CN110263428A - 一种基于流量加权平均流线长度指标的河床演变分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于流量加权平均流线长度指标的河床演变分析方法，其根据对象河段的二维流场和位于二维流场出口断面处的流线终点分别计算得出该对象河段在N个时期内的流量加权平均流线长度E_LEN，对比N个时期内的流量加权平均流线长度E_LEN实现对象河段的定量分析。本发明能够实现对河道主流、深泓摆动情况进行定量刻画。

Description

一种基于流量加权平均流线长度指标的河床演变分析方法
技术领域
本发明属于河床演变分析方法，是一种用于定量分析河道形态与水动力条件平面变化的方法，适用于对平面形态复杂、冲淤频繁的平面河流的主流、深泓进行定量刻画。
背景技术
以长江中下游平原河流为例，目前主要通过河道长度、河道内等高线(等深线)、深泓线等分析平面形态变化；以主流区、主流线等分析水动力条件平面变化。受限于河道形态以及水动力条件的复杂性，上述指标均有一定的局限性。比如堤岸受控情况下，河道长度是基本固定的，无法反映河道内滩槽冲淤调整变化；等高线(等深线)需结合具体的河段进行针对性选择，欠缺一般性，平面形态描述上也难以定量；严格定义上的深泓线、主流区、主流线等指标在天然河流平滑程度差，甚至不连续，往往需要进行经验性的判断处理，精确度与严谨性较为欠缺。
受限于现有指标体系的欠缺，河床演变中的“取直”、“坐弯”等概念定量刻画不足。尤其是在大型枢纽修建以后下游河床的剧烈演变期，不同河型的平面调整缺乏一致性描述，同样以长江中下游为例，三峡水库蓄水运行以后，弯曲河段凸冲凹淤、汊道段短汊发育等现象，仍只能定性阐述，无法对其进行定量分析。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于流量加权平均流线长度指标的河床演变分析方法，能够实现对河道主流、深泓摆动情况进行定量刻画。
本发明公开了一种基于流量加权平均流线长度指标的河床演变分析方法，其根据对象河段的二维流场和位于二维流场出口断面处的流线终点分别计算得出该对象河段在N个时期内的流量加权平均流线长度E_LEN，对比N个时期内的流量加权平均流线长度E_LEN实现对象河段的定量分析。
在本发明的一种优选实施方案中，获取每个时期内的流量加权平均流线长度E_LEN的具体步骤：包括步骤一，对象河段的二维流场建模；步骤二，在二维流场的出口位置合理布置多个流线终点；步骤三，基于二维流场数据反算每个流线终点所对应的流线长度LENi；步骤四，监测各流线间的过流流量ΔQi；步骤五，根据LENi和ΔQi计算得到流量加权平均流线长度E_LEN，
在本发明的一种优选实施方案中，步骤一中，建立分析对象河段的平面二维水流数学模型，在完成水位、流速验证的基础上，模拟不同测次地形下洪、中、枯不同流量级的二维流场。
在本发明的一种优选实施方案中，步骤二中，流线终点总数不少于10个。
在本发明的一种优选实施方案中，步骤二中，任意两个相邻流线终点之间的间距大于二维网格流场的节点间距。
在本发明的一种优选实施方案中，步骤三中，以每个流线终点为起点、Δl为步距，每一步的溯点均取自计算网格的结点，并保证Δl的前进方向与流速矢量平行，最大限度地逼近经过各流线终点的完整流线。
在本发明的一种优选实施方案中，第j的步长为LENi＝∑Lj。
在本发明的一种优选实施方案中，步骤四中，ΔQi＝ΔQi+1＝恒定值。
在本发明的一种优选实施方案中，若前一时期的流量加权平均流线长度与后一时期的流量加权平均流线长度之间的差值为ΔE_LEN；当ΔE_LEN＞0时，则流量加权平均流线长度减小，对应的河道深泓、主流撇弯取直，流程缩短；当ΔE_LEN＜0时，则流量加权平均流线长度增加，对应的河道深泓、主流坐弯，流程增加。
本发明的有益效果时：本发明通过对对象河段的二维流场、流线终点的分析得出流量加权平均流线长度从而实现了对对象河段的定量分析，提高了对象河段的深泓线、主流区、主流线等指标的精确分析。
附图说明
图1本发明一种基于流量加权平均流线长度指标的河床演变分析方法的流程图。
图2本发明一种基于流量加权平均流线长度指标的河床演变分析方法的二维流场示意图。
图3本发明实施例马家咀河段2018年24000m3/s流量级下出口位置的流线终点总数为30个。
图4本发明实施例熊家洲至城陵矶河段2017年24000m3/s流量级下出口位置的流线终点总数为25个。
具体实施方式
具体实施方式如下：
本发明对于分析对象河段，利用平面二维水流数学模型模拟不同测次地形下的二维流场，即水流的二维欧拉场，根据二维流场，计算出二维流线分布。由于流线之间流量恒定，可对所有流线按各流线邻域内流量取流线加权平均值，作为整个河道某一测次地形条件下的流量加权平均流线长度。该指标融合了地形与水动力条件因素，较河道中轴线长度、深泓线长度等指标有更为清晰的物理意义。加权平均流线长度减小，对应了河道深泓、主流撇弯取直，流程缩短；加权平均流线长度增大，对应了河道深泓、主流坐弯，流程增加。以长江中游微弯分汊型河段马家咀河段、典型蜿蜒型河段熊家洲至城陵矶河段为例，本发明具体的实现步骤如下：
(1)建立分析对象河段的平面二维水流数学模型，在完成水位、流速验证的基础上，模拟不同测次地形下洪、中、枯不同流量级的二维流场。进行年际变化分析时，各测次地形应尽量对应每年的同一水文时期。马家咀河段分别模拟了2010、2012、2014、2018共四个年份枯水期测图的各级流场，熊家洲至城陵矶河段分别模拟了2010、2012、2014、2017共四个年份枯水期测图的各级流场。
(2)在二维流场出口位置结合水深、流速情况沿断面布置流线终点。水深、流速较大的位置相对密集布置，较小的位置相对稀疏布置；流线终点总数不少于10个，但点距不宜小于二维网格流场的节点间距。
比如马家咀河段2018年24000m3/s流量级下出口位置的流线终点总数为30个；熊家洲至城陵矶河段2017年24000m3/s流量级下出口位置的流线终点总数为25个。
(3)根据二维流场计算结果，由选定的流线终点溯源而上。以Δl为计算步长，每一步的溯点均取自计算网格的结点，并保证每一段Δl的前进方向与流速矢量平行，最大限度地逼近经过各布置终点的完整流线。而后通过将各步长点的坐标(Xj,Yj)导出，计算第j的步长采取分段相加的方法计算第i条流线的总长LENi，以此提取所有布设的流线长度。
马家咀河段2018年24000m3/s流量级下各流线LENi计算结果如表1；熊家洲至城陵矶河段2017年30000m3/s流量级下各流线LENi计算结果如表2。
表1马家咀河段2018年24000m3/s流量级下流线长度计算过程
表2熊家洲至城陵矶河段2017年30000m3/s流量级下流线长度计算过程(4)流线之间流量不变，计算流线li、li+1之间的流量Qi，再计算流量加权平均流线长度E_LEN。马家咀河段2018年24000m3/s流量级下E-LEN计算结果如表1；熊家洲至城陵矶河段2017年30000m3/s流量级下E_LEN计算结果如表2。
(5)对比不同测次地形条件下各流量级的E_LEN，若E_LEN减小，即加权平均流线长度减小，对应了河道深泓、主流撇弯取直，流程缩短。
以长江中游典型蜿蜒型河段熊家洲至城陵矶河段为例，30000m3/s流量的加权平均流线长度从2010年的33.66km减小至2017年的33.21km，这定量刻画了该弯曲河段凸岸冲刷、凹岸淤积的切滩撇弯取直过程，若E_LEN增大，即加权平均流线长度增大，对应了河道深泓、主流坐弯，流程增加。
以长江中游微弯分汊型河段马家咀河段为例，24000m3/s流量的加权平均流线长度从2010年的15.65km增大至2018年的15.86km，这定量刻画了该分汊河段左汊(较短的汊道)因工程控制逐渐淤塞，而深泓主流逐渐向右汊(较长的汊道)集中，进而造成主流、深泓坐弯的现象。
由上述实例可以看出，因变化幅度相对于总长度偏小，若无加权平均流向长度这一严格的统一处理指标，人为勾勒主流线、深泓线，引起的误差容易掩盖河道真实的变化过程。

Claims (9)

1.一种基于流量加权平均流线长度指标的河床演变分析方法，其特征在于：根据对象河段的二维流场和位于二维流场出口断面处的流线终点分别计算得出该对象河段在N个时期内的流量加权平均流线长度E_LEN，对比N个时期内的流量加权平均流线长度E_LEN实现对象河段的定量分析。
2.根据权利要求1所述的一种基于流量加权平均流线长度指标的河床演变分析方法，其特征在于：
获取每个时期内的流量加权平均流线长度E_LEN的具体步骤包括
步骤一，对象河段的二维流场建模；
步骤二，在二维流场的出口位置合理布置多个流线终点；
步骤三，基于二维流场数据反算每个流线终点所对应的流线长度LENi；
步骤四，监测各流线间的过流流量ΔQi；
步骤五，根据LENi和ΔQi计算得到流量加权平均流线长度E_LEN，
3.根据权利要求2所述的一种基于流量加权平均流线长度指标的河床演变分析方法，其特征在于：步骤一中，建立分析对象河段的平面二维水流数学模型，在完成水位、流速验证的基础上，模拟不同测次地形下洪、中、枯不同流量级的二维流场。
4.根据权利要求2所述的一种基于流量加权平均流线长度指标的河床演变分析方法，其特征在于：步骤二中，流线终点总数不少于10个。
5.根据权利要求2所述的一种基于流量加权平均流线长度指标的河床演变分析方法，其特征在于：步骤二中，任意两个相邻流线终点之间的间距大于二维网格流场的节点间距。
6.根据权利要求2所述的一种基于流量加权平均流线长度指标的河床演变分析方法，其特征在于：步骤三中，以每个流线终点为起点、Δl为步距，每一步的溯点均取自计算网格的结点，并保证Δl的前进方向与流速矢量平行，最大限度地逼近经过各流线终点的完整流线。
7.根据权利要求6所述的一种基于流量加权平均流线长度指标的河床演变分析方法，其特征在于：第j的步长为LENi＝∑Lj。
8.根据权利要求6所述的一种基于流量加权平均流线长度指标的河床演变分析方法，其特征在于：步骤四中，ΔQi＝ΔQi+1＝恒定值。
9.根据权利要求1所述的一种基于流量加权平均流线长度指标的河床演变分析方法，其特征在于：若前一时期的流量加权平均流线长度与后一时期的流量加权平均流线长度之间的差值为ΔE_LEN；当ΔE_LEN＞0时，则流量加权平均流线长度减小，对应的河道深泓、主流撇弯取直，流程缩短；当ΔE_LEN＜0时，则流量加权平均流线长度增加，对应的河道深泓、主流坐弯，流程增加。
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