CN114117609B - 航道整治方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明是关于一种航道整治方法及装置，装置包括：采用RTK配合多波束测深系统测量河口水下地形，根据地形确定拦门沙坎地理位置坐标，分析水下地形特性；利用水沙二相数值模拟系统，根据河口水下地形搭建二维水动力学模型；利用二维水动力学模型计算本底流场，确定水深和主流分布特征；根据水深和主流分布特征，结合航道设计指标确定拦门沙坎泥沙的疏浚范围和疏浚规模；根据径流动力条件和机械扰动参数、工程布局，利用二维水动力学模型模拟疏浚效果，优化疏浚范围和疏浚规模；根据优化后的疏浚范围和疏浚规模选定泥沙机械扰动采用的疏浚船型以及船只数量，以通过船只进行疏浚整治。

Description

航道整治方法及装置
技术领域
本公开涉及航道整治技术领域，尤其涉及一种航道整治方法及装置。
背景技术
黄河为举世闻名的泥沙河流，多年平均进入河口的沙量为6.6亿t，而黄河河口又为弱混合陆相河口，海洋动力输沙能力弱，大量泥沙进入滨海地区后随着水流流速骤然减缓，泥沙大量淤积，在河口形成拦门沙坎，最小水深不足2m，严重碍航。黄河流经黄土高原，所携泥沙颗粒细、粘土含量高，黄河河口潮汐动力弱，泥沙在滨海淤积后难以再次悬浮，迅速固结，形成所谓“铁板沙”，自然条件下难以冲刷。因此，随着黄河流域生态保护和高质量发展国家战略的提出和推进实施，河口航道建设亟需一种经济、快速的航道整治技术。
黄河入海泥沙量大，河口又受径流、潮汐、波浪、余流、异重流等多种动力条件影响，拦门沙规模大，形态复杂、多变，为了保障通航，单纯依靠挖泥船机械疏浚一是工作量大，二是作业周期长，三是经济成本高。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本公开提供一种航道整治方法及装置，在拦门沙处使用机械力量扰动泥沙，造成泥沙再悬浮，然后充分利用黄河洪水期自然径流动力，能以最小的代价输送泥沙进入深海，疏浚航道。
根据本公开实施例的第一方面，提供一种航道整治方法，所述方法包括：
采用RTK配合多波束测深系统测量河口水下地形，根据地形确定拦门沙坎地理位置坐标，分析水下地形特性；
利用水沙二相数值模拟系统，根据所述河口水下地形搭建二维水动力学模型；
利用所述二维水动力学模型计算本底流场，确定水深和主流分布特征；
根据所述水深和主流分布特征，结合航道设计指标确定拦门沙坎泥沙的疏浚范围和疏浚规模；
根据径流动力条件和机械扰动参数、工程布局，利用所述二维水动力学模型模拟疏浚效果，优化所述疏浚范围和疏浚规模；
根据优化后的疏浚范围和疏浚规模选定泥沙机械扰动采用的疏浚船型以及船只数量，以通过所述船只进行疏浚整治。
在一个实施例中，优选地，所述方法还包括：
在疏浚整治期间，根据加测的河口水下地形，确定疏浚效果，并根据疏浚效果调整疏浚范围和疏浚规模。
在一个实施例中，优选地，采用RTK配合多波束测深系统测量河口水下地形，根据地形确定拦门沙坎地理位置坐标，分析水下地形特性，包括：
采用RTK配合多波束测深系统测量河口水下地形，生成DEM地形模型；
根据所述DEM地形模型，分析水下地形特征，确定拦门沙坎和排洪输沙通道空间位置，初步选定航道确定坐标；
根据初步选定航道确定坐标，加密局部网格。
在一个实施例中，优选地，根据机械扰动参数和工程布局，利用所述二维水动力学模型模拟疏浚效果，优化所述疏浚范围和疏浚规模，包括：
根据径流动力条件和机械扰动参数、工程布局，利用所述二维水动力学模型计算流场分布、流速大小和水流挟沙力，并根据所述流场分布、流速大小和水流挟沙力确定疏浚效果；
其中，流速大小和水流挟沙力采用以下公式进行计算：
UQ/A
Figure BDA0003381563730000031
式中：Q为河道径流；A为疏浚处过水面积；U为流速；S为水流挟沙力；
机械扰动后为饱和输沙，输沙能力为Q×S。
在一个实施例中，优选地，采用以下公式确定疏浚船型和船只数量：
V＝A·L
NV/C·T
其中，A表示平均疏浚断面面积，L表示疏浚长度，V表示疏浚体积，C表示单位船只疏浚能力；T表示单台班扣除检修利用率，N表示疏浚船只数量。
根据本公开实施例的第二方面，提供一种航道整治装置，所述装置包括：
第一确定模块，用于采用RTK配合多波束测深系统测量河口水下地形，根据地形确定拦门沙坎地理位置坐标，分析水下地形特性；
搭建模块，用于利用水沙二相数值模拟系统，根据所述河口水下地形搭建二维水动力学模型；
第二确定模块，用于利用所述二维水动力学模型计算本底流场，确定水深和主流分布特征；
第三确定模块，用于根据所述水深和主流分布特征，结合航道设计指标确定拦门沙坎泥沙的疏浚范围和疏浚规模；
优化模块，用于径流动力条件和根据机械扰动参数、工程布局，利用所述二维水动力学模型模拟疏浚效果，优化所述疏浚范围和疏浚规模；
选定模块，用于根据优化后的疏浚范围和疏浚规模选定泥沙机械扰动采用的疏浚船型以及船只数量，以通过所述船只进行疏浚整治。
在一个实施例中，优选地，所述装置还包括：
第四确定模块，用于在疏浚整治期间，根据加测的河口水下地形，确定疏浚效果，并根据疏浚效果调整疏浚范围和疏浚规模。
在一个实施例中，优选地，包括所述第一确定模块包括：
生成单元，用于采用RTK配合多波束测深系统测量河口水下地形，生成DEM地形模型；
第一确定单元，用于根据所述DEM地形模型，分析水下地形特征，确定拦门沙坎和排洪输沙通道空间位置，初步选定航道确定坐标；
第二确定单元，用于根据初步选定航道确定坐标，加密局部网格。
在一个实施例中，优选地，所述优化模块用于：
根据径流动力条件和机械扰动参数、工程布局，利用所述二维水动力学模型计算流场分布、流速大小和水流挟沙力，并根据所述流场分布、流速大小和水流挟沙力确定疏浚效果；
其中，流速大小和水流挟沙力采用以下公式进行计算：
UQ/A
Figure BDA0003381563730000041
式中：Q为河道径流；A为疏浚处过水面积；U为流速；S为水流挟沙力；
机械扰动后为饱和输沙，输沙能力为Q×S。
在一个实施例中，优选地，采用以下公式确定疏浚船型和船只数量：
V＝A·L
NV/C·T
其中，A表示平均疏浚断面面积，L表示疏浚长度，V表示疏浚体积，C表示单位船只疏浚能力；T表示单台班扣除检修利用率，N表示疏浚船只数量。
根据本公开实施例的第三方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述指令被处理器执行时实现如第二方面的实施例中任一项所述方法的步骤。
本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明利用RTK水下地形测量技术和水沙二相数值模拟系统，制定河口拦门沙扰动方案，利用洪水期间径流动力条件，输送扰动悬浮起来的泥沙如深海，可有效降低机械疏浚费用成本，并能在工程实施过程中调整方案，增加疏浚效果。这样，在拦门沙处使用机械力量扰动泥沙，造成泥沙再悬浮，然后充分利用黄河洪水期自然径流动力，能以最小的代价输送泥沙进入深海，疏浚航道。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1是根据一示例性实施例示出的一种限制性航道断面图。
图2是根据一示例性实施例示出的汊三断面、通航河槽及中水河槽断面图。
图3是根据一示例性实施例示出的疏浚后河道断面示意图。
图4是根据一示例性实施例示出的利津站汛期不同流量级～天数图。
图5是根据一示例性实施例示出的利津站非汛期不同流量级～天数图。
图6是根据一示例性实施例示出的一种航道整治方法的流程图。
图7是根据一示例性实施例示出的一种航道整治方法中步骤S601的流程图。
图8是根据一示例性实施例示出的河口水下DEM地形模型的示意图。
图9是根据一示例性实施例示出的河口水下地形特征的示意图。
图10是根据一示例性实施例示出的初选航道网格加密后的示意图。
图11是根据一示例性实施例示出的坐标系转换示意图。
图12A是根据一示例性实施例示出的水深分布的示意图。
图12B是根据一示例性实施例示出的主流分布的示意图。
图13是根据一示例性实施例示出的疏浚平面范围布置图。
图14是根据一示例性实施例示出的另一种航道整治方法的流程图。
图15是根据一示例性实施例示出的一种航道整治装置的框图。
图16是根据一示例性实施例示出的另一种航道整治装置的框图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
以黄河河口为例，黄河河口为弱混合陆相河口，黄河河口规划为四级航道，按《内河通航标准》限制性航道尺寸要求，水深2.5m，底宽40m，如图1所示。
以尾闾河段汊三断面作为典型断面，按照通航断面尺寸和整治流量4000m3/s的要求进行疏浚，相应通航流量应不小于160m3/s，如图2所示。疏浚后，河道断面示意图如图3所示，小水时保证通航断面，通航河槽与高滩之间为中水河槽和生态河槽，恢复植被，形成生态廊道，大水时行洪，保障防洪安全。
统计控制水文站利津站汛期、非汛期不同流量级多年平均天数，如图4和图5所示，和式1、式2。经分析，汛期流量大于通航保证流量160m3/s的天数大于100天，非汛期大于130天。
汛期：d＝-0.0000000004Q3+0.000008Q2-0.0503Q+107.76 式1
非汛期：d＝-50.85ln(Q)+389.7 式2
根据相关研究，当黄河下游流量大于2600m3/s时，水流输沙能力较高，且随着流量的增加，输沙能力呈增长趋势。因此，河口疏浚以利津站流量大于2600m3/s为控制条件。
图6是根据一示例性实施例示出的一种航道整治方法的流程图。
如图6所示，根据本公开实施例的第一方面，提供一种航道整治方法，所述方法包括：
步骤S601，采用RTK配合多波束测深系统测量河口水下地形，根据地形确定拦门沙坎地理位置坐标，分析水下地形特性；
如图7所示，在一个实施例中，优选地，上述步骤S601包括：
步骤S701，采用RTK配合多波束测深系统测量河口水下地形，生成DEM地形模型，如图8所示。
步骤S702，根据所述DEM地形模型，分析水下地形特征，确定拦门沙坎和排洪输沙通道空间位置，初步选定航道确定坐标，如图9所示；
步骤S703，根据初步选定航道确定坐标，加密局部网格，如图10所示。
步骤S602，利用水沙二相数值模拟系统，根据所述河口水下地形搭建二维水动力学模型；
水流连续方程：
Figure BDA0003381563730000071
水流运动方程：
Figure BDA0003381563730000072
Figure BDA0003381563730000073
其中ζ为潮位，H为平均海平面以下水深，令h＝H+ζ，u为x方向垂线平均流速，v为y方向垂线平均流速；g为重力加速度，f为柯氏系数，f＝2θ·sinψ，θ为地球自转角速度，ψ为纬度；εx和εy为水流运动黏性系数；C为谢才系数。
式(1)～(3)可写为如下形式：
Figure BDA0003381563730000081
Figure BDA0003381563730000082
Se＝Jb+τb+Fcor+τt
Figure BDA0003381563730000083
针对河口平面形状的复杂性，对计算区域进行任意四边形网格划分，相应坐标系进行转换，如图11所示。
Figure BDA0003381563730000084
式中A、B、L、M为坐标变化系数，将(t,x,y)空间中任意四边形单元变换到(λ,ξ,μ)空间的矩形网格，控制方程就转换为
Figure BDA0003381563730000085
Figure BDA0003381563730000086
Figure BDA0003381563730000087
其中Δ＝AM-BL，I＝uM-vL，J＝vA-uB。
步骤S603，利用所述二维水动力学模型计算本底流场，确定水深和主流分布特征，如图12A和图12B所示；
步骤S604，根据所述水深和主流分布特征，结合航道设计指标确定拦门沙坎泥沙的疏浚范围和疏浚规模，如图13所示；
步骤S605，根据径流动力条件和机械扰动参数、工程布局，利用所述二维水动力学模型模拟疏浚效果，优化所述疏浚范围和疏浚规模；
步骤S606，根据优化后的疏浚范围和疏浚规模选定泥沙机械扰动采用的疏浚船型以及船只数量，以通过所述船只进行疏浚整治。
如图14所示，在一个实施例中，优选地，所述方法还包括：
步骤S1401，在疏浚整治期间，根据加测的河口水下地形，确定疏浚效果，并根据疏浚效果调整疏浚范围和疏浚规模。
在一个实施例中，优选地，根据径流动力条件和机械扰动参数、工程布局，利用所述二维水动力学模型模拟疏浚效果，优化所述疏浚范围和疏浚规模，包括：
根据径流动力条件和机械扰动参数、工程布局，利用所述二维水动力学模型计算流场分布、流速大小和水流挟沙力，并根据所述流场分布、流速大小和水流挟沙力确定疏浚效果；
其中，流速大小和水流挟沙力采用以下公式进行计算：
UQ/A (7)
Figure BDA0003381563730000091
式中：Q为河道径流；A为疏浚处过水面积；U为流速；S为水流挟沙力；
机械扰动后为饱和输沙，输沙能力为Q×S。
在一个实施例中，优选地，采用以下公式确定疏浚船型和船只数量：
V＝A·L
NV/C·T
其中，A表示平均疏浚断面面积，L表示疏浚长度，V表示疏浚体积，C表示单位船只疏浚能力；T表示单台班扣除检修利用率，N表示疏浚船只数量。
图15是根据一示例性实施例示出的一种航道整治装置的框图。
如图15所示，根据本公开实施例的第二方面，提供一种航道整治装置，所述装置包括：
第一确定模块1501，用于采用RTK配合多波束测深系统测量河口水下地形，根据地形确定拦门沙坎地理位置坐标，分析水下地形特性；
搭建模块1502，用于利用水沙二相数值模拟系统，根据所述河口水下地形搭建二维水动力学模型；
第二确定模块1503，用于利用所述二维水动力学模型计算本底流场，确定水深和主流分布特征；
第三确定模块1504，用于根据所述水深和主流分布特征，结合航道设计指标确定拦门沙坎泥沙的疏浚范围和疏浚规模；
优化模块1505，用于根据径流动力条件和机械扰动参数、工程布局，利用所述二维水动力学模型模拟疏浚效果，优化所述疏浚范围和疏浚规模；
选定模块1506，用于根据优化后的疏浚范围和疏浚规模选定泥沙机械扰动采用的疏浚船型以及船只数量，以通过所述船只进行疏浚整治。
图16是根据一示例性实施例示出的另一种航道整治装置的框图。
如图16所示，在一个实施例中，优选地，所述装置还包括：
第四确定模块1601，用于在疏浚整治期间，根据加测的河口水下地形，确定疏浚效果，并根据疏浚效果调整疏浚范围和疏浚规模。
在一个实施例中，优选地，采用RTK配合多波束测深系统测量河口水下地形，根据地形确定拦门沙坎地理位置坐标，分析水下地形特性，包括所述第一确定模块包括：
生成单元，用于采用RTK配合多波束测深系统测量河口水下地形，生成DEM地形模型；
第一确定单元，用于根据所述DEM地形模型，分析水下地形特征，确定拦门沙坎和排洪输沙通道空间位置，初步选定航道确定坐标；
第二确定单元，用于根据初步选定航道确定坐标，加密局部网格。
在一个实施例中，优选地，所述优化模块用于：
根据径流动力条件和机械扰动参数、工程布局，利用所述二维水动力学模型计算流场分布、流速大小和水流挟沙力，并根据所述流场分布、流速大小和水流挟沙力确定疏浚效果；
其中，流速大小和水流挟沙力采用以下公式进行计算：
UQ/A (7)
Figure BDA0003381563730000111
式中：Q为河道径流；A为疏浚处过水面积；U为流速；S为水流挟沙力；
机械扰动后为饱和输沙，输沙能力为Q×S。
在一个实施例中，优选地，采用以下公式确定疏浚船型和船只数量：
V＝A·L
NV/C·T
其中，A表示平均疏浚断面面积，L表示疏浚长度，V表示疏浚体积，C表示单位船只疏浚能力；T表示单台班扣除检修利用率，N表示疏浚船只数量。
根据本公开实施例的第三方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述指令被处理器执行时实现如第二方面的实施例中任一项所述方法的步骤。
进一步可以理解的是，本公开中“多个”是指两个或两个以上，其它量词与之类似。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
进一步可以理解的是，术语“第一”、“第二”等用于描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开，并不表示特定的顺序或者重要程度。实际上，“第一”、“第二”等表述完全可以互换使用。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。
进一步可以理解的是，本公开实施例中尽管在附图中以特定的顺序描述操作，但是不应将其理解为要求按照所示的特定顺序或是串行顺序来执行这些操作，或是要求执行全部所示的操作以得到期望的结果。在特定环境中，多任务和并行处理可能是有利的。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (4)

1.一种航道整治方法，其特征在于，用于弱混合陆相河口，所述方法包括：
采用RTK配合多波束测深系统测量河口水下地形，根据地形确定拦门沙坎地理位置坐标，分析水下地形特性；
利用水沙二相数值模拟系统，根据所述河口水下地形搭建二维水动力学模型；
利用所述二维水动力学模型计算本底流场，确定水深和主流分布特征；
根据所述水深和主流分布特征，结合航道设计指标确定拦门沙坎泥沙的疏浚范围和疏浚规模；
根据径流动力条件和机械扰动参数、工程布局，利用所述二维水动力学模型模拟疏浚效果，优化所述疏浚范围和疏浚规模；
根据优化后的疏浚范围和疏浚规模选定泥沙机械扰动采用的疏浚船型以及船只数量，以通过所述船只进行疏浚整治；
其中，采用RTK配合多波束测深系统测量河口水下地形，根据地形确定拦门沙坎地理位置坐标，分析水下地形特性，包括：
采用RTK配合多波束测深系统测量河口水下地形，生成DEM地形模型；
根据所述DEM地形模型，分析水下地形特征，确定拦门沙坎和排洪输沙通道空间位置，初步选定航道确定坐标；
根据初步选定航道确定坐标，加密局部网格；根据径流动力条件和机械扰动参数、工程布局，利用所述二维水动力学模型模拟疏浚效果，优化所述疏浚范围和疏浚规模，包括：
根据径流动力条件和机械扰动参数、工程布局，利用所述二维水动力学模型计算流场分布、流速大小和水流挟沙力，并根据所述流场分布、流速大小和水流挟沙力确定疏浚效果；
其中，流速大小和水流挟沙力采用以下公式进行计算：
U＝Q/A
Figure FDA0004124785900000021
式中：Q为河道径流；A为疏浚处过水面积；U为流速；S为水流挟沙力；
机械扰动后为饱和输沙，输沙能力为Q×S；
采用以下公式确定疏浚船型和船只数量：
V＝A·L
N＝V/C·T
其中，A表示平均疏浚断面面积，L表示疏浚长度，V表示疏浚体积，C表示单位船只疏浚能力；T表示单台班扣除检修利用率，N表示疏浚船只数量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在疏浚整治期间，根据加测的河口水下地形，确定疏浚效果，并根据疏浚效果调整疏浚范围和疏浚规模。
3.一种航道整治装置，其特征在于，用于弱混合陆相河口，所述装置包括：
第一确定模块，用于采用RTK配合多波束测深系统测量河口水下地形，根据地形确定拦门沙坎地理位置坐标，分析水下地形特性；
搭建模块，用于利用水沙二相数值模拟系统，根据所述河口水下地形搭建二维水动力学模型；
第二确定模块，用于利用所述二维水动力学模型计算本底流场，确定水深和主流分布特征；
第三确定模块，用于根据所述水深和主流分布特征，结合航道设计指标确定拦门沙坎泥沙的疏浚范围和疏浚规模；
优化模块，用于根据径流动力条件和机械扰动参数、工程布局，利用所述二维水动力学模型模拟疏浚效果，优化所述疏浚范围和疏浚规模；
选定模块，用于根据优化后的疏浚范围和疏浚规模选定泥沙机械扰动采用的疏浚船型以及船只数量，以通过所述船只进行疏浚整治；
其中，所述第一确定模块包括：
生成单元，用于采用RTK配合多波束测深系统测量河口水下地形，生成DEM地形模型；
第一确定单元，用于根据所述DEM地形模型，分析水下地形特征，确定拦门沙坎和排洪输沙通道空间位置，初步选定航道确定坐标；
第二确定单元，用于根据初步选定航道确定坐标，加密局部网格；
所述优化模块用于：
根据径流动力条件和机械扰动参数、工程布局，利用所述二维水动力学模型计算流场分布、流速大小和水流挟沙力，并根据所述流场分布、流速大小和水流挟沙力确定疏浚效果；
其中，流速大小和水流挟沙力采用以下公式进行计算：
U＝Q/A
Figure FDA0004124785900000031
式中：Q为河道径流；A为疏浚处过水面积；U为流速；S为水流挟沙力；机械扰动后为饱和输沙，输沙能力为Q×S；
采用以下公式确定疏浚船型和船只数量：
V＝A·L
N＝V/C·T
其中，A表示平均疏浚断面面积，L表示疏浚长度，V表示疏浚体积，C表示单位船只疏浚能力；T表示单台班扣除检修利用率，N表示疏浚船只数量。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
第四确定模块，用于在疏浚整治期间，根据加测的河口水下地形，确定疏浚效果，并根据疏浚效果调整疏浚范围和疏浚规模。
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