CN108427654B - 一种中型以上淤地坝已淤积库容快速演算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种中型以上淤地坝已淤积库容快速演算方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、收集研究区若干座中型以上淤地坝的设计文件，拟合已淤积高程～已淤积库容的关系；步骤2、针对步骤1得到的样本关系建立函数关系；步骤3、针对步骤2得到的函数关系拟合数学关系，进而得到已淤积库容，本发明解决了现有技术中存在的因淤地坝设计文件缺失而难以计算已淤积库容且估算工作量大、精度低的问题。

Description

一种中型以上淤地坝已淤积库容快速演算方法
技术领域
本发明属于地理学及水土保持监测技术领域，具体涉及一种中型以上淤地坝已淤积库容快速演算方法。
背景技术
淤地坝是黄土高原地区主要的水土保持工程措施之一，在减少黄河洪水泥沙问题、确保黄河安澜方面发挥了重要作用。明确淤地坝的拦沙量，对于评价淤地坝建成后的拦泥效益和拦泥潜力，分析各下垫面因素的减沙贡献率，预测黄河未来的来沙情况等具有重要意义。
国内外目前推算已淤积库容的方法主要包括以下几种：(1)坝高～库容曲线法，通过实测已淤积高程，查找设计文件中的坝高～库容曲线确定已淤积库容；(2)水文站实测泥沙资料推算法，基于流域范围内水文站多年泥沙观测资料，按水文站控制面积和淤地坝控制面积比推算；(3)泥沙淤积体概化法：根据坝区泥沙淤积体的形状，将横断面概化为规则的锥体，通过测算特征要素，计算泥沙淤积体体积估算；(4)泥沙淤积年限粗估法：根据设计淤积年限计算公式来粗估淤积库容。
这4种方法在估算已淤积库容时均存在一定的局限性：(1)受多种因素影响，大量淤地坝的设计文件缺失或不完整。尤其是早期淤地坝，大多由群众自发修建，无设计文件；(2)部分水文站长系列实测资料不完整，无法很好地提供泥沙历史资料。水文站控制面积远远大于淤地坝控制面积，坡面产生的泥沙到达水文站还存在输移、沉积等多个环节，与淤地坝的实际淤积泥沙存在较大差异。淤地坝一般修建在水土流失较为严重的沟道上，按控制面积比推算默认的前提假设是水文站控制范围内下垫面均一，必然导致估算结果误差较大；(3)黄土高原沟道的地形地貌复杂，泥沙淤积体通常很不规则，往往难以概化。即使粗略估算，需要测量的要素特征很多，工作量较大。因适用性较差，实际工作中很少采用；(4)近年来黄土高原坡面植被明显好转，实施了大量水土流失治理措施，坡面、沟道产沙明显减少，实际淤积年限已远远大于早期的设计淤积年限，该方法已不适用于现阶段淤地坝已淤积库容的估算。
发明内容
本发明的目的是提供一种中型以上淤地坝已淤积库容快速演算方法，解决了现有技术中存在的因淤地坝设计文件缺失而难以计算已淤积库容且估算工作量大、精度低的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种中型以上淤地坝已淤积库容快速演算方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、收集研究区若干座中型以上淤地坝的设计文件，拟合已淤积高程～已淤积库容的关系；
步骤2、针对步骤1得到的样本关系建立函数关系；
步骤3、针对步骤2得到的函数关系拟合数学关系，进而得到已淤积库容。
本发明的特点还在于，
步骤1中，各种不同坝高的淤地坝，其已淤积库容与已淤积高程均呈幂函数关系：
y＝axb (1)
式中，y为已淤积库容，单位为万m3；x为已淤积高程，单位为m；a、b为与总坝高和总库容的相关系数。
步骤2具体按照以下步骤实施：
步骤(2.1)、对任一淤地坝而言，在淤满时，必定满足下式：
V＝aHb (2)
式中，H为坝高，V为总库容，当H、V已知时，根据式(2)得a、b关系：
Figure BDA0001560514900000031
对步骤1中用于建模的若干座淤地坝样本，分别建立函数关系，计算出总坝高和总库容的相关系数a、b，建立a、b关系散点图；
步骤(2.2)、由步骤(2.1)得到的a、b关系散点图可知，a、b呈负相关的对数函数关系，通过非线性函数拟合得到二者的数学关系如下：
b＝1.57-0.16ln(a) (4)
由式(3)和式(4)，可知：
Figure BDA0001560514900000032
步骤3具体为：
结合式2、式4和式5，可得：
Figure BDA0001560514900000033
式中，x为已淤积高程。
步骤1中收集研究区30～40座中型以上淤地坝的设计文件。
本发明的有益效果是，一种中型以上淤地坝已淤积库容快速演算方法，只需提供坝高、总库容和已淤积高程，就能较为准确的快速演算出已淤积库容，由评价结果可知，本方法计算的淤地坝已淤库容与实际已淤库容的误差平均值为4.08％，标准差为15.19％，单坝最大误差在30％内。
附图说明
图1(a)是本发明一种中型以上淤地坝已淤积库容快速演算方法中序号为1～5座淤地坝已淤积高程与已淤积库容的关系曲线；
图1(b)是本发明一种中型以上淤地坝已淤积库容快速演算方法中序号为6～10座淤地坝已淤积高程与已淤积库容的关系曲线；
图1(c)是本发明一种中型以上淤地坝已淤积库容快速演算方法中序号为11～15座淤地坝已淤积高程与已淤积库容的关系曲线；
图1(d)是本发明一种中型以上淤地坝已淤积库容快速演算方法中序号为16～20座淤地坝已淤积高程与已淤积库容的关系曲线；
图1(e)是本发明一种中型以上淤地坝已淤积库容快速演算方法中序号为21～25座淤地坝已淤积高程与已淤积库容的关系曲线；
图1(f)是本发明一种中型以上淤地坝已淤积库容快速演算方法中序号为26～30座淤地坝已淤积高程与已淤积库容的关系曲线；
图1(g)是本发明一种中型以上淤地坝已淤积库容快速演算方法中序号为31～35座淤地坝已淤积高程与已淤积库容的关系曲线；
图2是本发明一种中型以上淤地坝已淤积库容快速演算方法中a与b的散点图及关系曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种中型以上淤地坝已淤积库容快速演算方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、收集研究区30～40座中型以上淤地坝的设计文件，拟合已淤积高程～已淤积库容的关系，其中，各种不同坝高的淤地坝，其已淤积库容与已淤积高程均呈幂函数关系：
y＝axb (1)
式中，y为已淤积库容，单位为万m3；x为已淤积高程，单位为m；a、b为与总坝高和总库容的相关系数；
步骤2、针对步骤1得到的样本关系建立函数关系，具体按照以下步骤实施：
步骤(2.1)、对任一淤地坝而言，在淤满时，必定满足下式：
V＝aHb (2)
式中，H为坝高，V为总库容，当H、V已知时，根据式(2)得a、b关系：
Figure BDA0001560514900000051
对步骤1中用于建模的30～40座淤地坝样本，分别建立函数关系，计算出总坝高和总库容的相关系数a、b，建立a、b关系散点图；
步骤(2.2)、由步骤(2.1)得到的a、b关系散点图可知，a、b呈负相关的对数函数关系，通过非线性函数拟合得到二者的数学关系如下：
b＝1.57-0.16ln(a) (4)
由式(3)和式(4)，可知：
Figure BDA0001560514900000052
步骤3、针对步骤2得到的函数关系拟合数学关系，进而得到已淤积库容，具体为：
结合式2、式4和式5，可得：
Figure BDA0001560514900000061
式中，x为已淤积高程。
实施例
不同坝高淤地坝已淤积高程与已淤积库容函数关系列表如表1所示：
表1不同坝高淤地坝已淤积高程与已淤积库容函数关系
Figure BDA0001560514900000062
Figure BDA0001560514900000071
根据表1制图1(a)～图1(g)，得到不同坝高淤地坝已淤积高程与已淤积库容的关系曲线，对图1中建模的35座淤地坝样本，分别建立上述式1的函数关系，计算出a、b，建立a、b关系散点图，如图2所示。
本实施例中，选取位于山西省的5座淤地坝，已知每座淤地坝的总坝高H和总库容V，已淤积高程通过实测计算确定，详见表2。总坝高和总库容来源于统计数据，已淤积高程的实测方法参照《水土保持监测理论与方法》(郭索彦，2010)中的加权平均淤积高程法确定，在需要测量淤地坝的淤积面上均匀选取3个断面，每个断面上均匀选取6个测点，实测各断面各测点淤积高程，取6个测点的平均淤积高程计算每个断面的淤积高程，取3个断面的平均淤积高程计算淤地坝的平均淤积高程H已淤。
表2典型淤地坝基本信息表
Figure BDA0001560514900000081
将每座淤地坝的H、V和H已淤代入式(4)、式(5)，计算得到参数a、b，见表3。将计算得到的a、b代入式(6)，便可计算得出已淤积库容。y1,2…5分别为编号为1,2…5的淤地坝的已淤积库容。
表3典型淤地坝计算参数表
Figure BDA0001560514900000082
精度分析
为了验证本计算方法的合理性，在淤地坝分布较为集中的山西省西部、陕西省榆林、延安地区，选择了20座淤地坝进行精度验证分析。
通过统计资料，获得每座淤地坝的总坝高H和总库容V，已淤积高程通过实测确定。已淤积高程的实测方法参照《水土保持监测理论与方法》中的加权平均淤积高程法确定，在需要测量淤地坝的淤积面上均匀选取3个断面，每个断面上均匀选取6个测点，实测各断面各测点淤积高程，取6个测点的平均淤积高程计算每个断面的淤积高程，取3个断面的平均淤积高程计算淤地坝的平均淤积高程H已淤。基于搜集的淤地坝设计文件中坝高～库容曲线，按H已淤查找确定实际淤积库容。将H、V和H已淤代入式(6)，得到计算已淤积库容。误差＝(计算已淤库容—实际已淤库容)/实际已淤库容。由评价结果可知，本方法计算的淤地坝已淤库容与实际已淤库容的误差平均值为4.08％，标准差为15.19％，单坝最大误差在30％内，详见表4，能够满足淤地坝淤积量估算的精度需要。
表4验证淤地坝基本信息表
Figure BDA0001560514900000091
Figure BDA0001560514900000101

Claims (1)

1.一种中型以上淤地坝已淤积库容快速演算方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、收集研究区若干座中型以上淤地坝的设计文件，拟合已淤积高程～已淤积库容的关系；
步骤2、针对步骤1得到的样本关系建立函数关系；
步骤3、针对步骤2得到的函数关系拟合数学关系，进而得到已淤积库容，
所述步骤1中，各种不同坝高的淤地坝，其已淤积库容与已淤积高程均呈幂函数关系：
y＝axb (1)
式中，y为已淤积库容，单位为万m3；x为已淤积高程，单位为m；a、b为与总坝高和总库容的相关系数；
所述步骤2具体按照以下步骤实施：
步骤(2.1)、对任一淤地坝而言，在淤满时，必定满足下式：
V＝aHb (2)
式中，H为坝高，V为总库容，当H、V已知时，根据式(2)得a、b关系：
Figure FDA0003091394530000011
对步骤1中用于建模的若干座淤地坝样本，分别建立函数关系，计算出总坝高和总库容的相关系数a、b，建立a、b关系散点图；
步骤(2.2)、由步骤(2.1)得到的a、b关系散点图可知，a、b呈负相关的对数函数关系，通过非线性函数拟合得到二者的数学关系如下：
b＝1.57-0.16ln(a) (4)
由式(3)和式(4)，可知：
Figure FDA0003091394530000021
所述步骤3具体为：
结合式2、式4和式5，可得：
Figure FDA0003091394530000022
式中，x为已淤积高程；
所述步骤1中收集研究区30～40座中型以上淤地坝的设计文件。
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