CN113361130B - 一种高含沙洪水后河段河床形态调整预测模型的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高含沙洪水后河段河床形态调整预测模型的构建方法，包括：获取出现高含沙洪水年份信息以及收集河段发生高含沙洪水年份的实测地形资料和水文站的水文资料；并利用河段平均策略，计算高含沙洪水前、后河段的平滩河宽、水深及面积，构建无量纲化参数，分析计算得到的高含沙洪水后河床形态特征参数与平均输沙率及高含沙洪水前河床形态特征参数的相关关系，构建高含沙洪水后河段河床形态调整的预测模型。本发明用无量纲化参数来定量描述高含沙洪水过程中河床形态的变化特点，弥补了以往统计分析采用特定断面及单一参数分析的缺陷，建立预测模型可较好地预测洪水后河床形态的调整趋势，对防洪及河道治理具有重要意义。

Description

一种高含沙洪水后河段河床形态调整预测模型的构建方法

技术领域

本发明涉及水利水电工程技术领域，尤其涉及一种高含沙洪水后河段河床形态调整预测模型的构建方法。

背景技术

近年来，高含沙洪水对河床形态的调整是多沙河流研究的一个重要方面，其力学机制复杂，影响因素众多，调整规律难以掌握。目前对于高含沙洪水在动力学机制上认识仍然不足，洪水后河床形态的调整缺乏定量研究和预测，故需要研究高含沙洪水后河床形态变化的调整特点。

国内外关于高含沙洪水后河床形态调整的研究方法主要分为三大类：第一类是采用河工模型试验；第二类数学模型计算；第三类是实测资料分析。河工模型试验虽然能直观地显示高含沙洪水后河床形态的调整，但需要耗费大量的人力和物力且难以完全符合实际河流。数学模型方法能快速模拟高含沙洪水过程中河床形态的变化，但模型中糙率、挟沙力及恢复饱和系数的确定对结果影响较大，缺乏统一准确的计算方法。目前以实测资料分析为基础的统计方法仍被广泛应用于河床形态调整的研究中，但关于高含沙洪水过程中河床形态调整的分析与预测，仍局限在特定断面及单一参数的变化，未考虑高含沙洪水后河段整体形态调整。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明解决的技术问题是：目前以实测资料分析为基础的统计方法关于高含沙洪水过程中河床形态调整的分析与预测，仍局限在特定断面及单一参数的变化，未考虑高含沙洪水后河段整体形态调整。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：获取出现高含沙洪水年份信息，以及收集河段发生高含沙洪水年份的实测地形资料和水文站的水文资料；根据所述实测地形资料提取各淤积断面高含沙洪水前及高含沙洪水后的平滩河宽、水深及面积，并利用河段平均策略，计算高含沙洪水前、后河段的平滩河宽、水深及面积的平均值；利用所述平均值构建无量纲化参数，并将构建的无量纲化参数作为高含沙洪水后及高含沙洪水前的河段河床形态特征参数；分析计算得到的高含沙洪水后河床形态特征参数与平均输沙率及高含沙洪水前河床形态特征参数的相关关系，构建高含沙洪水后河段河床形态调整的预测模型。

作为本发明所述的高含沙洪水后河段河床形态调整预测模型的构建方法的一种优选方案，其中：所述高含沙洪水包括水文站最大日平均悬移质含沙量超过300kg/m³的洪水，判断所述水文站最大日平均悬移质含沙量是否超过300kg/m³。

作为本发明所述的高含沙洪水后河段河床形态调整预测模型的构建方法的一种优选方案，其中：所述实测地形资料包括发生高含沙洪水年份所有淤积观测断面的汛前、汛后实测地形资料，所述水文资料包括水文站日均流量及含沙量。

作为本发明所述的高含沙洪水后河段河床形态调整预测模型的构建方法的一种优选方案，其中：所述高含沙洪水前河段平均的平滩河宽、水深及面积的计算公式为：

其中，L表示河段长度；△x_j表示相邻两断面(j，j+1)的间距，K表示河段内实测断面数目，

分别表示第j+1、j断面的高含沙洪水前河段平均的平滩河宽

水深

及面积

作为本发明所述的高含沙洪水后河段河床形态调整预测模型的构建方法的一种优选方案，其中：所述高含沙洪水后河段平均的平滩河宽、水深及面积的计算公式为：

其中，

分别表示第j+1、j断面的高含沙洪水后河段平均的平滩河宽

水深

及面积

作为本发明所述的高含沙洪水后河段河床形态调整预测模型的构建方法的一种优选方案，其中：对所述高含沙洪水前及高含沙洪水后的河段河床形态特征参数进行计算，其计算公式分别为：

其中，M_b、M_a分别表示高含沙洪水前、后的河段河床形态特征参数。

作为本发明所述的高含沙洪水后河段河床形态调整预测模型的构建方法的一种优选方案，其中：所述构建高含沙洪水后河段河床形态调整的预测模型包括，根据所述水文站日均流量及含沙量，计算水文站平均输沙率Q_s；分析所述高含沙洪水后河床形态特征参数对所述水文站平均输沙率Q_s和所述高含沙洪水前河床形态特征参数的相关关系，建立所述河段河床高含沙洪水后河床形态调整的预测模型；采用河段水文站的水文数据及所述淤积观测断面汛前、汛后的实测地形数据，率定高含沙洪水后河段河床形态调整预测模型的参数。

作为本发明所述的高含沙洪水后河段河床形态调整预测模型的构建方法的一种优选方案，其中：对所述水文站平均输沙率Q_s进行计算，其计算公式包括，

Q_s＝Q×S×10^-3

其中，Q_s表示平均输沙率，单位：t/s；Q表示平均流量，单位：m³/s；S表示平均含沙量，单位：kg/m³。

作为本发明所述的高含沙洪水后河段河床形态调整预测模型的构建方法的一种优选方案，其中：所述高含沙洪水后河段河床形态调整预测模型，包括：

M_a＝k(Q_s)^α(M_b)^β

其中，k表示系数，α、β表示指数。

作为本发明所述的高含沙洪水后河段河床形态调整预测模型的构建方法的一种优选方案，其中：根据所述水文站流量及含沙量数据、由实测地形资料得到的河床形态特征参数数据，采用多元线性回归分析策略，对所述预测模型中的k、α及β参数进行率定和验证。

本发明的有益效果：本发明采用河段平均的平滩河宽、水深及面积等参数构建了高含沙洪水前后河段河床形态特征参数，用来定量描述高含沙洪水过程中河床形态的变化特点，弥补了以往统计分析采用特定断面及单一参数分析的缺陷；考虑了高含沙洪水的平均输沙率及高含沙洪水前河段河床形态对高含沙洪水后河段河床形态的影响，所建立的预测模型可较好地预测洪水后河床形态的调整趋势，对防洪及河道治理具有重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明一个实施例提供的一种高含沙洪水后河段河床形态调整预测模型的构建方法的基本流程示意图；

图2为本发明一个实施例提供的一种高含沙洪水后河段河床形态调整预测模型的黄河下游1970—2015年水文站最大日平均悬移质含沙量示意图；

图3为本发明一个实施例提供的一种高含沙洪水后河段河床形态调整预测模型的构建方法的花园口断面1977年高含沙洪水前后的河床形态示意图；

图4为本发明一个实施例提供的一种高含沙洪水后河段河床形态调整预测模型的高含沙洪水后河段河床形态特征参数与平均输沙率及洪水前河床形态特征参数的关系图；

图5为本发明一个实施例提供的一种高含沙洪水后河段河床形态调整预测模型的高含沙洪水后河段河床形态特征参数的模型计算值与实测值的对比图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1～3，为本发明的一个实施例，提供了一种高含沙洪水后河段河床形态调整预测模型的构建方法，包括：

S1:获取出现高含沙洪水年份信息，以及收集河段发生高含沙洪水年份的实测地形资料好水文站的水文资料。需要说明的是：

高含沙洪水包括水文站最大日平均悬移质含沙量超过300kg/m³的洪水，判断水文站最大日平均悬移质含沙量是否超过300kg/m³；本实施例中，如图2所示，定义黄河下游1970—2015年水文站最大日平均悬移质含沙量超过300kg/m³的洪水为高含沙洪水，即1970—1999年黄河下游发生高含沙洪水的年份有13年，1999—2015年中有2年；这里需要指出的是，如果一年中发生了多场高含沙洪水，只取其中含沙量最大的一场洪水进行统计分析，因为含沙量较大的洪水对河床变形的影响作用更大。

实测地形资料包括发生高含沙洪水年份所有淤积观测断面的汛前、汛后实测地形资料，水文资料包括水文站日均流量及含沙量；本实施例中，以黄河下游游荡段为研究河段，收集15个高含沙洪水年份内28个淤积观测断面的汛前、汛后实测地形资料，以及花园口水文站的日均流量和含沙量。

S2:根据实测地形资料提取各淤积断面高含沙洪水前及高含沙洪水后的平滩河宽、水深及面积，并利用河段平均策略，计算高含沙洪水前、后河段的平滩河宽、水深及面积的平均值。需要说明的是：

本实施例中，如图3所示根据上述方法分别确定高含沙洪水年份黄河下游游荡段28个淤积观测断面的高含沙洪水前后的断面平滩河宽、水深及面积；1977年花园口断面高含沙洪水前河段平均的平滩河宽为1180m，水深为0.8m，面积为944m²；高含沙洪水后河段平均的平滩河宽为441m，水深为2.65m，面积为1169m²。

将高含沙洪水前黄河下游游荡段28个断面的平滩河宽、水深及面积进行河段平均，其计算公式为：

其中，L表示河段长度，△x_j为相邻两断面(j，j+1)的间距，K为河段内实测断面数目，本实施例中，K＝28，

分别表示第j+1、j断面的高含沙洪水前河段平均的平滩河宽

水深

及面积

将高含沙洪水后黄河下游游荡段28个断面的平滩河宽、水深及面积进行河段平均，其计算公式为：

其中，

分别表示第j+1、j断面的高含沙洪水后河段平均的平滩河宽

水深

及面积

这里需要说明的是，b表示高含沙洪水前河段，a表示高含沙洪水后河段。

S3:利用获取到的高含沙洪水前和高含沙洪水后河段的平滩河宽、水深及面积构建无量纲化参数(M_a及M_b)作为高含沙洪水后及高含沙洪水前河段河床形态特征参数来反映河床形态的总体变化特点。需要说明的是：

对高含沙洪水前及高含沙洪水后的河段河床形态特征参数进行计算，其计算公式分别为：

其中，M_b、M_a分别表示高含沙洪水前、后的河段河床形态特征参数。

S4:分析计算得到的高含沙洪水后河床形态特征参数与平均输沙率及高含沙洪水前河床形态特征参数的相关关系，构建高含沙洪水后河段河床形态调整的预测模型。需要说明的是：

构建高含沙洪水后河段河床形态调整的预测模型包括，

(1)根据水文站日均流量及含沙量，计算水文站平均输沙率Q_s；

对水文站平均输沙率Q_s进行计算，其计算公式为：

Q_s＝Q×S×10^-3

其中，Q_s表示平均输沙率，单位：t/s；Q表示平均流量，单位：m³/s；S表示平均含沙量，单位：kg/m³；

(2)分析高含沙洪水后河床形态特征参数对水文站平均输沙率Q_s和高含沙洪水前河床形态特征参数的相关关系，建立河段河床高含沙洪水后河床形态调整的预测模型；

以水文站平均输沙率和高含沙洪水前河段河床形态特征参数为自变量，以高含沙洪水后河段河床形态特征参数为因变量，构建高含沙洪水后河段河床形态调整预测模型：

M_a＝k(Q_s)^α(M_b)^β

其中，k表示系数，α、β表示指数；

(3)采用河段水文站的水文数据及淤积观测断面汛前、汛后的实测地形数据，率定高含沙洪水后河段河床形态调整预测模型的参数；根据水文站流量及含沙量数据、由实测地形资料得到的河床形态特征参数数据，采用多元线性回归分析的方法，对预测模型中的k、α及β参数进行率定和验证。

本发明采用河段平均的平滩河宽、水深及面积等参数构建了高含沙洪水前后河段河床形态特征参数，用来定量描述高含沙洪水过程中河床形态的变化特点，弥补了以往统计分析采用特定断面及单一参数分析的缺陷；考虑了高含沙洪水的平均输沙率及高含沙洪水前河段河床形态对高含沙洪水后河段河床形态的影响，所建立的预测模型可较好地预测洪水后河床形态的调整趋势，对防洪及河道治理具有重要意义。

实施例2

参照图4、5，本实施例为本发明的第二个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是，提供了一种高含沙洪水后河段河床形态调整预测模型的构建方法的验证测试，对本方法中采用的技术效果加以验证说明，基于1970-1999年高含沙洪水年份黄河下游游荡段水文站流量及含沙量数据、由实测地形资料得到的河床形态特征参数数据对模型中的参数k、α和β进行率定，采用1973、1995、2002以及2004年的数据对模型进行验证，验证结果如表1所示。

表1：1973、1995、2002以及2004年的数据验证结果表。

验证年份	Q(m<sup>3</sup>/s)	S(kg/m<sup>3</sup>)	Q<sub>s</sub>(t/s)	M<sub>a</sub>实测值	M<sub>a</sub>模型计算值
						1973	3385	195	660.1	773.6	1021.2
1995	1184	74	87.6	918.0	966.4
						2002	592	109	64.5	474.9	548.6
2004	2144	91	195.1	428.3	416.5

该模型率定及验证结果表明：如图4所示，高含沙洪水后的河床形态特征参数(M_a)与平均输沙率(Q_s)和高含沙洪水前的河床形态特征参数(M_b)的相关系数达到了0.88，故所构模型可较好地反映高含沙洪水后河床形态的调整变化；图5给出了游荡段高含沙洪水后平滩河槽形态特征参数的计算值和实测值，图中可见二者比较吻合。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种高含沙洪水后河段河床形态调整预测模型的构建方法，其特征在于，包括：

获取出现高含沙洪水年份信息，以及收集河段发生高含沙洪水年份的实测地形资料和水文站的水文资料；

根据所述实测地形资料提取各淤积断面高含沙洪水前及高含沙洪水后的平滩河宽、水深及面积，并利用河段平均策略，计算高含沙洪水前、后河段的平滩河宽、水深及面积的平均值；

利用所述平均值构建无量纲化参数，并将构建的无量纲化参数作为高含沙洪水后及高含沙洪水前的河段河床形态特征参数；

对所述高含沙洪水前及高含沙洪水后的河段河床形态特征参数进行计算，其计算公式分别为：

其中，M_b、M_a分别表示高含沙洪水前、后的河段河床形态特征参数，

表示高含沙洪水前河段平均的平滩河宽，

表示高含沙洪水前河段平均的水深，

表示高含沙洪水前河段平均的面积，

表示高含沙洪水后河段平均的平滩河宽，

表示高含沙洪水后河段平均的水深，

表示高含沙洪水后河段平均的面积；

分析计算得到的高含沙洪水后河床形态特征参数与平均输沙率及高含沙洪水前河床形态特征参数的相关关系，构建高含沙洪水后河段河床形态调整的预测模型；

所述构建高含沙洪水后河段河床形态调整的预测模型包括，

根据所述水文站日均流量及含沙量，计算水文站平均输沙率Q_s；

对所述水文站平均输沙率Q_s进行计算，其计算公式包括，

Q_s＝Q×S×10^-3

其中，Q_s表示平均输沙率，Q表示平均流量，S表示平均含沙量；

分析所述高含沙洪水后河床形态特征参数对所述水文站平均输沙率Q_s和所述高含沙洪水前河床形态特征参数的相关关系，建立所述河段河床高含沙洪水后河床形态调整的预测模型；

所述高含沙洪水后河段河床形态调整预测模型，包括：

M_a＝k(Q_s)^α(M_b)^β

其中，k表示系数，α、β表示指数；

采用河段水文站的水文数据及淤积观测断面汛前、汛后的实测地形数据，率定高含沙洪水后河段河床形态调整预测模型的参数；

根据所述水文站流量及含沙量数据、由实测地形资料得到的河床形态特征参数数据，采用多元线性回归分析策略，对所述预测模型中的k、α及β参数进行率定和验证。

2.如权利要求1所述的高含沙洪水后河段河床形态调整预测模型的构建方法，其特征在于：所述高含沙洪水包括水文站最大日平均悬移质含沙量超过300kg/m³的洪水，判断所述水文站最大日平均悬移质含沙量是否超过300kg/m³。

3.如权利要求1或2所述的高含沙洪水后河段河床形态调整预测模型的构建方法，其特征在于：所述实测地形资料包括发生高含沙洪水年份所有淤积观测断面的汛前、汛后实测地形资料，所述水文资料包括水文站日均流量及含沙量。

4.如权利要求3所述的高含沙洪水后河段河床形态调整预测模型的构建方法，其特征在于：所述高含沙洪水前河段平均的平滩河宽、水深及面积的计算公式为：

其中，L表示河段长度，△x_j表示相邻两断面(j，j+1)的间距，K表示河段内实测断面数目，

分别表示第j+1、j断面的高含沙洪水前河段平均的平滩河宽

水深

及面积

5.如权利要求1、2、4任一所述的高含沙洪水后河段河床形态调整预测模型的构建方法，其特征在于：所述高含沙洪水后河段平均的平滩河宽、水深及面积的计算公式为：

其中，

分别表示第j+1、j断面的高含沙洪水后河段平均的平滩河宽

水深

及面积

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