CN112160282A - 一种衡量河流水沙同步性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种衡量河流水沙同步性的方法，包括收集河流控制站5年以上的水文系列资料；对于天然河道选择“均值法”计算水沙同步系数δ_Ki，对于受到重大工程扰动的河道选择“频率法”计算水沙同步系数δ_Pi；针对天然河道的“均值法”，计算日均流量波动值N_i及日均含沙量波动值M_i；逐日计算流量波动值与含沙量波动值的差值δ_Ki＝M_i‑N_i；针对受重大工程扰动河道的“频率法”，对日均流量进行频率赋值Q_P；对日均含沙量进行频率赋值S_P；逐日计算流量频率与含沙量频率的差值δ_Pi＝Q_P‑S_P；根据水沙同步系数δ_Ki或δ_Pi，定量分析水沙同步特征。本发明基于水文统计的基本原理推求流域内径流与泥沙的时间同步特征，具有明确物理含义，为定量描述河流来水来沙条件提供了一种新的途径。

Description

一种衡量河流水沙同步性的方法

技术领域

本发明涉及水利工程技术领域，具体是一种衡量河流水沙同步性的方法。

背景技术

水沙条件是塑造河床的直接动力和物质条件，也是影响河道演变最活跃的因素。对冲积性河道而言，来水来沙条件是影响河床演变最主要的因素，河流通过调整河床边界条件与来水来沙相适应。因此，作为冲积河道发展变化关键驱动因子的水沙条件，一直是河流地貌及河流工程学科的基础和关注重点。

目前描述水沙特性主要有三类因子：一是径流表征因子，主要有：年均流量、最大洪峰流量、年均洪峰流量、汛期平均流量、平滩流量、造床流量、冲淤临界流量、流量过程因子等；二是来沙表征因子，主要包括年均含沙量、最大含沙量、汛期平均含沙量，冲淤临界含沙量、饱和含沙量等；三是水沙搭配表征因子，主要包括来沙系数、水沙组合指标m及k值等。

水库运行后，流量过程改变、含沙状态也不断变化，因此学者们对三峡水库运行后长江中下游河道水沙特性的分析热度持续高涨。早期学者多以流量或者含沙量单一影响因子对河道冲淤变化规律进行讨论研究，未能形成稳定的对应关系，而将水沙条件一并分析后研究进展明显推进。关于水沙组合的最新研究在黄河流域上较为丰富，在其它流域的应用及修正有待更深入的开展。此外，国内外学者们提出的指标系数，主要是基于长系列水文要素得出的一个趋势性描述，没能反映流量及含沙量的过程形态，无法准确判断某个具体水文年内不同时期的水沙同步特征。

发明内容

本发明的目的在于提供一种衡量河流水沙同步性的方法，该方法能定量描述天然河道及受重大工程扰动河道的来水来沙条件，能反映流量及含沙量的过程形态，可用以判别某个具体水文年内不同时期的水沙同步特征。

本发明的技术方案：

一种衡量河流水沙同步性的方法，包括以下步骤：

步骤1，收集河流控制站5年以上的水文系列资料；

步骤2，初步判定该流域特性后分类进行分析，对于天然河道选择“均值法”计算水沙同步系数δ_Ki，对于受到重大工程扰动的河道选择“频率法”计算水沙同步系数δ_Pi；

步骤3，针对天然河道的“均值法”，以多年水文资料为基础，统计水文系列年内多年日均流量及日均含沙量均值；

步骤4，计算日均流量波动值N_i及日均含沙量波动值M_i；

步骤5，逐日计算流量波动值与含沙量波动值的差值δ_Ki＝M_i-N_i；

步骤6，针对受重大工程扰动河道的“频率法”，以一个水文年为基础，对日均流量进行频率统计分析，对日均流量进行频率赋值Q_P；

步骤7，以一个水文年为基础，分别对日均含沙量进行频率统计分析，对日均含沙量进行频率赋值S_P；

步骤8，逐日计算流量频率与含沙量频率的差值δ_Pi＝Q_P-S_P；

步骤9，根据水沙同步系数δ_Ki或δ_Pi，定量分析水沙同步特征：系数越趋于零水沙同步性越高,即两项水沙同步系数的绝对值越小，水沙同步性越好。

所述“均值法”中，日均流量波动值和输沙率波动值的计算步骤如下：

(1)日均流量波动值：

n表示水文天数，Q_i为实测水文数据中日均流量；

(2)日均含沙量波动值：

n表示水文天数，S_i为实测水文数据中日均含沙量值。

所述“频率法”中，日均流量和含沙量的出现频率使用P-Ⅲ型曲线进行计算：

(1)将流量和含沙量均从大到小排序，并按顺序给对应的每一流量和含沙量值进行编号，编号后记为i；

(2)则日均流量和含沙量的出现频率为P＝i/(n+1)，(i＝1～n)，n表示汛期总的水文天数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：基于水文统计的基本原理推求流域内径流与泥沙的时间同步特征，具有明确物理含义，为定量描述河流来水来沙条件提供了一种新的途径。

附图说明

图1是本发明一种衡量河流水沙同步性的技术方法流程图。

图2是实施例1998年汛期三峡水库蓄水前汉口水文站“均值法”示意图。

图3是实施例1999年汛期三峡水库蓄水前汉口水文站“均值法”示意图。

图4是实施例2013年汛期三峡水库蓄水后汉口水文站“频率法”示意图。

图5是实施例2014年汛期三峡水库蓄水后汉口水文站“频率法”示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，(1)收集河流控制站5年以上的水文系列资料；(2)初步判定该流域特性后分类进行分析，对于天然河道选择“均值法”计算水沙同步系数δ_Ki，对于受到重大工程扰动的河道选择“频率法”计算水沙同步系数δ_Pi；(3)“均值法”，以多年水文资料为基础，统计水文系列年内多年日均流量及日均含沙量均值；(4)计算日均流量波动值N_i及日均含沙量波动值M_i；(5)逐日计算流量波动值与含沙量波动值的差值δ_Ki＝M_i-N_i；(6)“频率法”，以一个水文年为基础，对日均流量和含沙量进行频率统计分析，对日均流量进行频率赋值Q_P，对日均含沙量进行频率赋值S_P；(7)逐日计算流量频率与含沙量频率的差值δ_Pi＝Q_P-S_P；(8)结合δ_Ki和δ_Pi两项水沙同步系数，定量分析水沙同步特征，两者越趋于零同步性越高，即两项水沙同步系数的绝对值越小，水沙同步性越好。

实施例的具体步骤如下：

(1)收集武汉河段汉口水文站1990～2015年的水文系列资料。

(2)初步判定该流域特性后分类进行分析，三峡水库蓄水前1998年、1999年汛期(6-8月)运用“均值法”，三峡水库蓄水后2013年、2014年汛期(6-8月)运用“频率法”。

(3)汉口站1990-2002年实测水文数据中日均流量和含沙量值分别表示为Q_i、S_i，统计水文系列年内多年日均流量及日均含沙量均值，得到

和

。

(4)分别计算1998年和1999年汛期(6-8月)日均流量波动值N_i及日均含沙量波动值M_i，如图2和图3中所示。

(5)逐日计算流量波动值与含沙量波动值的差值δ_Ki＝M_i-N_i，如图2和图3中所示。

(6)以一个水文年为基础，对三峡水库蓄水后的水沙系列进行频率统计分析，对日均流量进行频率赋值Q_P，对日均含沙量进行频率赋值S_P，2013年和2014年汛期(6-8月)日均流量和含沙量频率，如图4和图5中所示。

(7)逐日计算流量频率与含沙量频率间的差值δ_Pi＝Q_P-S_P，如图4和图5中所示。

(8)结合δ_Ki和δ_Pi两项水沙同步系数，定量分析水沙同步特征，两者越趋于零同步性越高，即两项水沙同步系数的绝对值越小，水沙同步性越好。

(9)由1998年和1999年汛期(6-8月)逐日的水沙同步系数δ_Ki趋势曲线可看出，在整个92天的汛期里，两年中汛期时水沙同步系数曲线整体波动性较大，虽然是邻近水文年，两年汛期的水沙过程差异明显。但通过运算可知，1999年汛期所得的δ_Ki数据求和后小于1998年汛期，如表1所示，则相对1998年而言，1999年汛期整体的水沙同步性趋优。

(10)由2013年和2014年汛期(6-8月)逐日的水沙同步系数δ_Pi趋势曲线可看出，在整个92天的汛期里，两年中汛期时水沙同步系数曲线整体波动性较大，虽然是邻近水文年，两年汛期的水沙过程差异明显。通过计算分析可知，2014年汛期所得的δ_Ki数据求和后小于2013年汛期，如表1所示。则相对2013年而言，2014年汛期整体的水沙同步性趋优。

表1

年份	时期	方法	水沙同步系数	求和
					1998	蓄水前	均值法	δKi	-74.9777
1999	蓄水前	均值法	δKi	-65.8187
					2013	蓄水后	频率法	δPi	-13.9754
2014	蓄水后	频率法	δPi	-12.3525

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.一种衡量河流水沙同步性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，收集河流控制站5年以上的水文系列资料；

步骤2，初步判定该流域特性后分类进行分析，对于天然河道选择“均值法”计算水沙同步系数δ_Ki，对于受到重大工程扰动的河道选择“频率法”计算水沙同步系数δ_Pi；

步骤3，针对天然河道的“均值法”，以多年水文资料为基础，统计水文系列年内多年日均流量及日均含沙量均值；

步骤4，计算日均流量波动值N_i及日均含沙量波动值M_i；

步骤5，逐日计算流量波动值与含沙量波动值的差值δ_Ki＝M_i-N_i；

步骤6，针对受重大工程扰动河道的“频率法”，以一个水文年为基础，对日均流量进行频率统计分析，对日均流量进行频率赋值Q_P；

步骤7，以一个水文年为基础，分别对日均含沙量进行频率统计分析，对日均含沙量进行频率赋值S_P；

步骤8，逐日计算流量频率与含沙量频率的差值δ_Pi＝Q_P-S_P；

步骤9，根据水沙同步系数δ_Ki或δ_Pi，定量分析水沙同步特征：系数越趋于零水沙同步性越高,即两项水沙同步系数的绝对值越小，水沙同步性越好。

2.根据权利要求1所述的一种衡量河流水沙同步性的方法，其特征在于，所述“均值法”中，日均流量波动值和输沙率波动值的计算步骤如下：

(1)日均流量波动值：

n表示水文天数，Q_i为实测水文数据中日均流量；

(2)日均含沙量波动值：

n表示水文天数，S_i为实测水文数据中日均含沙量值。

3.根据权利要求1所述的一种衡量河流水沙同步性的方法，其特征在于，所述“频率法”中，日均流量和含沙量的出现频率使用P-Ⅲ型曲线进行计算：

(1)将流量和含沙量均从大到小排序，并按顺序给对应的每一流量和含沙量值进行编号，编号后记为i；

(2)则日均流量和含沙量的出现频率为P＝i/(n+1)，(i＝1～n)，n表示汛期总的水文天数。

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