CN114428989A - 一种游荡分汊河道洪峰流量分配方法及系统 - Google Patents

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胡昕
杨生彬
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韦小辉
董军
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Abstract

本发明公开了一种游荡分汊河道洪峰流量分配方法及系统，洪峰流量分配方法包括以下步骤：S1、总洪峰流量的计算；S2、河道断面数据整理及相关计算参数的确定；S3、流量假定分配方案及河道水位的计算；S4、流量分配方案的确定；S5、洪峰流量的加强确定；S6、重复步骤S3、S4，输出各子河道的洪峰流量加强结果值，完成流量分配计算。本发明所提供的洪峰流量分配方法能够同时兼顾河道分汊和游荡特性，在保证安全的前提下，最大程度上对洪峰流量进行合理分配，减少防洪工程量，满足设计需要，节约工程投资。

Description

一种游荡分汊河道洪峰流量分配方法及系统
技术领域
本发明属于水文计算领域，具体涉及一种游荡分汊河道洪峰流量分配方法及系统。
背景技术
防洪工程设计在工程安全防护中占据重要地位，防洪工程设计中，洪峰流量大小直接影响工程规模，如洪峰流量确定过大，则工程规模偏大，相应工程造价偏高不经济；反之，如洪峰流量确定过小，则工程规模偏小，则存在不安全因素甚至影响工程安全。因此，合理的洪峰流量确定是防洪工程设计的前提。
分汊河道由干流和支流共同构成，干流洪峰流量的确定可采用多种方法，如瞬时单位线法、水文比拟法、水科院推理公式法、经验参数法等，确定干流洪峰流量后，如果将干流洪峰流量合理分配到各支流则成为难题；游荡型河道由于各支流之间存在着相互演绎变化，河道横断面变化不定，则加大了干流流量合理分配到各支流这一问题的复杂性。
发明内容
本发明的目的在于针对上述游荡分汊河道洪峰流量在各支流之间分配的复杂问题，提供一种游荡分汊河道流量分析方法及系统，在保证安全的前提下，对干流洪峰流量在各支流之间进行合理分配。
为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
一种游荡分汊河道洪峰流量分配方法，包括以下步骤：
S1、获取流域几何特征参数、降雨参数、下渗参数，计算总洪峰流量；
S2、获取河道断面数据及主河道及各子河道横断面的糙率系数；
S3、构建流量假定分配方案并计算河道水位；流量假定分配方案符合各支流流量之和为干流洪峰流量，河道水位计算采用能量方法进行计算；
S4、基于建流量假定分配方和河道断面数据及主河道及各子河道横断面的糙率系数，以主河道与子河道的水位比降差异最小确定各子河道的流量得到流量分配方案；
S5、根据子河道的天然断面形态与特征水位下断面形态的比值，考虑河道游荡特性，根据历史洪水痕迹，基于所述流量分配方案最终确定子河道的洪峰流量；
S6、重复计算输出各子河道的洪峰流量加强结果值。
作为本发明的进一步改进，所述流域几何特征参数包括流域面积、比降、河流长度，计算总洪峰流量的计算方法包括瞬时单位线法、推理公式法、水文比拟法、经验参数法；计算总洪峰流量后对结果合理性进行分析。
作为本发明的进一步改进，所述的河道断面数据包括：主河道的河道横断面数据和各子河道的河道横断面数据；河道断面数据为河断横断面数据和河道比降数据，通过现场实地测量得到；计算参数为河道糙率参数，结合现场植被情况确定，或者采用有水文站经实际洪水验证的糙率参数。
作为本发明的进一步改进，所述构建流量假定分配方案并计算河道水位中，流量假定分配方案符合各支流流量之和为干流洪峰流量，即：
Q干＝Q支1+Q支2
其中，Q干为干流洪峰流量，Q支1为支流1洪峰流量；Q支2为支流2洪峰流量。
作为本发明的进一步改进，河道水位的计算采用能量方程推求水面线，采用由支流向干流进行推求，即由下游断面起算：
能量方程：
Figure BDA0003486464920000031
其中：z1被推求断面水位(m)，z2已知断面水位(m)，v1被推求断面平均流速(m/s)，v2已知断面平均流速(m/s)，g当地重力加速度(m/s2)，Q断面间流量(m3/s)，ζ平均局部水头损失系数，α动能校正系数，K平均流量模数。
作为本发明的进一步改进，所述流量分配方案是计算出多组支流流量分配方案后，以干流与支流水位比降最为接近的结果作为相应洪峰流量作为最终流量分配方案，即符合：
(H干-H支1)/L支1＝(H干-H支2)/L支2
其中，H干为干流洪水位(m)，H支1为支流1洪水位(m)，H支2为支流2洪水位(m)，L支1为干流断面至支流1断面河道长度(km)，L支2为干流断面至支流2断面河道长度(km)。
作为本发明的进一步改进，所述洪峰流量的加强确定是计算得到支流流量分配方案后，进行流量加强分配，即：
Q支1加＝Q支1×A支1历/A支1H
其中，Q支1加为支流1考虑河道游荡特性加强下的洪峰流量值，Q支1为支流1流量分配值，A支1历为支流1历史调查下相应河道横断面过水面积，A支1H为支流1水位H支1下相应河道横断面过水面积。
一种游荡分汊河道流量分配系统，包括：
干流洪峰流量计算模块，用于获取流域几何特征参数、降雨参数、下渗参数，计算总洪峰流量，确定干流洪峰流量；
支流及干流水位计算模块，用于计算支流及干流水位，具体为获取河道断面数据及主河道及各子河道横断面的糙率系数；构建流量假定分配方案并计算河道水位；流量假定分配方案符合各支流流量之和为干流洪峰流量，河道水位计算采用能量方法进行计算；基于建流量假定分配方和河道断面数据及主河道及各子河道横断面的糙率系数，以主河道与子河道的水位比降差异最小确定各子河道的流量得到流量分配方案；
支流洪峰流量加强确定模块，用于考虑河道游荡特性下的支流洪峰流量加强值，根据子河道的天然断面形态与特征水位下断面形态的比值，考虑河道游荡特性，根据历史洪水痕迹，基于所述流量分配方案最终确定子河道的洪峰流量；重复计算输出各子河道的洪峰流量加强结果值。
本发明还提供一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行游荡分汊河道流量分配方法的步骤。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现游荡分汊河道流量分配方法的步骤。
相较于现有技术，本发明游荡分汊河道流量分配方法具有如下有益效果：
本发明先通过总洪峰流量的计算；再河道断面数据整理及相关计算参数的确定；进而通过流量假定分配方案及河道水位的计算，得到流量分配方案的确定；最后进行洪峰流量的加强确定，输出各子河道的洪峰流量加强结果值，完成流量分配计算。同时兼顾河道游荡和分汊特性，本发明所提供的方法在保证安全的前提下，能够较为合理地对支流流量进行分配，最大程度上减少防洪工程量，为防洪工程设计提供支持。本计算过程简单，计算速度能够大大提高，并能够采用VBA宏程序在Excel电子表格中直接统计，满足批量数据计算需要，能更好的应用于工程设计，节约工时。
相较于现有技术，本发明实现游荡分汊河道流量分配，能够得到较为合理的流量分配成果值，从而为防洪工程设计较好的支持。
附图说明
图1为本发明游荡分汊河道洪峰流量分配方法流程示意图；
图2为本发明河道示意图；
图3为本发明游荡分汊河道洪峰流量分配方法流程图；
图4为本发明一种游荡分汊河道洪峰流量分配系统结构示意图；
图5为本发明一种电子设备结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明第一个目的是提供一种游荡分汊河道洪峰流量分配方法，包括以下步骤：
S1、获取流域几何特征参数、降雨参数、下渗参数，计算总洪峰流量；
S2、获取河道断面数据及主河道及各子河道横断面的糙率系数；
S3、构建流量假定分配方案并计算河道水位；流量假定分配方案符合各支流流量之和为干流洪峰流量，河道水位计算采用能量方法进行计算；
S4、基于建流量假定分配方和河道断面数据及主河道及各子河道横断面的糙率系数，以主河道与子河道的水位比降差异最小确定各子河道的流量得到流量分配方案；
S5、根据子河道的天然断面形态与特征水位下断面形态的比值，考虑河道游荡特性，根据历史洪水痕迹，基于所述流量分配方案最终确定子河道的洪峰流量；
S6、重复S4～S5，计算输出各子河道的洪峰流量加强结果值。
本发明所提供的洪峰流量分配方法能够同时兼顾河道分汊和游荡特性，在保证安全的前提下，最大程度上对洪峰流量进行合理分配，减少防洪工程量，满足设计需要，节约工程投资。
下面是结合附图及实例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是实例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
实施例
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图2和图3，本发明一种游荡分汊河道流量分配方法，包括以下步骤：
S1、总洪峰流量的计算；输入参数为流域几何特征参数、降雨参数、下渗参数等，流域几何特征参数包括流域面积、比降、河流长度等；
具体计算可采用水文模型法、瞬时单位线法、水文比拟法、推理公式法、经验参数法等；总流量的计算输入参数为流域几何特征参数、降雨参数、下渗参数，计算方法包括瞬时单位线法、推理公式法、水文比拟法、经验参数法等，并对结果合理性进行分析。
S2、河道断面数据整理及相关计算参数的确定；河道断面数据包括河断横断面数据和河道比降数据等，通过现场实地测量得到；计算参数为河道糙率参数，结合现场植被情况确定，也可采用有水文站经实际洪水验证的糙率参数。
主要包括：(1)主河道的河道横断面数据；(2)各子河道的河道横断面数据；(3)主河道及各子河道横断面的糙率系数。
S3流量假定分配方案及河道水位的计算，各横断面纵向距离不应超过50m，且干流和支流各包括不至少3个横断面，干支流之间不再有支流汇入。
河道水位计算采用能量方法进行计算。
流量假定分配方案符合各支流流量之和为干流洪峰流量，即：
Q干＝Q支1+Q支2
其中，Q干为干流洪峰流量，Q支1为支流1洪峰流量；Q支2为支流2洪峰流量。
S3、流量假定分配方案及河道水位的计算；河道水位的计算采用能量方程推求水面线，采用由支流向干流进行推求，即由下游断面起算。
能量方程：
Figure BDA0003486464920000071
其中：z1被推求断面水位(m)，z2已知断面水位(m)，v1被推求断面平均流速(m/s)，v2已知断面平均流速(m/s)，g当地重力加速度(m/s2)，Q断面间流量(m3/s)，ζ平均局部水头损失系数，α动能校正系数，K平均流量模数。
计算支流1及干流水位时，支流2洪峰流量为区间流量，同理，计算支流2及干流水位时，支流1洪峰流量为区间流量。
S4流量分配方案的确定，根据主河道与子河道的水位比降差异最小确定各子河道的流量。
计算出多组支流1及支流2流量分配方案后，以干流与支流水位差最为接近的结果相应洪峰流量作为最终流量分配方案，即符合：
(H干-H支1)/L支1＝(H干-H支2)/L支2
其中，H干为干流洪水位(m)，H支1为支流1洪水位(m)，H支2为支流2洪水位(m)，L支1为干流断面至支流1断面河道长度(km)，L支2为干流断面至支流2断面河道长度(km)；
S5流量的加强确定，根据子河道的天然断面形态与特征水位下断面形态的比值，考虑河道游荡特性，根据历史洪水痕迹，最终确定子河道的洪峰流量。
计算得到支流1和支流2流量分配方案后，游荡型河道主槽不固定，为工程安全考虑，需要进行流量加强分配，即：
Q支1加＝Q支1×A支1历/A支1H
其中，Q支1加为支流1考虑河道游荡特性加强下的洪峰流量值，Q支1为支流1流量分配值，A支1历为支流1历史调查下相应河道横断面过水面积，A支1H为支流1水位H支1下相应河道横断面过水面积。
为了实现上述游荡分汊河道流量分配方法，如图4所示，本发明可以通过一种流量分配系统来实现，具体结构包括：洪峰流量计算模块、水位计算模块、流量加强模块。其中，洪峰流量计算模块用于计算干流的洪峰流量；水位计算模拟用于计算干支流洪水位；流量加强模块用于考虑河道游荡特性而对分配流量的加强。
干流洪峰流量计算模块，用于获取流域几何特征参数、降雨参数、下渗参数，计算总洪峰流量，确定干流洪峰流量；
支流及干流水位计算模块，用于计算支流及干流水位，具体为获取河道断面数据及主河道及各子河道横断面的糙率系数；构建流量假定分配方案并计算河道水位；流量假定分配方案符合各支流流量之和为干流洪峰流量，河道水位计算采用能量方法进行计算；基于建流量假定分配方和河道断面数据及主河道及各子河道横断面的糙率系数，以主河道与子河道的水位比降差异最小确定各子河道的流量得到流量分配方案；
支流洪峰流量加强确定模块，用于考虑河道游荡特性下的支流洪峰流量加强值，根据子河道的天然断面形态与特征水位下断面形态的比值，考虑河道游荡特性，根据历史洪水痕迹，基于所述流量分配方案最终确定子河道的洪峰流量；重复计算输出各子河道的洪峰流量加强结果值。
如图5所示，本发明的游荡分汊河道流量分配方法及系统可以集成于一种终端设备当中，终端设备包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如本发明实施例中所述游荡分汊河道流量分配方法的步骤。
本发明实施例中所述游荡分汊河道流量分配方法的步骤还可以设置于计算机程序当中，计算机程序存储在计算机可读存储介质当中，通过计算机程序被处理器执行时实现。
本发明所提供的游荡分汊河道流量方法能够在安全的前提下较为合理地分配各支流洪峰流量，从而为防洪工程设计提供支持。本发明所提供的流量分配方法计算过程简单，计算速度可以大大提高，并可以采用VBA宏程序在Excel电子表格中直接统计，能更好的应用于工程设计，节约工时。
相较于现有技术，本发明实现游荡分汊河道流量分配，能够兼顾河道分汊和游荡特性，在安全的前提下对流量进行合理分配，从而为防洪工程设计提供较好的支持。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种游荡分汊河道洪峰流量分配方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取流域几何特征参数、降雨参数、下渗参数，计算总洪峰流量；
S2、获取河道断面数据及主河道及各子河道横断面的糙率系数；
S3、构建流量假定分配方案并计算河道水位；流量假定分配方案符合各支流流量之和为干流洪峰流量，河道水位计算采用能量方法进行计算；
S4、基于建流量假定分配方和河道断面数据及主河道及各子河道横断面的糙率系数，以主河道与子河道的水位比降差异最小确定各子河道的流量得到流量分配方案；
S5、根据子河道的天然断面形态与特征水位下断面形态的比值，考虑河道游荡特性，根据历史洪水痕迹，基于所述流量分配方案最终确定子河道的洪峰流量；
S6、重复计算输出各子河道的洪峰流量加强结果值。
2.根据权利要求1所述的游荡分汊河道洪峰流量分配方法，其特征在于，所述流域几何特征参数包括流域面积、比降、河流长度，计算总洪峰流量的计算方法包括瞬时单位线法、推理公式法、水文比拟法、经验参数法；计算总洪峰流量后对结果合理性进行分析。
3.根据权利要求1所述的游荡分汊河道洪峰流量分配方法，其特征在于，所述的河道断面数据包括：主河道的河道横断面数据和各子河道的河道横断面数据；河道断面数据为河断横断面数据和河道比降数据，通过现场实地测量得到；计算参数为河道糙率参数，结合现场植被情况确定，或者采用有水文站经实际洪水验证的糙率参数。
4.根据权利要求1所述的游荡分汊河道流量分配方法，其特征在于，所述构建流量假定分配方案并计算河道水位中，流量假定分配方案符合各支流流量之和为干流洪峰流量，即：
Q干＝Q支1+Q支2
其中，Q干为干流洪峰流量，Q支1为支流1洪峰流量；Q支2为支流2洪峰流量。
5.根据权利要求1所述的游荡分汊河道流量分配方法，其特征在于，河道水位的计算采用能量方程推求水面线，采用由支流向干流进行推求，即由下游断面起算：
能量方程：
Figure FDA0003486464910000021
其中：z1被推求断面水位，z2已知断面水位，v1被推求断面平均流速，v2已知断面平均流速，g当地重力加速度，Q断面间流量，
Figure FDA0003486464910000022
平均局部水头损失系数，α动能校正系数，
Figure FDA0003486464910000023
平均流量模数。
6.根据权利要求1所述的游荡分汊河道流量分配方法，其特征在于，所述流量分配方案是计算出多组支流流量分配方案后，以干流与支流水位比降最为接近的结果作为相应洪峰流量作为最终流量分配方案，即符合：
(H干-H支1)/L支1＝(H干-H支2)/L支2
其中，H干为干流洪水位(m)，H支1为支流1洪水位，H支2为支流2洪水位，L支1为干流断面至支流1断面河道长度，L支2为干流断面至支流2断面河道长度。
7.根据权利要求1所述的游荡分汊河道流量分配方法，其特征在于，所述洪峰流量的加强确定是计算得到支流流量分配方案后，进行流量加强分配，即：
Q支1加＝Q支1×A支1历/A支1H
其中，Q支1加为支流1考虑河道游荡特性加强下的洪峰流量值，Q支1为支流1流量分配值，A支1历为支流1历史调查下相应河道横断面过水面积，A支1H为支流1水位H支1下相应河道横断面过水面积。
8.一种游荡分汊河道流量分配系统，其特征在于，包括：
干流洪峰流量计算模块，用于获取流域几何特征参数、降雨参数、下渗参数，计算总洪峰流量，确定干流洪峰流量；
支流及干流水位计算模块，用于计算支流及干流水位，具体为获取河道断面数据及主河道及各子河道横断面的糙率系数；构建流量假定分配方案并计算河道水位；流量假定分配方案符合各支流流量之和为干流洪峰流量，河道水位计算采用能量方法进行计算；基于建流量假定分配方和河道断面数据及主河道及各子河道横断面的糙率系数，以主河道与子河道的水位比降差异最小确定各子河道的流量得到流量分配方案；
支流洪峰流量加强确定模块，用于考虑河道游荡特性下的支流洪峰流量加强值，根据子河道的天然断面形态与特征水位下断面形态的比值，考虑河道游荡特性，根据历史洪水痕迹，基于所述流量分配方案最终确定子河道的洪峰流量；重复计算输出各子河道的洪峰流量加强结果值。
9.一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7中任一项所述游荡分汊河道流量分配方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述游荡分汊河道流量分配方法的步骤。
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CN116150985B (zh) * 2023-02-08 2023-11-03 湖南省水运建设投资集团有限公司 一种河道口门区水流特性模型分析方法及系统

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