CN111859257B - 一种水位非匀速涨落过程山区岸滩浸润线位置确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水位非匀速涨落过程山区岸滩浸润线位置确定方法，包括：确定岸滩初始地下水位；确定河道水位非匀速涨落函数；计算岸滩地下水位瞬态变幅；确定岸滩浸润线实时位置。本方法基于Boussinesq非稳定渗流控制方程，通过拉普拉斯变换得到了山区河道水位非匀速涨落过程岸滩地下水位变幅解析解，将其与初始地下水位叠加给出了水位涨落过程山区岸滩浸润线实时位置表达式。本发明能考虑河道水位非匀速涨落对岸滩地下水位的影响，可快速确定水位涨落过程岸滩浸润线实时位置，计算过程简单直观，为山区岸滩渗流安全评价和崩岸预警提供了理论和技术支撑。

Description

一种水位非匀速涨落过程山区岸滩浸润线位置确定方法

技术领域

本发明属于岸滩浸润线确定方法技术领域，特别是涉及一种水位非匀速涨落过程山区岸滩浸润线位置确定方法。

背景技术

山区河道沿岸冲积滩地形成的岸滩，常被开垦为当地居民赖以生存的农田，然而崩岸会危及耕地安全，造成大量水土流失。水位快速涨落导致的渗流破坏是岸滩崩岸的主要诱因之一。山区河道洪水主要由暴雨汇流形成，其水位涨落具有历时短、非匀速等特点，因而揭示河道水位短时非匀速涨落过程山区岸滩浸润线位置演化规律，对评价岸滩渗流状态和预防崩岸具有重大现实意义。

工程实践表明：数值模拟或原位监测能准确确定水位波动过程边坡地下水实时位置，但数值计算或现场操作过程复杂、耗时长、成本高；而通过解析解确定岸坡地下水位是一种简便可行的方法。譬如，张友谊等给出了库水位等速上升过程岸坡地下水位解析解(张友谊,胡卸文.库水位等速上升作用下岸坡地下水浸润线的计算[J].水文地质工程地质，2007,34(5):46－49)；李相依等给出了库水位以正弦半波周期性升降时滑坡堆积体潜水位表达式(李相依,晏鄂川.库水位周期性升降作用下滑坡堆积体潜水位[J].四川大学学报(工程科学版),2007,39(增):78-81)；秦卫星等推导了强降雨作用下河道水位匀速涨落过程岸滩浸润线解析表达式(秦卫星,胡惠仁,周作霖,王江营.强降雨作用下山区岸滩稳定性演化分析[J].铁道科学与工程学报,2019,16(05):1170-1177)。然而，现有地下水位解析解主要以库岸边坡为研究对象，仅适用于库水位匀速涨落或正弦半波周期性升降情况，尚不能用于确定水位非匀速涨落过程山区岸滩浸润线实时位置。

发明内容

针对现有确定水位非匀速涨落过程山区岸滩浸润线实时位置存在的技术问题，本发明考虑山区河道水位短时非匀速涨落特征，提供了一种方便快捷的水位非匀速涨落过程山区岸滩浸润线实时位置确定方法。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：基于Boussinesq非稳定渗流控制方程，通过拉普拉斯变换得到了山区河道水位非匀速涨落过程岸滩地下水位瞬态变幅解析解，将其与初始地下水位叠加给出了水位涨落过程山区岸滩浸润线实时位置表达式，获得了一种确定水位非匀速涨落过程山区岸滩浸润线实时位置的方法，所述方法步骤如下：

(1)确定岸滩初始地下水位：采用实测或数值模拟的渗压数据，以不透水层为基准确定距临河侧x米处岸滩初始地下水位h_x,0，单位为m；

(2)确定河道水位非匀速涨落函数：通过拟合山区河道水位随时间变化特征曲线,得到水位非匀速涨落函数式为：

g(t)＝±(ce^dt-c) (1)

式中：g(t)为河道水位涨落过程任意t时刻的水位变幅，m，符号为正时表示河道水位上涨，为负时表示河道水位下降；t为水位涨落时刻，h；c为拟合参数，m；d为拟合参数，h^-1；

(3)计算岸滩地下水位瞬态变幅：河道水位以函数式g(t)非匀速涨落，岸滩地下水位瞬态变幅计算公式为：

式中：x为岸滩与临河侧的水平距离，m；f(x,t)为任意t时刻距临河侧x米处地下水位变幅，m，符号为正时表示地下水位上涨，为负时表示地下水位下降；a＝kH_m/μ，m²/h；k为土体渗透系数，m/h；H_m为河道水位涨落过程任意t时刻含水层的平均厚度，m；μ为土体给水度，无量纲；erfc(y)为自变量y的互补误差函数，由Excel软件内置的互补误差函数直接求得；其它参数意义同上；

(4)确定岸滩浸润线实时位置：叠加岸滩初始地下水位和地下水位瞬态变幅，得到水位涨落过程岸滩浸润线实时位置，计算公式为：

h_x,t＝h_x,0+f(x,t) (3)

式中：h_x,t为任意t时刻距临河侧x米处岸滩浸润线位置，m；其它参数意义同上。

进一步地，所述步骤(3)中的H_m为河道水位涨落过程任意t时刻含水层的平均厚度，计算公式为：

式中：取加号时表示河道水位上涨过程含水层平均厚度，取减号时表示河道水位下降过程含水层平均厚度；其它参数意义同上。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、给出了山区河道水位非匀速涨落函数表达式，反映了山区河道水位非匀速暴涨暴落的特点，为确定河道水位涨落过程山区岸滩浸润线实时位置提供了合理的水力边界条件；

2、提供了山区河道水位非匀速涨落过程岸滩地下水位瞬态变幅解析解，反映了河道水位非匀速涨落作用对岸滩地下水位波动的影响，确定了河道水位非匀速涨落任意时刻岸滩地下水位瞬态变幅；

3、建立了山区河道水位非匀速涨落过程岸滩浸润线实时位置与河道水位非匀速涨落速度、涨落历时之间的映射关系，为快速研究山区河道水位非匀速涨落过程岸滩浸润线位置演化规律提供了便捷的分析手段。

附图说明

图1是本发明的计算流程图。

图2是山区岸滩浸润线计算示意图。

图3是山区河道水位非匀速涨落示意图。

图4是河道水位非匀速上涨过程山区岸滩浸润线位置演化图。

图5是河道水位非匀速下降过程山区岸滩浸润线位置演化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1。

取某均质山区岸滩为研究对象，计算示意图如图2所示，为方便分析，假定岸滩不透水层和初始地下水位水平。根据当地水文地质资料，取岸滩土体饱和渗透系数k为0.021m/h，给水度μ为0.08。

水位非匀速涨落过程岸滩浸润线实时位置计算过程如下：

(1)确定岸滩初始地下水位。采用河道水位涨落前岸滩实测渗压数据，以不透水层为基准确定距临河侧x米处岸滩初始地下水位h_x,0为32.3m；

(2)确定河道水位非匀速涨落函数。通过式(1)拟合当地山区河道水位随时间变化特征曲线,确定拟合参数c＝0.8m、d＝0.66h^-1，得到河道水位非匀速涨落函数式g(t)＝±(0.8e^0.66t-0.8)，单位为m，如图3所示；

(3)计算岸滩地下水位瞬态变幅。根据式(4)计算河道水位涨落任意t时刻含水层的平均厚度H_m，进而确定中间变量a，再将a，c，d代入式(2)得到河道水位涨落过程任意t时刻岸滩地下水位瞬态变幅单位为m；

(4)确定岸滩浸润线实时位置：叠加岸滩初始地下水位h_x,0和地下水位瞬态变幅f(x,t)，得到河道水位涨落过程任意t时刻岸滩浸润线实时位置。

根据以上步骤，河道水位以函数式g(t)非匀速涨落时，选取水位涨落时刻t为0h、1h、2h、3h，距临河侧的距离x分别为0m、2m、4m、6m、8m、10m、12m、14m、16m、18m、20m的位置，可得到河道水位非匀速上涨过程山区岸滩浸润线位置演化图，如图4所示，以及河道水位非匀速下降过程山区岸滩浸润线位置演化图，如图5所示。

Claims (1)

1.一种水位非匀速涨落过程山区岸滩浸润线位置确定方法，其特征在于，所述方法步骤如下：

(1)确定岸滩初始地下水位：采用实测或数值模拟的渗压数据，以不透水层为基准确定距临河侧x米处岸滩初始地下水位h_x,0，单位为m；

(2)确定河道水位非匀速涨落函数：通过拟合山区河道水位随时间变化特征曲线，得到水位非匀速涨落函数式为：

g(t)＝±(ce^dt-c) (1)

式中：g(t)为河道水位涨落过程中任意t时刻的水位变幅，m，符号为正时表示河道水位上涨，为负时表示河道水位下降；t为水位涨落时刻，h；c为拟合参数，m；d为拟合参数，h^-1；

(3)计算岸滩地下水位瞬态变幅：河道水位以函数式g(t)非匀速涨落，岸滩地下水位瞬态变幅计算公式为：

式中：x为岸滩与临河侧的水平距离，m；f(x,t)为任意t时刻距临河侧x米处地下水位变幅，m，符号为正时表示地下水位上涨，为负时表示地下水位下降；a＝kH_m/μ，m²/h；k为土体渗透系数，m/h；H_m为河道水位涨落过程任意t时刻含水层的平均厚度，取加号时表示河道水位上涨过程含水层平均厚度，取减号时表示河道水位下降过程含水层平均厚度，m；μ为土体给水度，无量纲；erfc(y)为自变量y的互补误差函数，由Excel软件内置的互补误差函数直接求得；

(4)确定岸滩浸润线实时位置：叠加岸滩初始地下水位和地下水位瞬态变幅，得到水位涨落过程岸滩浸润线实时位置，计算公式为：

h_x,t＝h_x,0+f(x,t) (3)

式中：h_x,t为任意t时刻距临河侧x米处岸滩浸润线位置，m。