CN109145396B - 一种基于植被分布的河道糙率分区率定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于植被分布的河道糙率分区率定方法，包括：步骤S1：根据实测水位‑流量曲线，结合水位‑流量‑糙率图谱得到糙率‑水位曲线；步骤S2：根据河道植被分布情况分为植被区和非植被区，并将糙率‑水位曲线中糙率的最大值和最小值分别作为两个分区糙率的初始值；步骤S3：计算综合糙率，并基于综合糙率拟合得到植被区和非植被区的最佳糙率。与现有技术相比，本发明通过将河道断面划分为不同糙率子区来率定河道综合糙率。

Description

一种基于植被分布的河道糙率分区率定方法
技术领域
本发明涉及一种率定方法，尤其是涉及一种基于植被分布的河道糙率分区率定方法。
背景技术
糙率是一维河道水动力模拟中的灵敏参数，在数值模拟中一般通过实测资料率定，以降低经验估计导致的模拟误差。但相比于渠道化河流的矩形或梯形断面，天然河流多为复合断面且河床及岸滩的植被多样且分布复杂，致使糙率随水位的变化复杂。
采用单一的糙率将导致模型适用性低，只能在某个水位级下满足一定的精度要求。直接采用上下游的实测水位及流量数据推求糙率曲线仅反映该河段的糙率特性，但无法描述其他无自理河段的糙率，无法表现不同断面糙率的差异性。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于植被分布的河道糙率分区率定方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于植被分布的河道糙率分区率定方法，包括：
步骤S1：根据实测水位-流量曲线，结合水位-流量-糙率图谱得到糙率-水位曲线；
步骤S2：根据河道植被分布情况分为植被区和非植被区，并将糙率-水位曲线中糙率的最大值和最小值分别作为两个分区糙率的初始值；
步骤S3：计算综合糙率，并基于综合糙率拟合得到植被区和非植被区的最佳糙率。
所述步骤S1包括：
步骤S11：采用一维河道水动力模型模拟不同糙率下的水位与流量，并绘制得到水位-流量-糙率图谱得到各糙率下的水位-流量曲线；
步骤S12：绘制实测水位-流量曲线，并提取实测水位-流量曲线与各糙率下的水位-流量曲线的交点；
步骤S13：拟合提取的所有的交点得到糙率-水位曲线。
所述步骤S1中水位-流量-糙率图谱中选取的糙率在0.02～0.18的范围内，以0.01为间隔。
所述植被区和非植被区的分隔界限为河床植被顶部至河床的平均高度。
所述步骤S3中的综合糙率为：
Figure BDA0001746976520000021
其中：n0为综合糙率，H为水位，B为水面宽，b为断面水平方向的位置变量，n(b)为断面位置b处的糙率值；h(H,b)为水深，k1、k2为常数。
所述k1为-1.5，k2为8.5。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)通过将河道断面划分为不同糙率子区来率定河道综合糙率。
2)相比传统的查表法、水力学方法及糙率公式法，本发明能解决受植被影响下河道糙率随水位变化明显的问题，提高了一维水动力模型的适用性与模拟精度。
3)充分利用河道植被与断面形状信息，可体现不同断面间糙率变化的差异性，降低了无实测水位-流量资料河段糙率率定的不确定性，可在不同断面间移用。
附图说明
图1为本发明方法的主要步骤流程示意图；
图2为本发明得到糙率-水位曲线过程的示意图；
图3为糙率-水位曲线示意图；
图4为糙率分区示意图；
图5为实测资料推求与糙率分区模拟所得糙率-水位曲线对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种基于植被分布的河道糙率分区率定方法，如图1所示，包括：
步骤S1：根据实测水位-流量曲线，结合水位-流量-糙率图谱得到糙率-水位曲线，具体包括：
步骤S11：采用一维河道水动力模型模拟不同糙率下的水位与流量，并绘制得到水位-流量-糙率图谱得到各糙率下的水位-流量曲线，具体为在糙率为0.02～0.18范围内，以0.01为间隔，采用一维河道水动力模型模拟不同糙率下的水位与流量过程，用于绘制水位-流量-糙率图谱；
过程具体为使用实测资料构建河道一维水动力模型，其计算求解采用一维非恒定流基本运动方程，即圣维南方程组：
Figure BDA0001746976520000031
式中：x为距离坐标；t为时间坐标；A为过水断面面积；Q为流量；h为水位；q为旁侧入流量；C为谢才系数；R为阻力半径；g为重力加速度。
然后在糙率为0.02～0.18范围内，以0.01为间隔，当然糙率较小时可减小间隔以加密计算，采用该模型模拟不同糙率下的水位与流量过程。选择具有实测水位-流量资料的河道断面，用计算所得数据于绘制水位-流量-糙率图谱。通过实测资料绘制水位-流量曲线，并将其与水位-流量-糙率图谱进行比对，确定曲线的相交情况，如图2所示。
步骤S12：绘制实测水位-流量曲线，并提取实测水位-流量曲线与各糙率下的水位-流量曲线的交点；
步骤S13：拟合提取的所有的交点得到糙率-水位曲线，如附图3所示。
步骤S2：根据河道植被分布情况分为植被区和非植被区，并将糙率-水位曲线中糙率的最大值和最小值分别作为两个分区糙率的初始值，其中，植被区和非植被区的分隔界限为河床植被顶部至河床的平均高度。
具体的，根据河道植被分布情况确定临界水深，从而将河道断面分为两个糙率子区，即糙率较大的底床植被区(糙率为n1)与糙率较小的非植被区(糙率为n2)。临界水深为底床植被区与非植被区划分的界限，可通过分析底床植物冠层区的平均水深估计该临界水深，当然也可依据沉水植物生长高度估算。底床植被区的水流受到沉水植物影响较大，故该区的糙率值通常较大，可将实测资料推求的糙率-水位曲线的最大糙率值设置为n1的初值。非植被区受到植被影响较小，故该区糙率值通常较小，可将实测资料推求的糙率-水位曲线的最小糙率值设置为n2的初值。
实例中，河床指标冠层顶部至河床平均约1.5m高时，可将临界水深设置为1.5m。从而将河道断面分为两个糙率子区，即临界水深以下糙率较大的底床植被区(糙率为n1)，以及临界水深以上糙率较小的非植被区(糙率为n2)，如附图4所示。
底床植被区的水流受到沉水植物影响较大，故该区的糙率值通常较大，可将实测资料推求的糙率-水位曲线的最大糙率值设置为n1的初值。非植被区受到植被影响较小，故该区糙率值通常较小，可将实测资料推求的糙率-水位曲线的最小糙率值设置为n2的初值。根据附图2所得结果，最大糙率nmax为0.18，最小糙率nmin为0.03，两者分别作为n1与n2的初值。
步骤S3：计算综合糙率，并基于综合糙率拟合得到植被区和非植被区的最佳糙率。
其中，综合糙率为：
Figure BDA0001746976520000041
其中：n0为综合糙率，H为水位，B为水面宽，b为断面水平方向的位置变量，n(b)为断面位置b处的糙率值；h(H,b)为水深，k1、k2为常数，优选的，k1为-1.5，k2为8.5。
根据上式可计算综合糙率，从而获得分区糙率下的糙率-水位曲线，通过率定n1与n2将该曲线与实测资料推求的糙率-水位曲线拟合，即可完成分区糙率率定。
实例中，通过率定可得当n1＝0.021且n2＝0.006时，所得曲线与实测资料推求的糙率-水位曲线拟合较好，如图5所示。

Claims (5)

1.一种基于植被分布的河道糙率分区率定方法，其特征在于，包括：
步骤S1：根据实测水位-流量曲线，结合水位-流量-糙率图谱得到糙率-水位曲线，
步骤S2：根据河道植被分布情况确定临界水深，从而将河道断面分为两个糙率子区，即糙率较大的底床植被区与糙率较小的非植被，并将糙率-水位曲线中糙率的最大值和最小值分别作为两个分区糙率的初始值，
步骤S3：计算综合糙率，并基于综合糙率拟合得到植被区和非植被区的最佳糙率；
所述步骤S3中的综合糙率为：
Figure FDA0002559099980000011
其中：n0为综合糙率，H为水位，B为水面宽，b为断面水平方向的位置变量，n(b)为断面位置b处的糙率值；h(H,b)为水深，k1、k2为常数。
2.根据权利要求1所述的一种基于植被分布的河道糙率分区率定方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
步骤S11：采用一维河道水动力模型模拟不同糙率下的水位与流量，并绘制得到水位-流量-糙率图谱得到各糙率下的水位-流量曲线；
步骤S12：绘制实测水位-流量曲线，并提取实测水位-流量曲线与各糙率下的水位-流量曲线的交点；
步骤S13：拟合提取的所有的交点得到糙率-水位曲线。
3.根据权利要求2所述的一种基于植被分布的河道糙率分区率定方法，其特征在于，所述步骤S1中水位-流量-糙率图谱中选取的糙率在0.02～0.18的范围内，以0.01为间隔。
4.根据权利要求1所述的一种基于植被分布的河道糙率分区率定方法，其特征在于，所述植被区和非植被区的分隔界限为河床植被顶部至河床的平均高度。
5.根据权利要求1所述的一种基于植被分布的河道糙率分区率定方法，其特征在于，所述k1为-1.5，k2为8.5。
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