CN113836477B - 基于平滩流量的稳封期河道防凌安全过流量计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于平滩流量的稳封期河道防凌安全过流量计算方法通过获取原始数据，计算河段的历年平滩流量，获取河段历年汛期和稳封期的水位流量，计算河段历年凌汛期最大槽蓄水增量，确定河段在不同所述平滩流量下，历年汛期和稳封期的所述水位流量对应关系，确定河段不同所述平滩流量与历年凌汛期所述最大槽蓄水增量的关系，确定河段历年稳封期的所述水位流量与历年凌汛期所述最大槽蓄水增量的关系，确定所述稳封期安全过流量；为确定稳封期河道防凌安全过流量提供科学技术支撑，对水库防凌调度决策和河道防凌具有指导性意义，通过该方法和控制指标对上游水工程调度提出明确定量要求，能有效地缓解严峻的防凌形势。

Description

基于平滩流量的稳封期河道防凌安全过流量计算方法
技术领域
本发明涉及凌汛河流防凌调控技术领域，尤其是涉及一种基于平滩流量的稳封期河道防凌安全过流量计算方法。
背景技术
寒冷地区的河流，从低纬度流向高纬度，在冬季会出现明显的凌汛,如中国北方河流、罗马尼亚 Bistrita River、加拿大Red River等。我国黄河上游内蒙古巴彦高勒至头道拐河段地处黄河流域最北端，冬季干燥寒冷，几乎每年都会发生凌汛。1986年以来，内蒙古河段主要是巴彦高勒至头道拐河段河道淤积萎缩，堤防先后发生7次决口，其中6次凌汛决口，给沿河两岸地区造成巨大损失。
影响河道凌汛发展的因素包括热力（气温）条件、动力（水动力）条件和河道边界条件等。其中凌汛期中的稳封期流量尤为关键，其直接影响防凌库容的大小。若稳封期河道水位高，堤防偎水时间长，槽蓄水增量大，堤防容易发生管涌、渗漏等险情，并极易在开河期发生堤防溃决风险。
目前针对防凌安全的研究，还没有提出稳封期安全过流量的概念，即满足防凌安全的稳封期过流量，主要是根据非汛期水资源调度需求，确定适当的封河流量，稳封期流量采用略小于封河期的流量的原则控制（见《黄河内蒙古河段防凌防洪运用方式研究》，段高云，人民黄河,2010年）。该方法没有考虑河道平滩流量变化对冰下过流能力和槽蓄水增量的影响，使得平滩流量较小情况下的槽蓄水增量大，高水位持续时间长，凌汛出险风险高。当前缺少科学合理的稳封期流量安全过流量计算分析方法。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于平滩流量的凌汛期河道适宜封河流量计算方法，用以快速、便捷地计算凌汛期适宜的封河流量，支撑防汛调度。
为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：
本发明所述一种基于平滩流量的稳封期河道防凌安全过流量计算方法，包括以下步骤：
S1，获取原始数据；
S2，计算河段的历年平滩流量；
S3，获取河段历年汛期和稳封期的水位流量；
S4，计算河段历年凌汛期最大槽蓄水增量；
S5，确定河段在不同所述平滩流量下，历年汛期和稳封期的所述水位流量对应关系；
S6，确定河段不同所述平滩流量与历年凌汛期所述最大槽蓄水增量的关系；
S7，确定河段历年稳封期的所述水位流量与历年凌汛期所述最大槽蓄水增量的关系；
S8，确定所述稳封期安全过流量。
进一步地，步骤S1中, 所述原始数据包括河段的动力因子、热力因子、河道边界条件；其中所述动力因子包括河段流量、实测水位；所述热力因子包括河段封河日期、开河日期；所述河道边界条件包括水文站实测大断面资料。
进一步地，步骤S2确定河段的历年平滩流量，包括以下步骤：
S2.1，根据河段内水文站的所述实测大断面资料，确定河道断面形态、滩唇位置和平滩水位；
S2.2，根据河段内水文站的所述实测水位、所述流量资料，确定所述平滩水位的所述水力因子；水力因子包括水力半径和水力坡度；
S2.3，依据谢才公式计算得到河段内水文站的平滩流量；
所述谢才公式为：，其中Q为所述平滩流量；A为所述实测大断面面积；C为谢才系数；R为所述水力半径；J为所述水力坡度；
S2.4,重复S2.1至S2.3步，计算出河段内历年各站的所述平滩流量，确定河段历年所述平滩流量变化趋势；
S2.5，根据河段历年所述平滩流量变化趋势，从河段所有水文站中选择最符合河段历年所述平滩流量变化趋势的水文站为河段的代表站，所述代表站的历年所述平滩流量为河段的历年所述平滩流量。
进一步地，步骤S4中，根据流凌、封河、开河日期数据，从上游河段首封之日起开始计算，根据上游来水、各站流量实况，叠加水流在各河段的传播时间和沿程水位表现因素，采用多站点对比，长、短河段相结合的河段水量平衡原理进行综合分析、计算河段的凌汛期所述最大槽蓄水量；
根据所述水量平衡原理，凌汛期所述最大槽蓄水量由下式计算：
其中，为所述凌汛期最大槽蓄水增量，单位为108m³；/>、/>为河段进出口日均流量，单位为/>；/>为时间步长，一般为1d。
进一步地，步骤S5中,根据步骤S2中确定的河段历年所述平滩流量和代表站历年汛期所述水位流量数据，以及步骤S3中确定的河段历年稳封期所述水位流量，建立河段不同所述平滩流量下，汛期和稳封期所述水位流量的对应关系；
步骤S6中,根据步骤S2中确定的河段历年所述平滩流量和步骤S4中确定的河段历年凌汛期所述最大槽蓄水增量，建立河段不同所述平滩流量与历年凌汛期所述最大槽蓄水增量的关系；
步骤S7中,根据步骤S3中确定的河段历年稳封期所述水位流量和S4中确定的河段历年凌汛期所述最大槽蓄水增量, 建立河段历年稳封期所述水位流量与历年凌汛期所述最大槽蓄水增量的关系。
进一步地，步骤S8中,从控制河段所述平滩水位和控制所述最大槽蓄水增量两方面综合考虑，在确保凌汛期不漫滩并控制最大槽蓄水增量的情况下，确定稳封期所述安全过流流量。
本发明优点在于通过合理控制水位与槽蓄水增量确定稳封期安全过流量。综合考虑影响凌情变化动力条件和河道边界条件，提出了控制河段不同平滩流量的凌汛期稳封期安全过流量。为确定稳封期河道防凌安全过流量提供科学技术支撑，对水库防凌调度决策和河道防凌具有指导性意义，通过该方法和控制指标对上游水工程调度提出明确定量要求，能有效地缓解严峻的防凌形势。
附图说明
图1是本发明所述安全过流量计算方法流程图。
图2是本发明所述计算方法河段的历年平滩流量变化图。
图3是本发明所述计算方法河段平滩流量4000 时历年汛期和稳封期的水位流量对应关系。
图4是本发明所述计算方法河段平滩流量2000 时历年汛期和稳封期的水位流量对应关系。
图5是本发明所述计算方法河段平滩流量1500 时历年汛期和稳封期的水位流量对应关系。
图6是本发明所述计算方法河段平滩流量与最大槽蓄水增量对应关系。
图7是本发明所述计算方法河段稳封期流量与最大槽蓄水增量对应关系。
具体实施方式
下面将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的一部分实施例，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作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。
本发明中涉及以下术语，其含义解释如下：
平滩流量指在具有滩槽结构的复式河槽中，水位到达河漫滩（或边滩的滩边）高度时所对应的流量。
凌汛也称冰凌洪水，是由冰凌融化或阻塞所形成的洪水。按凌汛成因，可分为冰塞洪水、冰坝洪水和融冰洪水等。
凌汛期指冬春季河道因冰凌阻塞、封冻、解冻对水流产生阻力而引起江河水位明显上涨的时期，即从流凌开始经过封河再到开河所持续的全部时间，包括流凌期、封河期、开河期等阶段。
稳封期是封河期稳定封冻的阶段，这一时期河段冰面基本稳定、河段冰下过流能力已经恢复，过流能力较为稳定。
槽蓄水增量是指凌汛期因冰凌的阻水作用而增蓄在河槽中的水量。
如图1所示，本发明所述基于平滩流量的稳封期河道防凌安全过流量计算方法，包括以下步骤：
S1,获取原始数据；
原始数据包括河段的动力因子、热力因子、河道边界条件；其中动力因子包括河段流量、水位；热力因子包括河段封河日期、开河日期；河道边界条件包括水文站实测大断面；
S2，确定河段的历年平滩流量；
S2.1，根据河段内水文站的实测大断面资料，确定滩唇位置和平滩水位；通过实测大断面资料，分析断面地形变化，划分主槽和滩地，按照主槽与滩地分界点确定滩唇位置，并根据滩唇位置确定平滩水位；
S2.2，根据河段内水文站的实测水位、流量资料，确定平滩水位的水力因子；水力因子包括水力半径和水力坡度；
S2.3，依据谢才公式计算得到河段内水文站的平滩流量；
谢才公式为：，其中Q为汛期平滩流量；A为大断面面积；C为谢才系数；R为水力半径；J为水力坡度；
水力半径R的计算公式为：
,其中A为大断面面积，Pw为水流与固体边界接触部分的周长,称为湿周，可以通过实测大断面资料获得；
水力坡度J的计算公式为：
，其中hf为流段内的沿程水头损失，对于明渠恒定均匀流J=l，l为明渠底坡。
S2.4,重复S2.1至S2.3步，计算出河段内历年各站的平滩流量，确定河段历年平滩流量变化趋势；
S2.5，根据河段历年平滩流量变化趋势，从河段所有水文站中选择最符合河段历年平滩流量变化趋势的水文站为河段的代表站，代表站的历年平滩流量为河段的历年平滩流量；
S3，计算河段历年稳封期水位流量；
稳封期是封河期稳定封冻的阶段，这一时期河段冰面基本稳定，河段冰下过流能力已回复，过流能力较为稳定；根据历史水文资料确定历年稳封期水位流量；
S4，计算河段历年凌汛期最大槽蓄水增量；
根据流凌、封河、开河日期数据，从上游河段首封之日起开始计算，根据上游来水、各站流量实况，叠加水流在各河段的传播时间和沿程水位表现等因素，采用多站点对比，长、短河段相结合的河段水量平衡方法进行综合分析、计算各河段的槽蓄水量；
根据水量平衡原理，槽蓄水增量一般由下式计算：
其中，为凌期槽蓄水增量，单位为108m³；/>、/>为河段进出口日均流量，单位为；/>为时间步长，一般为1d。
S5，确定河段在不同平滩流量下，历年汛期和稳封期的水位流量对应关系；
根据步骤S2中确定的河段历年平滩流量和代表站历年汛期水位流量数据，以及步骤S3中确定的河段历年稳封期水位流量，建立河段不同平滩流量下，汛期和稳封期水位流量的对应关系；
S6，确定河段不同平滩流量与历年凌汛期最大槽蓄水增量的关系；
根据步骤S2中确定的河段历年平滩流量和步骤S4中确定的河段历年凌汛期最大槽蓄水增量，确定河段不同平滩流量与历年凌汛期最大槽蓄水增量的关系；
S7，确定河段历年稳封期流量与凌汛期最大槽蓄水增量的关系；
根据步骤S3中确定的河段历年稳封期水位流量和S4中确定的河段历年凌汛期最大槽蓄水增量, 确定河段历年稳封期水位流量与历年凌汛期最大槽蓄水增量的关系；
S8，确定稳封期安全过流量；从控制河段所述平滩水位和控制所述最大槽蓄水增量两方面综合考虑，在确保凌汛期不漫滩并控制最大槽蓄水增量的情况下，确定稳封期所述安全过流流量；具体步骤如下：
S8.1，依据河段实测大断面资料，按照步骤S2确定河段平滩水位和平滩流量；
S8.2，依据步骤S5获得河段在S8.1步中确定的平滩流量下，平滩水位对应的稳封期流量区间；
S8.3，依据步骤S6获得河段在S8.1步中确定的平滩流量对应的凌汛期最大槽蓄水增量；
S8.4，依据步骤S8.3和S7获得凌汛期最大槽蓄水增量对应的稳封期的流量区间；
S8.5，取S8.2和S8.4稳封期流量区间的交集，作为稳封期安全过流量区间。
下面以黄河上游内蒙古河段为例，对本发明的技术方案进行详细阐述：
S1,收集涉及内蒙古河段的动力因子相关资料、热力因子相关资料和河道边界条件相关资料；具体包括内蒙古河段石嘴山、巴彦高勒、三湖河口、头道拐等水文站流量、水位资料等动力因子资料；内蒙古河段和各水文站封河日期和开河日期、气温等热力因子相关资料；内蒙古河段各水文站和河段历年实测大断面、地形资料等河道边界条件相关资料；
S2, 计算内蒙古河段的历年平滩流量；
S2.1，根据1962年、1982年、1991年、2000年、2004年和2012年等年份实测大断面和地形资料，分析河段内历年各水文站的断面形态、确定河段内历年各水文站的滩唇位置和平滩水位；
S2.2，根据1960年至2012年水文站、水位站实测水位、流量资料确定河段内历年各水文站的平滩水位下的水力因子；水力因子包括水力半径和水力坡度；
S2.3,依据谢才公式计算得到内蒙古河段内历年各水文站的平滩流量。
S2.4，综合各水文站历年的平滩流量变化情况，获得河段历年的平滩流量变化趋势；选出与该变化趋势最接近的水文站为河段的代表站；代表站的历年平滩流量变化情况作为内蒙古河段的历年平滩流量；
根据内蒙古河段平滩流量变化情况，认为三湖河口站断面河道冲淤变化能基本反映巴彦高勒至头道拐河段整体的冲淤变化，也能较好反映凌情变化，故选择三湖河口站为代表站分析河道过流能力变化对凌情的影响。三湖河口站平滩水位为1020m，对应平滩流量变化图，如图2所示。
S3, 计算内蒙古河段的历年稳封期水位流量；
根据1960年至2010年水文资料和气温、封开河日期等凌情特征资料，将封河期稳定封冻的阶段划为稳封期，并根据划分的稳封期时段确定历年稳封期水位流量；
S4，计算内蒙古河段历年凌汛期最大槽蓄水增量；
根据1960年至2010年水文资料和气温、流凌、封河、开河日期等凌情特征资料，从河段稳定封冻起开始计算，根据上游来水、各站流量实况，考虑水流在各河段的传播时间和沿程水位表现等因素，采用多站点对比，长、短河段相结合的河段水量平衡方法进行综合分析、计算河段历年凌汛期最大槽蓄水增量。
S5, 确定内蒙古河段不同平滩流量下，历年汛期和稳封期的水位流量关系；
根据步骤S2确定的河段历年平滩流量和代表站历年汛期水位流量数据，以及步骤3中确定的河段历年稳封期的水位流量，建立不同平滩流量下历年汛期和稳封期的水位流量关系。如图3、图4、图5所示，内蒙古河段三湖河口断面不同平滩流量（1968年～2010年不同时期）汛期和稳封期的水位流量关系。
由图3、图4、图5可见，平滩流量在4000m3/s左右时（1968年～1990年），河道水位基本不超过平滩水位1020m、凌水不漫滩，平滩水位对应的稳封期过流量为800m3/s～1000m3/s；平滩流量在2000m3/s左右（1991年～1998年），仅有个别时间水位超过1020m，且实测最高水位不超过1020.5m，平滩水位对应的稳封期过流量为500m3/s～900m3/s；平滩流量在1500m3/s左右（1999年～2010年），稳封期较多时间水位超过1020m，平滩水位对应的稳封期过流量仅有300m3/s～600m3/s，且流量超过450 m3/s时，水位一般高于1020.5m。
S6,根据步骤2确定的河段历年平滩流量和步骤4获得的内蒙古河段历年凌汛期最大槽蓄水增量，建立内蒙古河段平滩流量与历年凌汛期最大槽蓄水增量关系，提出河段较安全的最大槽蓄水增量判别标准。
如图6所示，内蒙古河段三湖河口站1968年～2010年平滩流量与最大槽蓄水增量的关系，由图6可以看出，20世纪90年代以前，内蒙古河段平滩流量在4000m3/s左右时，封冻主要发生在河槽，最大槽蓄水增量一般不超过14亿m3；20世纪90年代，内蒙古河段平滩流量逐步下降，该时期最大槽蓄水增量也呈增大趋势。2000年以来，内蒙古河段平滩流量在1500m3/s左右，凌水漫滩，封冻发生在主槽和滩地，该时期大多数年份的最大槽蓄水增量超过14亿m3，最小约为12亿m3，最大接近20亿m3。很明显，平滩流量越小，出现最大槽蓄水增量超过14亿m3的次数越多，平滩流量大小对槽蓄水增量的增大是有较大影响的。总的来说，平滩流量越小，槽蓄水增量越大，反之越小。内蒙古河段平滩流量在4000m3/s左右时（1968年～1990年），封冻主要发生在河槽，最大槽蓄水增量一般不超过14亿m3，以最大槽蓄水增量不超过14亿m3作为较安全的凌汛期最大槽蓄水增量判别标准。
S7,根据步骤3中确定的河段历年稳封期水位流量和步骤4中确定的河段历年凌汛期最大槽蓄水增量，建立内蒙古河段历年稳封期流量与历年凌汛期最大槽蓄水增量关系；如图7所示，内蒙古河段三湖河口站1951年～2010年稳封期流量与内蒙古河段最大槽蓄水增量关系；由图7可以看出，当平滩流量在4000m3/s左右时（1968年～1990年），三湖河口站较安全的稳封期流量不超过850m3/s；当平滩流量在2000m3/s左右时（1991年～1998年），三湖河口站较安全的稳封期流量不超过700m3/s；当平滩流量在1500 m3/s左右（1999年～2010年），稳封期流量达400m3/s左右时，槽蓄水增量就可能超过14亿m3。
S8, 确定稳封期安全过流量。从控制河段平滩水位（1020m）和控制最大槽蓄水增量（不超过14亿m3）两方面综合考虑，宁蒙河段平滩流量1500m3/s左右时，稳封期宜控制宁蒙河段流量为400m3/s～500m3/s。宁蒙河段平滩流量2000m3/s左右时，稳封期一般应控制宁蒙河段的过流量为550m3/s～750m3/s。宁蒙河段平滩流量4000m3/s左右时，稳封期一般应控制宁蒙河段的过流量不超过850m3/s。

Claims (4)

1.一种基于平滩流量的稳封期河道防凌安全过流量计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1，获取原始数据；
S2，计算河段的历年平滩流量，包括以下步骤：
S2.1，根据河段内水文站的实测大断面资料，确定河道断面形态、滩唇位置和平滩水位；
S2.2，根据河段内水文站的实测水位、流量资料，确定所述平滩水位的水力因子；所述水力因子包括水力半径和水力坡度；
S2.3，依据谢才公式计算得到河段内水文站的平滩流量；
所述谢才公式为：，其中Q为所述平滩流量；A为所述实测大断面面积；C为谢才系数；R为所述水力半径；J为所述水力坡度；
S2.4,重复S2.1至S2.3步，计算出河段内历年各站的所述平滩流量，确定河段历年所述平滩流量变化趋势；
S2.5，根据河段历年所述平滩流量变化趋势，从河段所有水文站中选择最符合河段历年所述平滩流量变化趋势的水文站为河段的代表站，所述代表站的历年所述平滩流量为河段的历年所述平滩流量；
S3，获取河段历年汛期和稳封期的水位流量；
S4，计算河段历年凌汛期最大槽蓄水增量，具体为：根据流凌、封河、开河日期数据，从上游河段首封之日起开始计算，根据上游来水、各站流量实况，叠加水流在各河段的传播时间和沿程水位表现因素，采用多站点对比，长、短河段相结合的河段水量平衡原理进行综合分析、计算河段的凌汛期所述最大槽蓄水量；
根据所述水量平衡原理，凌汛期最大槽蓄水量由下式计算：
其中，为所述凌汛期最大槽蓄水增量，单位为108m³；/>、/>为河段进出口日均流量，单位为/>；/>为时间步长，一般为1d；
S5，确定河段在不同所述平滩流量下，历年汛期和稳封期的所述水位流量对应关系；
S6，确定河段不同所述平滩流量与历年凌汛期所述最大槽蓄水增量的关系；
S7，确定河段历年稳封期的所述水位流量与历年凌汛期所述最大槽蓄水增量的关系；
S8，确定稳封期安全过流量。
2.根据权利要求1所述稳封期河道防凌安全过流量计算方法，其特征在于：
步骤S1中, 所述原始数据包括河段的动力因子、热力因子、河道边界条件；其中所述动力因子包括河段流量、实测水位；所述热力因子包括河段封河日期、开河日期；所述河道边界条件包括水文站实测大断面资料。
3.根据权利要求1所述稳封期河道防凌安全过流量计算方法，其特征在于：
步骤S5中,根据步骤S2中确定的河段历年所述平滩流量和代表站历年汛期所述水位流量数据，以及步骤S3中确定的河段历年稳封期所述水位流量，建立河段不同所述平滩流量下，汛期和稳封期所述水位流量的对应关系；
步骤S6中,根据步骤S2中确定的河段历年所述平滩流量和步骤S4中确定的河段历年凌汛期所述最大槽蓄水增量，建立河段不同所述平滩流量与历年凌汛期所述最大槽蓄水增量的关系；
步骤S7中,根据步骤S3中确定的河段历年稳封期所述水位流量和S4中确定的河段历年凌汛期所述最大槽蓄水增量, 建立河段历年稳封期所述水位流量与历年凌汛期所述最大槽蓄水增量的关系。
4.根据权利要求1所述稳封期河道防凌安全过流量计算方法，其特征在于：步骤S8中,从控制河段平滩水位和控制所述最大槽蓄水增量两方面综合考虑，在确保凌汛期不漫滩并控制最大槽蓄水增量的情况下，确定稳封期安全过流流量。
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