S2基于各固定断面的历史汛后地形资料，采用一维水动力学模型计算各固定断面的水位流量关系曲线；
S3根据河段的枯水流量，利用固定断面的水位流量关系曲线，确定各固定断面的枯水位，根据枯水位获得各固定断面的枯水河槽形态参数；
S4计算河段尺度的枯水河槽形态参数其中，L表示河段长度；xi+1、xi分别表示第i+1、i个固定断面距大坝的距离；N为河段的固定断面数量；分别表示第i+1、i个固定断面的枯水河槽形态参数；
S5构建大型冲积通航河道枯水河槽形态调整预测模型，本步骤进一步包括：
5.1以汛期平均水流冲刷强度参数Ff为水沙条件代表因子；
5.2基于河床调整对前期水沙条件的滞后效应，以水沙条件代表因子为自变量，以河段尺度的枯水河槽形态参数为因变量，建立枯水河槽形态调整预测模型；
5.3根据河段的历史水沙数据及各固定断面的历史汛后地形资料，计算多个年度的水沙条件代表因子和河段尺度的枯水河槽形态参数，采用水沙条件代表因子和河段尺度的枯水河槽形态参数率定枯水河槽形态调整预测模型中参数。
步骤S2进一步包括子步骤：
2.1构建一维水动力学模型；
2.2进口断面处设定不同流量级作为进口水流条件，并考虑河段内的支流入汇情况；出口断面处利用当年实测的水位流量关系作为下游边界条件；采用同年的汛后地形资料作为河床边界条件，并假设河床为定床；
2.3率定不同流量级下干流各水位及水文站之间的糙率，依次使得各典型断面计算所得的水位流量关系与实测的水位流量关系符合，并经插值得各固定断面的水位流量关系曲线。
进一步的，枯水河槽形态参数包括枯水河槽宽度、枯水河槽水深、枯水河槽面积、枯水河槽宽深比中的一种或多种。
进一步的，枯水河槽形态调整预测模型为 表示前期m年汛期水流冲刷强度的年平均值，k为系数，α为指数；m为经验值，通过多次试验确值。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
(1)本发明采用基于对数转换的几何平均和断面间距加权平均相结合的方法，计算河段尺度的枯水河槽形态参数，可更好地反映整个河段的河槽形态变化规律，弥补了以往基于实测断面地形资料的河床演变分析法只能研究特定断面的缺陷。
(2)以往研究多是从宏观上定性分析航道条件的变化情况，本发明则可较好地预测大型冲积通航河道枯水河槽形态随水沙条件的调整趋势，对枯水航道的治理具有指导意义。
附图说明
图1是新厂站2006年的水位流量关系曲线；
图2是上荆江典型断面计算与实测水位流量关系的对比图；
图3是上荆江2002年度和2015年度上荆江各固定断面的枯水河槽形态参数计算结果，其中，图(a)为枯水河槽宽度计算结果，图(b)为枯水河槽水深计算结果，图(c)为枯水河槽面积计算结果，图(d)为枯水河槽宽深比计算结果；
图4是上荆江河段尺度的枯水河槽形态参数与前6年汛期水流冲刷强度的年平均值的关系，其中，图(a)为枯水河槽宽度与前6年汛期水流冲刷强度的年平均值的关系，图(b)为枯水河槽水深与前6年汛期水流冲刷强度的年平均值的关系，图(c)为枯水河槽面积与前6年汛期水流冲刷强度的年平均值的关系，图(d)为枯水河槽宽深比与与前6年汛期水流冲刷强度的年平均值的关系。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式详细说明本发明方案技术。
S1收集河段各固定断面的历史汛后地形资料，以及河段沿程的①干流水位和水文站、②干流水位和水文站的历史日均水文资料。所述的汛后地形资料包括固定断面测点的起点距和高程，以及固定断面间距。所述的日均水文资料包括流量数据和水位数据。
本实施例中，以上荆江为研究河段，收集其2002～2015年间94个固定断面的历史汛后地形资料；同时，收集枝城、马家店、沙市等干流水位和水文站以及新江口、弥陀寺等支流水位和水文站的历史日均水文资料。
S2采用一维水动力学模型计算各固定断面的水位流量关系曲线。
为便于理解，下面将详细说明本步骤的具体实施过程。
2.1构建一维水动力学模型。
所构建的一维水动力学模型的控制方程包括连续方程(见公式(1))和运动方程(见公式(2))：
式(1)～(2)中：
Q表示干流流量，单位：m3/s；
ql表示支流流量，单位：m3/s；
Z表示断面的平均水位，单位：m；
A表示断面的过水面积，单位：m2；
Jf表示水力坡度，可用Manning公式计算，即Jf＝(Q/A)2n2/h4/3，h表示断面平均水深，n表示糙率；
Jl表示断面扩大或收缩引起的局部能坡；
αf表示动量修正系数；
g表示重力加速度，单位：m/s2；
x表示沿程距离，即断面离三峡大坝的距离，单位：m。
2.2进口断面处，以200m3/s为步长设定不同流量级作为进口水流条件，并考虑松滋口、太平口等支流分流；出口断面处，利用新厂站当年实测的水位流量关系(见图1)作为下游边界条件；采用同年上荆江各固定断面的汛后地形资料作为河床边界条件，并假设河床为定床。
流量级需根据河段的实际流量情况进行设置，步长根据精度和计算效率进行设置。若要求高精度，则可设置较小步长；若要求高计算效率，则可设置较大步长。
2.3率定不同流量级下干流各水位和水文站所在断面(新厂、郝穴、沙市、陈家湾、马家店、枝城)之间的糙率，依次使得各典型断面计算所得的水位流量关系与实测的水位流量关系能较好地符合，见图2，经插值得到各固定断面的水位流量关系曲线。
上述，典型断面即水位站和水文站所在的断面。
上述率定糙率具体为：
给定某流量级下的出口水位，调整两个典型断面间的糙率n，使上游典型断面计算得到的水位与该流量级下的上游典型断面的实测水位一致，或者使上游典型断面计算得到的水位流量关系与该流量级下的上游典型断面的实测水位流量关系曲线吻合。
S3根据河段的枯水流量值，利用固定断面的水位流量关系曲线确定各固定断面的枯水位，从而获得各固定断面的枯水河槽形态参数。本实施例中，上荆江的枯水流量值为5000m3/s。
本实施例中，枯水河槽形态参数包括枯水河槽宽度枯水河槽水深枯水河槽面积和枯水河槽宽深比其中，枯水河槽面积为枯水位与河床围成的面积，枯水河槽水深为枯水河槽面积与水枯水河槽宽度的比值，枯水河槽宽深比为枯水河槽宽度的1/2次幂与枯水河槽水深之比。
根据上述方法分别计算2002年度和2015年度上荆江94个固定断面的枯水河槽形态参数，见图3。由图3(a)可知，受大规模护岸及护滩工程的限制，上荆江各固定断面的枯水河槽宽度总体变化较小，局部河段存在较为明显的河槽展宽或缩窄现象。而受三峡水库的枯水补偿作用及河床的冲刷下切影响，该河段枯水河槽水深整体上呈增加的趋势，仅部分区域出现水深减小的情况，见图3(b)。三峡工程运用后，因河床持续冲刷，上荆江枯水河槽面积增加也较为明显，见图3(c)。此外枯水河槽形态的宽深比是反映枯水航道条件是否优越的一个重要指标。三峡建库后，上荆江枯水河槽宽深比总体上有所减小，但部分区域(如火箭洲、沙市及公安弯道)宽深比有一定程度的增加，见图3(d)。上荆江枯水河槽宽深比增加的部位主要集中在分汊或弯曲段，这些局部河段的江心洲或凸岸边滩均遭到不同程度的冲刷。如火箭洲所在河段为分汊型河道，江心洲受水流冲刷，枯水河槽侧向展宽，使得枯水河槽宽深比宽深比有所增加，从而导致航深不足的问题更加突出。而公安弯道为典型的弯曲段，凹岸已基本防护，凸岸则由于水流的冲刷而后退，致使该处也出现明显的枯水河槽宽深比增加现象，一定程度上影响了其通航能力。
S4采用河段平均法，即基于对数转换的几何平均和断面间距加权平均相结合的方法，计算上荆江河段尺度的枯水河槽形态参数
式(3)中：
L表示河段长度；
xi+1、xi分别表示第i+1、i个固定断面距大坝的距离；
N为河段的固定断面数量，本实施例中，N＝94；
分别表示第i+1、i个固定断面的枯水河槽形态参数。
本实施例中，枯水河槽形态参数包括枯水河槽宽度、枯水河槽水深、枯水河槽面积及枯水河槽宽深比。即需采用公式(3)分别计算河段尺度的枯水河槽宽度、枯水河槽水深、枯水河槽面积及枯水河槽宽深比。
目前河段尺度的河槽形态参数一般采用算数平均或几何平均的方法计算，而这类方法计算所得枯水河槽宽度和枯水河槽水深之积不等于枯水河槽面积，因而不能保证河槽尺寸的连续性。本发明的河段平均法可较好地解决该问题，亦可反映断面间距不等对计算结果产生的影响。
S5分析河床调整与水沙条件的响应关系，构建大型冲积通航河道枯水河槽形态调整预测模型。
本步骤进一步包括如下子步骤：
5.1选取水沙条件代表因子。
冲积通航河流含沙量较低，且汛期集中输沙的现象明显，造床作用主要发生在汛期，故非汛期的河床演变可以忽略，因此可用汛期水流冲刷强度参数Ff作为水沙条件代表因子：
式(4)中，为汛期平均流量，单位：m3/s；为汛期平均悬移质含沙量，单位：kg/m3；汛期一般指5-10月。
5.2基于河床调整对前期水沙条件的滞后效应，建立枯水河槽形态调整预测模型。
现有研究表明，枯水河槽形态参数可表示为前期m年(包括当前年)汛期水流冲刷强度的年平均值的经验函数，且相关程度随滑动年数的增加呈先增后减的趋势，通过试算当m＝6时，两者的相关系数(R2)总体上达到最大。因此上荆江的枯水河槽形态调整预测模型可写成如下形式：
式(5)中：
表示河段尺度的枯水河槽形态参数；
表示前期6年汛期水流冲刷强度的年平均值；
k为系数，α为指数。
5.3根据2002～2015年枝城站水沙数据及上荆江各固定断面的汛后地形资料，计算各年的及率定枯水河槽形态调整预测模型中参数k和α。
从图4可知：
(1)上荆江河段尺度的枯水河槽宽度与的相关程度较低，率定所得枯水河槽宽度调整预测模型不能反映水沙条件对河宽调整的影响，见图4(a)。原因在于上荆江实施了较大规模的护底及护滩工程，一定程度上限制了河宽方向的变形，故人为活动的干扰使得受水沙条件的影响较小；
(2)上荆江河段尺度的枯水河槽水深河段尺度的枯水河槽面积与的相关程度分别高达0.92及0.95，分别见图4(b)和4(c)，故河段尺度的枯水河槽水深及枯水河槽面积可较好地对由于三峡工程运用引起的水沙条件改变做出快速响应。
(3)三峡工程运用后，上荆江河段尺度的枯水河槽宽深比呈减小趋势，与前期水沙条件的相关程度达到了0.85，见图4(d)，故近期枯水河槽形态调整向窄深方向发展，航道条件总体上有所改善。
Claims (4)
1.冲积通航河道枯水河槽形态调整预测模型的构建方法，其特征是，包括：
S1收集河段各固定断面的历史汛后地形资料，以及河段沿程的①干流水位和水文站、②支流水位和水文站的历史日均水文资料；
S2基于各固定断面的历史汛后地形资料，采用一维水动力学模型计算各固定断面的水位流量关系曲线；
S3根据河段的枯水流量，利用固定断面的水位流量关系曲线，确定各固定断面的枯水位，根据枯水位获得各固定断面的枯水河槽形态参数；
S4计算河段尺度的枯水河槽形态参数其中，L表示河段长度；xi+1、xi分别表示第i+1、i个固定断面距大坝的距离；N为河段的固定断面数量；分别表示第i+1、i个固定断面的枯水河槽形态参数；
S5构建大型冲积通航河道枯水河槽形态调整预测模型，本步骤进一步包括：
5.1以汛期平均水流冲刷强度参数Ff为水沙条件代表因子；
5.2基于河床调整对前期水沙条件的滞后效应，以水沙条件代表因子为自变量，以河段尺度的枯水河槽形态参数为因变量，建立枯水河槽形态调整预测模型；
5.3根据河段的历史水沙数据及各固定断面的历史汛后地形资料，计算多个年度的水沙条件代表因子和河段尺度的枯水河槽形态参数，采用水沙条件代表因子和河段尺度的枯水河槽形态参数率定枯水河槽形态调整预测模型中参数。
2.如权利要求1所述的大型冲积通航河道枯水河槽形态调整预测方法，其特征是：
步骤S2进一步包括子步骤：
2.1构建一维水动力学模型；
2.2进口断面处设定不同流量级作为进口水流条件，并考虑河段内的支流入汇情况；出口断面处利用当年实测的水位流量关系作为下游边界条件；采用同年的汛后地形资料作为河床边界条件，并假设河床为定床；
2.3率定不同流量级下干流各水位及水文站之间的糙率，依次使得各典型断面计算所得的水位流量关系与实测的水位流量关系符合，并经插值得各固定断面的水位流量关系曲线。
3.如权利要求1所述的大型冲积通航河道枯水河槽形态调整预测方法，其特征是：
所述的枯水河槽形态参数包括枯水河槽宽度、枯水河槽水深、枯水河槽面积、枯水河槽宽深比中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的大型冲积通航河道枯水河槽形态调整预测方法，其特征是：
所述的枯水河槽形态调整预测模型为 表示前期m年汛期水流冲刷强度的年平均值，k为系数，α为指数；m为经验值，通过多次试验确值。
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