CN112989565B - 一种基于水流挟沙能力的造床流量计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于水流挟沙能力的造床流量计算方法，包括以下步骤：步骤1.选取水库下游冲积平原河流典型河段的滩槽格局分明的断面；步骤2.计算典型断面的挟沙力指标S′_*；步骤3.计算典型河段造床流量；步骤4.校核造床流量计算值。本方法贴合水库下游河段实际冲淤过程，通过分析河段自身河道形态特征，从水流塑造河床的基本原理挟沙能力出发，针对不同河段采用与之适应的方法，同时对于计算值可以进行自校核，能更为简单且准确的计算出某时段河段的造床流量，且本方法所需资料较之已有方法更易收集，实用性更强。

Description

一种基于水流挟沙能力的造床流量计算方法

技术领域

本发明涉及水利河道技术领域，尤其是一种基于水流挟沙能力的水库下游河道造床流量的计算方法。

背景技术

造床流量是指其造床作用与多年流量过程相等的某一种流量，实际上应是一个较大的洪水流量。水流造床作用要同时兼顾能量和持续时间这两个要素，因此造床流量并不等于最大洪水流量，最大洪水流量的造床作用剧烈，但是持续时间过短；它也不等于枯水流量，枯水流量虽然作用时间长，但流量过小，造床强度有限。造床流量是反映冲积河流河槽形态的重要参数，是衡量河道输沙能力大小的一个关键技术指标。同时也是河道演变分析、河流健康发育的重要判定依据，是进行河道规划和整治的重要基础。造床流量的大小与河道洪水量级、洪水过程、洪水持续时间、水流含沙量、水沙过程组合、河道边界条件等众多因素密切相关。计算造床流量时往往难以全面反映这些影响因素，多是根据河道的实际情况选择或概化比较核心的因素。

国内外已有关于造床流量的计算方法很多，常见的有马卡维耶夫法、平滩水位法、输沙率法以及水沙综合频率法等。我国关于造床流量的研究前期主要集中在多沙河流(以黄河为主)，先后发展形成了多种适用性较强的优化计算方法。目前，对于水库下游少沙的大型冲积平原河流，其造床流量的计算仍主要采用马卡维耶夫法、平滩水位法、流量保证率法等常规型方法。大型水库运行后调蓄水流、拦截泥沙，导致下游河道水沙输移量及过程发生显著的变化，水流塑造河床的能力应与天然状态有所区别，常规的造床流量计算方法应用在这种新条件下具有许多的局限性。因此，针对大型水库下游冲积平原河流的造床流量计算，应提出适应性更强的新方法。

发明内容

本发明针对上述技术状况及局限性，提供一种大型水库下游冲积平原河道造床流量的计算方法，用于衡量水库蓄水后下游河道实际发育情况，结合一维水动力数学模型和实测的固定断面、水位、流量和含沙量等资料，推求水库下游大型冲积平原河流造床流量，为河道长期治理和规划提供理论依据。

本发明的技术方案：

一种基于水流挟沙能力的造床流量计算方法，包括以下步骤：

步骤1.选取水库下游冲积平原河流典型河段的滩槽格局分明的断面；

步骤2.计算典型断面的挟沙力指标S′_*；

步骤3.计算典型河段造床流量；

步骤4.校核造床流量计算值。

所述步骤1的实现方式如下，

步骤11.收集水库下游冲积平原河流某一河段的河道形态及固定断面观测数据；

步骤12.按照河道基本特性，选取和套绘出滩槽格局分明的典型断面，以具有江心滩的“W”型或河漫滩发育的断面为最佳。

所述步骤2的实现方式如下，

步骤21.基于水库下游长河段一维水动力数学模型，通过数值模拟计算，得到步骤1所选取的典型断面在不同水位级下的平均流速U和水深h值；

步骤22.计算典型断面不同水位级下的挟沙力指标

式中，S′_*为某一段面的挟沙力指标，U为断面平均流速，单位为m/s，h为断面平均水深，单位为m。

所述步骤3的实现方式如下，

步骤31.基于步骤22的计算结果，绘制典型断面计算水位～挟沙力指标的相关关系，查找出挟沙力指标极大值点对应的水位H_j；

步骤32.收集河段最近的水文站的水位和流量实测资料，绘制其水位～流量关系曲线，根据步骤31得出的挟沙力极大值点对应水位，按照水面比降推求水文站的相应水位H_z，并依据其水位～流量关系曲线，确定出挟沙力极大值点对应的流量，初步认定为计算河段的造床流量Q_z。

所述步骤4的实现方式如下，

步骤41.进一步收集步骤32中水文站的含沙量实测资料，绘制其分级流量与含沙量的相关关系，找出含沙量极大值点对应的临界流量Q′，对步骤32计算所得造床流量值进行校核；

步骤42.根据挟沙力为一定水流和泥沙综合条件下水流能够携带的悬移质中的床沙质的临界含沙量这一基本定义，步骤41中含沙量为全沙，因此，步骤32计算出的造床流量应小于或等于步骤41计算出的临界流量，即当Q_z≤Q′时，认为造床流量计算值合理，若Q_z>Q′时，则说明造床流量计算值无效，表明所选择的典型断面不具有代表性，应重新选择断面按照步骤1～步骤4的步骤进行再计算。

所述一维水动力数学模型的基本方程为：

水流连续方程：

水流动量方程：

汊点水量连续方程：

汊点动量连续方程：Z_m,1＝Z_m,2＝…＝Z_m,L(m)＝Z_m m＝1,2,…,M

上述各方程中，各符号的物理意义及单位为：x为流程，单位为m；Q为流量，单位为m³/s；z为水位，单位为m；q为区间入流，单位为m²/s；u为分汇流流速，单位为m/s；U为干流流速，单位为m/s；B为河宽，单位为m；t为时间，单位为s；A为断面过水面积，单位为m²；R为水力半径，单位为m；n为糙率；β为动量修正系数；M为河网中的汊点数，L(m)为与汊点m相连接的河段数，Z_m,l为与汊点m相连的第l条河段端点的水位；Q_m,l为与汊点m相接的第l条河段流进(或流出)该汊点的流量，上标n+1表示计算时段。

上述方程求解时，首先采用利用线性化的Preissmann四点偏心隐格式将每一小河段内的水流方程进行离散，离散结果如下：

a_iΔZ_i+1+b_iΔQ_i+1＝c_iZ_i+d_iΔQ_i+e_i a′_iΔZ_i+1+b′_iΔQ_i+1＝c′_iZ_i+d′_iΔQ_i+e′_i

式中，系数a，b，c，d，e，及a′，b′，c′，d′，e′仅与第n时间层的水位、流量有关，然后将河段内部各计算断面的未知数通过变量代换消去，将未知数集中到汊点上：

ΔQ₁＝E₁ΔZ₁+F₁+H₁ΔZ_I(l)

ΔQ_I(l)＝E′₁ΔZ₁+F₁′+H′₁ΔZ_I(l)

再根据汊点的水量连续方程，可得河网汊点方程组：

[A]{ΔZ}＝{B}

式中，[A]为系数矩阵；{ΔZ}为汊点水位增量矢量；{B}为由常数项组成的矢量。基于汊点方程组自身的结构特点，参照线性代数理论中的矩阵分块运算方法，采用汊点分组解法对离散方程进行求解，除第一组和最后一组(第NG组)外，其余各汊点组的汊点方程组均可写为：

[R]_ng{ΔZ}_ng-1+[S]_ng{ΔZ}_ng+[T]_ng{ΔZ}_ng+1＝{V}_ng

式中，{ΔZ}_ng为第ng组汊点的水位增量；ng－1、ng+1分别表示与第ng组汊点相邻的前一组及后一组汊点。

对于第一组汊点(ng＝1)，汊点方程组可写为：

[S]₁{ΔZ}₁+[T]₁{ΔZ}₂＝{V}₁

对最后一组汊点(ng＝NG)，其汊点方程组为：

[R]_NG{ΔZ}_NG-1+[S]_NG{ΔZ}_NG＝{V}_NG

求解时，从第一组汊点开始，逐步运用变量替换法，将各汊点组中的未知量消去，通过回代求出各汊点的水位及各河段端点的流量，进而可求出河网中各计算断面的水位、流量。

计算区域为宜昌～大通河段，全长约1015km，沿程有清江、汉江支流以及洞庭湖、鄱阳湖出流的入汇，同时还有松滋口、太平口、藕池口分流汇入洞庭湖，构成了复杂的江湖关系。河网结构根据河道中实际的分汊河段进行概化，整个计算范围概化为81条河段，60个汊点，共计2120个断面。为适应河网分组计算的要求，将汊点分为5组。

模型采用宜昌站实测的流量过程作为进口边界，出口为大通站的水位过程，针对模拟区间内的任何计算河段，可连续给出一定的边界条件和来流条件下的断面平均流速和水深计算值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本方法贴合水库下游河段实际冲淤过程，通过分析河段自身河道形态特征，从水流塑造河床的基本原理挟沙能力出发，针对不同河段采用与之适应的方法，同时对于计算值可以进行自校核，能更为简单且准确的计算出某时段河段的造床流量，且本方法所需资料较之已有方法更易收集，实用性更强。

附图说明

图1为本发明实施例的大型水库下游冲积平原河流造床流量计算流程图。

图2为三峡水库下游岳阳河段河道范围图。

图3为三峡水库下游岳阳河段典型断面形态图。

图4为三峡水库下游岳阳河段典型断面水位～挟沙力指标相关关系。

图5为三峡水库下游螺山水文站水位～流量相关关系。

图6为三峡水库下游螺山水文站分级流量与含沙量相关关系曲线图。

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。

一种基于水流挟沙能力的水库下游河道造床流量计算方法，它包括以下步骤：

步骤1，选取水库下游冲积平原河流典型河段的滩槽格局分明的断面，实现方式如下，

步骤11，收集水库下游冲积平原河流某一河段的河道形态及固定断面观测数据；

步骤12，按照河道基本特性，选取和套汇出滩槽格局分明的典型断面，以具有江心滩的“W”型或河漫滩较为发育的断面为最佳。

步骤2，计算典型断面的挟沙力指标S′_*，实现方式如下，

步骤21，基于水库下游长河段一维水动力数学模型，通过数值模拟计算，得到步骤1所选取的典型断面在不同水位级下的平均流速U和水深h值；

步骤22，计算典型断面不同水位级下的挟沙力指标

式中，S′_*为某一段面的挟沙力指标，U为断面平均流速，单位为m/s，h为断面平均水深，单位为m；

步骤3，计算典型河段造床流量，实现方式如下，

步骤31，基于步骤22的计算结果，绘制典型断面计算水位～挟沙力指标的相关关系，查找出挟沙力指标极大值点对应的水位H_j；

步骤32，收集河段最近的水文站的水位和流量实测资料，绘制其水位～流量关系曲线，根据步骤31得出的挟沙力极大值点对应水位，按照水面比降推求水文站的相应水位H_z，并依据其水位～流量关系曲线，确定出挟沙力极大值点对应的流量，初步认定为计算河段的造床流量Q_z。

步骤4，校核造床流量计算值，实现方式如下，

步骤41，进一步收集步骤32中水文站的含沙量实测资料，绘制其分级流量与含沙量的相关关系，找出含沙量极大值点对应的临界流量Q′，对步骤32计算所得造床流量值进行校核；

步骤42，根据挟沙力为一定水流和泥沙综合条件下水流能够携带的悬移质中的床沙质的临界含沙量这一基本定义，步骤41中含沙量为全沙，因此，步骤32计算出的造床流量应小于或等于步骤41计算出的临界流量，即当Q_z≤Q′时，认为造床流量计算值合理，若Q_z>Q′时，则说明造床流量计算值无效，表明所选择的典型断面不具有代表性，应重新选择断面按照1～4的步骤进行再计算。

所述一维水动力数学模型的基本方程为：

水流连续方程：

水流动量方程：

汊点水量连续方程：

汊点动量连续方程：Z_m,1＝Z_m,2＝…＝Z_m,L(m)＝Z_m m＝1,2,…,M

上述各方程中，各符号的物理意义及单位为：x为流程，单位为m；Q为流量，单位为m³/s；z为水位，单位为m；q为区间入流，单位为m²/s；u为分汇流流速，单位为m/s；U为干流流速，单位为m/s；B为河宽，单位为m；t为时间，单位为s；A为断面过水面积，单位为m²；R为水力半径，单位为m；n为糙率；β为动量修正系数；M为河网中的汊点数，L(m)为与汊点m相连接的河段数，Z_m,l为与汊点m相连的第l条河段端点的水位；Q_m,l为与汊点m相接的第l条河段流进(或流出)该汊点的流量，上标n+1表示计算时段。

上述方程求解时，首先采用利用线性化的Preissmann四点偏心隐格式将每一小河段内的水流方程进行离散，离散结果如下：

a_iΔZ_i+1+b_iΔQ_i+1＝c_iZ_i+d_iΔQ_i+e_i a′_iΔZ_i+1+b′_iΔQ_i+1＝c′_iZ_i+d′_iΔQ_i+e′_i

式中，系数a，b，c，d，e，及a′，b′，c′，d′，e′仅与第n时间层的水位、流量有关，然后将河段内部各计算断面的未知数通过变量代换消去，将未知数集中到汊点上：

ΔQ₁＝E₁ΔZ₁+F₁+H₁ΔZ_I(l)

ΔQ_I(l)＝E′₁ΔZ₁+F′₁+H′₁ΔZ_I(l)

再根据汊点的水量连续方程，可得河网汊点方程组：

[A]{ΔZ}＝{B}

式中，[A]为系数矩阵；{ΔZ}为汊点水位增量矢量；{B}为由常数项组成的矢量。基于汊点方程组自身的结构特点，参照线性代数理论中的矩阵分块运算方法，采用汊点分组解法对离散方程进行求解，除第一组和最后一组(第NG组)外，其余各汊点组的汊点方程组均可写为：

[R]_ng{ΔZ}_ng-1+[S]_ng{ΔZ}_ng+[T]_ng{ΔZ}_ng+1＝{V}_ng

式中，{ΔZ}_ng为第ng组汊点的水位增量；ng－1、ng+1分别表示与第ng组汊点相邻的前一组及后一组汊点。

对于第一组汊点(ng＝1)，汊点方程组可写为：

[S]₁{ΔZ}₁+[T]₁{ΔZ}₂＝{V}₁

对最后一组汊点(ng＝NG)，其汊点方程组为：

[R]_NG{ΔZ}_NG-1+[S]_NG{ΔZ}_NG＝{V}_NG

求解时，从第一组汊点开始，逐步运用变量替换法，将各汊点组中的未知量消去，通过回代求出各汊点的水位及各河段端点的流量，进而可求出河网中各计算断面的水位、流量。

计算区域为宜昌～大通河段，全长约1015km，沿程有清江、汉江支流以及洞庭湖、鄱阳湖出流的入汇，同时还有松滋口、太平口、藕池口分流汇入洞庭湖，构成了复杂的江湖关系。河网结构根据河道中实际的分汊河段进行概化，整个计算范围概化为81条河段，60个汊点，共计2120个断面。为适应河网分组计算的要求，将汊点分为5组。

模型采用宜昌站实测的流量过程作为进口边界，出口为大通站的水位过程，针对模拟区间内的任何计算河段，可连续给出一定的边界条件和来流条件下的断面平均流速和水深计算值。

实施例的具体步骤如下：

步骤1：选取三峡水库下游岳阳河段(河道范围如图2)，收集河段内莲花塘水位站和螺山水文站的2015年实测水位、流量、含沙量和固定断面等观测数据，绘制河段横断面形态见图3，图中横坐标为距左岸的距离，纵坐标为黄海高程，初步选取CZ04-1和界Z3+3两个断面，这两个断面都具有较为典型的“W”形态，河道中部分别分布有南阳洲和南门洲，河槽位于江心洲的两侧；螺山水文站位于所选取的两个典型断面之间。

步骤2：采用一维水动力数学模型，计算不同水位级下CZ04-1和界Z3+3断面的平均流速与水深，求取不同水位下的两个断面挟沙力指标值S′_*的值，绘制两个断面的水位～挟沙力指标值关系曲线如图4，横坐标为水位，纵坐标为挟沙力指标计算值，查找两个断面的挟沙力指标极值对应的水位值H_j1为28.02m，H_j2为27.72m，根据两个断面与螺山水文站的位置关系，通过线性插值，得到该河段挟沙力指标极值对应的螺山站水位H_z为27.90m，绘制螺山站的水位流量关系曲线如图5，图中横坐标为水位，纵坐标为流量，查找H_z对应的流量，初步认定为岳阳河段的造床流量计算值Q_z为36000m³/s。

步骤3：点汇螺山水文站分级流量与含沙量的相关关系如图6，横坐标为实测的分级流量，纵坐标为不同流量级对应的含沙量，查找含沙量极值点对应的螺山站输沙临界流量Q′为38000m³/s，对计算的造床流量进行校验，对比造床流量计算值Q_z与螺山站输沙临界流量Q′，前者较后者略偏小，证明造床流量计算值有效。

以上实施例仅仅是针对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的水文模型参数时变形式构造方法并不限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所述领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，均在本发明所要求保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于水流挟沙能力的造床流量计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.选取水库下游冲积平原河流典型河段的滩槽格局分明的断面；

步骤2.计算典型断面的挟沙力指标S′_*；

步骤3.计算典型河段造床流量；

步骤4.校核造床流量计算值；

所述步骤1的实现方式如下，

步骤11.收集水库下游冲积平原河流某一河段的河道形态及固定断面观测数据；

步骤12.按照河道基本特性，选取和套绘出滩槽格局分明的典型断面，以具有江心滩的“W”型或河漫滩发育的断面为最佳；

所述步骤2的实现方式如下，

步骤21.基于水库下游长河段一维水动力数学模型，通过数值模拟计算，得到步骤1所选取的典型断面在不同水位级下的平均流速U和水深h值；

步骤22.计算典型断面不同水位级下的挟沙力指标

式中，S′_*为某一段面的挟沙力指标，U为断面平均流速，单位为m/s，h为断面平均水深，单位为m；

所述步骤3的实现方式如下，

步骤31.基于步骤22的计算结果，绘制典型断面计算水位～挟沙力指标的相关关系，查找出挟沙力指标极大值点对应的水位H_j；

步骤32.收集河段最近的水文站的水位和流量实测资料，绘制其水位～流量关系曲线，根据步骤31得出的挟沙力极大值点对应水位，按照水面比降推求水文站的相应水位H_z，并依据其水位～流量关系曲线，确定出挟沙力极大值点对应的流量，初步认定为计算河段的造床流量Q_z；

所述步骤4的实现方式如下，

步骤41.进一步收集步骤32中水文站的含沙量实测资料，绘制其分级流量与含沙量的相关关系，找出含沙量极大值点对应的临界流量Q′，对步骤32计算所得造床流量值进行校核；

步骤42.根据挟沙力为一定水流和泥沙综合条件下水流能够携带的悬移质中的床沙质的临界含沙量这一基本定义，步骤41中含沙量为全沙，因此，步骤32计算出的造床流量应小于或等于步骤41计算出的临界流量，即当Q_z≤Q′时，认为造床流量计算值合理，若Q_z>Q′时，则说明造床流量计算值无效，表明所选择的典型断面不具有代表性，应重新选择断面按照步骤1～步骤4的步骤进行再计算。

2.根据权利要求1所述的一种基于水流挟沙能力的造床流量计算方法，其特征在于，所述一维水动力数学模型的基本方程为：

水流连续方程：

水流动量方程：

汊点水量连续方程：

汊点动量连续方程：Z_m,1＝Z_m,2＝…＝Z_m,L(m)＝Z_m m＝1,2,…,M

上述各方程中，各符号的物理意义及单位为：x为流程，单位为m；Q为流量，单位为m³/s；z为水位，单位为m；q为区间入流，单位为m²/s；u为分汇流流速，单位为m/s；U为干流流速，单位为m/s；B为河宽，单位为m；t为时间，单位为s；A为断面过水面积，单位为m²；R为水力半径，单位为m；n为糙率；β为动量修正系数；M为河网中的汊点数，L(m)为与汊点m相连接的河段数，Z_m,l为与汊点m相连的第l条河段端点的水位；Q_m,l为与汊点m相接的第l条河段流进或流出该汊点的流量，上标n+1表示计算时段。

Images