CN110837692B - 一种基于挟沙力变化的河漫滩平均高程确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于挟沙力变化的河漫滩平均高程确定方法，该方法采用公式计算得到复式断面不同水位条件下横向断面的流速分布，根据悬移质水流挟沙力公式计算得到水位挟沙力关系曲线。为了判别挟沙力随水位的变化速率，本发明进一步建立了挟沙力曲线斜率与水位的关系，捕捉该关系曲线上的斜率最小极值点，该极值点对应的高程即为河漫滩的代表高程。本发明方法不需要人为判别滩槽分界点就可以确定河漫滩高程，克服了传统方法需要事先人为判别滩槽分界点的不足。

Description

一种基于挟沙力变化的河漫滩平均高程确定方法

技术领域

本发明涉及一种基于挟沙力变化的河漫滩平均高程确定方法，属于河床演变分析和河流模拟中的滩槽划分技术领域。

背景技术

复式明渠大量存在于天然河道中，我国的黄河下游、淮河、松花江干流都属于典型的复式明渠。黄河下游洪水漫滩问题，关系到人民的生命财产安全，一直以来都受到国家的高度重视。其中，滩地高程的确定是黄河滩区治理中的重要一环，该高程能为河道行洪断面的最优设计和运用后的断面形态提供科学依据，既满足防洪要求，又能最大限度的利用滩地。

确定滩地高程通常采用读取断面图的方法，即绘制出断面形状从而人为判断各断面河漫滩的大致位置，然后在图中读取滩地高程。该方法具有较大的人为性，且很多情况下滩地和主槽的分界线并不明显，难以确定滩地的位置，不同的工作者得到的滩地平均高程的差异较大，因此，有必要采用一种定量的方法确定滩地的高程，进而根据滩地高程确定滩地的范围。

复式断面河道，按照高程从低到高的顺序来看，分别由主槽与河漫滩组成。水流未漫滩之前仅在主槽中流动，此时水流较为集中，断面平均流速大；当来流量增大到河道水位超过河漫滩高程时，河道河水漫滩，水流变得更加散乱，水流断面平均流速突然减小。水流挟沙力是一个关于河道断面平均流速的高次方函数值，当断面平均流速突然减小时，水流挟沙力也迅速降低。因此，水流挟沙力的改变来确定河漫滩的平均高程。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于挟沙力变化的河漫滩平均高程确定方法，该方法能定量地给出河漫滩的高程，计算简单，可操作性强。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于挟沙力变化的河漫滩平均高程确定方法，包括如下步骤：

步骤1，从河道断面的最左侧开始向河道断面的右侧共布置N个测点，并记录各测点的起点距D_i和高程Z_i，i＝1,…,N；

步骤2，设定河道断面的最高水位和最低水位，分别记为L_max、L_min，在垂直方向上将从最低水位到最高水位之间的距离平均分为200级，每级水位记为L_j，j＝1,…,200，且

步骤3，根据步骤1的河道断面，在每级水位L_j下，当河道断面某一测点的水深H_ji＜3m时，设定该测点处的糙率采用n_ji＝0.02+(3-H_ji)*0.005计算；当河道断面某一测点的水深H_ji≥3m时，该点的糙率恒定设为0.02；

步骤4，计算每级水位L_j下河道断面从左至右每个测点的垂线平均流速u_ji；

步骤5，在每级水位L_j下，将各测点的垂线平均流速u_ji进行横向加权平均，得到水位L_j下的河道断面平均流速U_j；

步骤6，在每级水位L_j下，采用悬移质水流挟沙力公式计算河道断面平均水流挟沙力S_j；

步骤7，以每级水位L_j为纵坐标，河道断面平均水流挟沙力S_j为横坐标，绘制河道断面平均水流挟沙力随水位变化的曲线；

步骤8，根据步骤7曲线，绘制该曲线的斜率随水位变化的斜率曲线，在斜率曲线上查找局部极值点，各极值点对应的水位即为各级河漫滩对应的高程。

作为本发明的一种优选方案，步骤2所述最低水位L_min设定为河道断面的所有测点对应的高程中的最低高程以上0.1m，最高水位L_max设定为河道断面的所有测点对应的高程中的最高高程以上0.1m。

作为本发明的一种优选方案，步骤4所述每个测点的垂线平均流速u_ji的计算公式为：

其中，u_ji为水位L_j下河道断面第i个测点的垂线平均流速，h_ji为水位L_j下河道断面第i个测点的水深，n_ji为水位L_j下河道断面第i个测点的糙率。

作为本发明的一种优选方案，步骤5所述河道断面平均流速U_j的计算方法为：

河道横向断面上的N个测点将河道分为N-1个小断面，求每一个小断面的面积，累加得到全断面的面积A，每一小断面流速的加权系数为：

断面平均流速U_j计算公式为：

其中，u_ji、u_j(i+1)为水位L_j下河道断面第i、i+1个测点的垂线平均流速，ξ_ji为流速加权系数，h_ji、h_j(i+1)为水位L_j下河道断面第i、i+1个测点的水深，D_i+1、D_i分别为河道断面第i+1、i个测点的起点距，N为所有测点的数量。

作为本发明的一种优选方案，步骤6所述河道断面平均水流挟沙力S_j的计算公式为：

其中，U_j为水位L_j下的河道断面平均流速；g为重力加速度；r_j为水位L_j下的断面平均水深，

N为所有测点的数量，Z_i、Z_i+1分别为第i、i+1个测点的高程，ω为泥沙沉速，计算过程中取值为0.001m/s。

作为本发明的一种优选方案，步骤8所述曲线的斜率计算公式为：

其中，k_j为斜率，S_j+1、S_j分别为水位L_j+1、L_j下的河道断面平均水流挟沙力。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明根据复式断面河道的输沙特性，采用断面综合挟沙力随水位的变化规律来确定河漫滩平均高程，具有明确的物理意义。该方法不需要人为判别滩槽分界点就可以确定河漫滩高程，克服了传统方法需要事先人为判别滩槽分界点的不足。

2、本发明采用公式计算断面平均流速，并结合悬移质水流挟沙力计算断面的平均挟沙力，该求解方法操作性强、精度高，可满足工程需求，并可以耦合于河流水动力学模型中。

附图说明

图1是本发明一种基于挟沙力变化的河漫滩平均高程确定方法的流程图。

图2是本发明实施例黄河下游断面图。

图3是本发明实施例断面平均水流挟沙力随水位变化曲线图。

图4是图3曲线的斜率随水位变化曲线图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

复式河槽在漫滩瞬间水流挟沙力逐渐小然后随水深逐渐增大，根据这种变化特性可以确定河漫滩的高程。如图1所示，本发明复式断面河道河漫滩和主槽的判断方法的流程如下：

步骤1，获取河道断面的地形数据，从河道左侧到右侧共布置N个高程点，对应的高程分别为Z_i，对应的起点距(每个测点到第一个点的距离)分别为D_i。

步骤2，根据河道特征给定河道的糙率，当河道断面某一点的水深H_ji<3m时，设定该点处的糙率采用n_ji＝0.02+(3-H_ji)*0.005计算；当该点水位大于或等于3m时，该点的糙率恒定设为0.02。

步骤3，设定断面河床的最高水位与最低水位，分别标记为L_max、L_min。在垂直方向上将从最低水位到最高水位的距离平均分为200级，水位的间距为ΔL＝(L_max-L_min)/200，L_max与L_min间的水位高程L_j分别标记为L₁、L₂、…、L₂₀₀，其中L₁＝L_min+ΔL，L₂₀₀＝L_max，L_j＝L_min+ΔL*j。

步骤4，根据步骤1中的河道地形，采用公式

计算每级水位L_j下河道断面从左至右每个测点的垂线平均流速u_ji。

步骤5，在每级水位L_j下，将各测点的垂线平均流速u_ji进行横向加权平均，得到水位L_j下的河道断面平均流速U_j：

其中，ξ_ji为流速加权系数，u_ji为水位L_j下河道断面第i个测点的垂线平均流速，h_ji为水位L_j下河道断面第i个测点的水深，D_i+1、D_i分别为河道断面第i+1、i个测点的起点距，N为所有测点的数量。

步骤6，采用悬移质水流挟沙力公式计算河道断面平均水流挟沙力S_j：

其中，U_j为水位L_j下的河道断面平均流速；g为重力加速度；r_j为水位L_j下的断面平均水深，

ω为泥沙沉速，计算过程中可取0.001m/s。

步骤7，以水位L_j为纵坐标，水流挟沙力S_j为横坐标，绘制水流挟沙力随水位变化的曲线。

步骤8，基于步骤7中的挟沙力与水位关系曲线，绘制该曲线的斜率

随水位的变化图。由低水位到高水位，在斜率曲线上查找局部最小值点，该极值点对应的高程为河漫滩的高程点；当有多个极值点时，表明存在多级滩地，其中，每一极值点的高程对应于滩地的高程。

下面以黄河下游断面为例，应用本发明提出的复式断面河道河漫滩和主槽的划分方法，实施步骤如下：

(1)收集黄河下游断面的起点距和高程数据，断面形态如图2所示，从左至右对每个数据点进行编号。

(2)计算河道糙率；通过程序自动识别该断面的最低点和最高点，分别抬高0.1m得到最低水位98.4m，最高水位112.85m；在两者之间，均匀选取200个高程点作为数模计算水位。

(3)计算不同水位下的断面平均流速和水流挟沙力，得到挟沙力与水位关系曲线图，如图3所示；基于图3，进一步得到挟沙力变化斜率与水位关系图，如图4所示。根据图4可以得到曲率局部极小值点对应的水位分别为108.25m和109.2m，该水位为该断面的两级滩地对应的高程。表1为不同水位下断面特征参数。

表1

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于挟沙力变化的河漫滩平均高程确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，从河道断面的最左侧开始向河道断面的右侧共布置N个测点，并记录各测点的起点距D_i和高程Z_i，i＝1,…,N；

步骤2，设定河道断面的最高水位和最低水位，分别记为L_max、L_min，在垂直方向上将从最低水位到最高水位之间的距离平均分为200级，每级水位记为L_j，j＝1,…,200，且

L₂₀₀＝L_max；

步骤3，根据步骤1的河道断面，在每级水位L_j下，当河道断面某一测点的水深H_ji＜3m时，设定该测点处的糙率采用n_ji＝0.02+(3-H_ji)*0.005计算；当河道断面某一测点的水深H_ji≥3m时，该点的糙率恒定设为0.02；

步骤4，计算每级水位L_j下河道断面从左至右每个测点的垂线平均流速u_ji；

步骤5，在每级水位L_j下，将各测点的垂线平均流速u_ji进行横向加权平均，得到水位L_j下的河道断面平均流速U_j；

步骤6，在每级水位L_j下，采用悬移质水流挟沙力公式计算河道断面平均水流挟沙力S_j；

步骤7，以每级水位L_j为纵坐标，河道断面平均水流挟沙力S_j为横坐标，绘制河道断面平均水流挟沙力随水位变化的曲线；

步骤8，根据步骤7曲线，绘制该曲线的斜率随水位变化的斜率曲线，在斜率曲线上查找局部极值点，各极值点对应的水位即为各级河漫滩对应的高程。

2.根据权利要求1所述基于挟沙力变化的河漫滩平均高程确定方法，其特征在于，步骤2所述最低水位L_min设定为河道断面的所有测点对应的高程中的最低高程以上0.1m，最高水位L_max设定为河道断面的所有测点对应的高程中的最高高程以上0.1m。

3.根据权利要求1所述基于挟沙力变化的河漫滩平均高程确定方法，其特征在于，步骤4所述每个测点的垂线平均流速u_ji的计算公式为：

其中，u_ji为水位L_j下河道断面第i个测点的垂线平均流速，h_ji为水位L_j下河道断面第i个测点的水深，n_ji为水位L_j下河道断面第i个测点的糙率。

4.根据权利要求1所述基于挟沙力变化的河漫滩平均高程确定方法，其特征在于，步骤5所述河道断面平均流速U_j的计算方法为：

河道横向断面上的N个测点将河道分为N-1个小断面，求每一个小断面的面积，累加得到全断面的面积A，每一小断面流速的加权系数为：

断面平均流速U_j计算公式为：

其中，u_ji、u_j(i+1)为水位L_j下河道断面第i、i+1个测点的垂线平均流速，ξ_ji为流速加权系数，h_ji、h_j(i+1)为水位L_j下河道断面第i、i+1个测点的水深，D_i+1、D_i分别为河道断面第i+1、i个测点的起点距，N为所有测点的数量。

5.根据权利要求1所述基于挟沙力变化的河漫滩平均高程确定方法，其特征在于，步骤6所述河道断面平均水流挟沙力S_j的计算公式为：

其中，U_j为水位L_j下的河道断面平均流速；g为重力加速度；r_j为水位L_j下的断面平均水深，

N为所有测点的数量，Z_i、Z_i+1分别为第i、i+1个测点的高程，ω为泥沙沉速，计算过程中取值为0.001m/s。

6.根据权利要求1所述基于挟沙力变化的河漫滩平均高程确定方法，其特征在于，步骤8所述曲线的斜率计算公式为：

其中，k_j为斜率，S_j+1、S_j分别为水位L_j+1、L_j下的河道断面平均水流挟沙力。

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