CN115168979B - 弯曲河段强涌潮特征参数设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了弯曲河段强涌潮特征参数设计方法。本发明方法包括以下步骤：S1，确定弯曲河段相关参数，包括河床底坡、堤防迎水坡形状、岸线转角θ；S2，基于顺直河段涌潮主要特征参数潮前水深h 0、潮前流速u 0和涌潮高度H 1，得到顺直河段其他特征参数包括潮后水深h 1、潮后流速u 1和佛汝德数F r1；S3、基于顺直河段涌潮特征参数确定弯曲河段涌潮特征参数弯曲河段涌潮线方向β、潮后水深h 2、涌潮高度H 2、涌潮流速u 2和佛汝德数F r2。本发明方法提出了从顺直河段传播到弯曲河段的强涌潮特征参数计算方法，为涌潮河段治理和涌潮重塑提供了设计方法，并节省了强涌潮河口规划和治理的设计成本。

Description

弯曲河段强涌潮特征参数设计方法
技术领域
本发明涉及水利治河工程领域，具体涉及涌潮景观造景设计方法。
背景技术
涌潮是发生在强潮河口的特殊水动力现象，涌潮前后存在水位、流速（流量）的突变。涌潮过后，水位急剧抬升，同时流速反转并迅速增大。涌潮到达时气势磅礴，既是独特的自然景观，又是破坏涉水建筑物的重要祸根。
涌潮从顺直河段传播到弯曲河段，涌潮高度、涌潮流速和流向等均发生变化，推求弯曲河段涌潮特征参数，为设计弯曲河段的涌潮景观和防灾具有重要的实际意义。
发明内容
为了弥补现有技术中缺少弯曲河段强涌潮特征参数设计方法，本发明提供了弯曲河段强涌潮特征参数设计方法。
本发明采用的技术方案是：
强涌潮从顺直河段传播到弯曲河段，根据顺直河段涌潮特征参数推求弯曲河段涌潮特征参数。包括以下步骤：
S1、确定弯曲河段相关参数，包括河床底坡、堤防迎水坡形状和岸线转角θ；
S2、基于顺直河段涌潮主要特征参数得到顺直河段其他特征参数；
已知顺直河段的涌潮特征参数：潮前水深h 0、潮前流速u 0和涌潮高度H 1，得到顺直河段涌潮的其他特征参数：潮后水深h 1、潮后流速u 1和佛汝德数F r1。
S3、基于顺直河段涌潮特征参数确定弯曲河段涌潮特征参数；
基于顺直河段的涌潮特征参数，求得弯曲河段涌潮线方向β、潮后水深h 2、涌潮高度H 2、涌潮流速u 2和佛汝德数F r2。
进一步地，在步骤S1中，所述河床底坡为0，即为平底；所述堤防迎水坡采用直立式，即堤防迎水坡与水面垂直；所述弯曲河段岸线转角θ控制在20度以内
进一步地，在步骤S2中，所述已知顺直河段的涌潮特征参数：潮前水深h 0、潮前流速u 0和涌潮高度H 1，得到顺直河段涌潮的其他特征参数潮后水深h 1、潮后流速u 1和佛汝德数F r1，具体计算过程为：
Figure 134304DEST_PATH_IMAGE002
（1）
Figure 14535DEST_PATH_IMAGE004
（2）
Figure 905000DEST_PATH_IMAGE006
（3）
式中g为重力加速度。
进一步地，在步骤S3中，所述基于顺直河段的涌潮特征参数，求得弯曲河段涌潮线方向β、潮后水深h 2、涌潮高度H 2、涌潮流速u 2和佛汝德数F r2，具体计算过程为：
根据顺直河段至弯曲河段涌潮n方向连续性方程，得到
Figure 263300DEST_PATH_IMAGE008
（4）
式中u n1为顺直河段中垂直于弯曲河段涌潮线的流速分量，u n2为弯曲河段中垂直于弯曲河段涌潮线的流速分量。
假定静水压力，并忽略摩阻力，n方向动量方程
Figure 188399DEST_PATH_IMAGE010
（5）
将式（4）代入上式，经整理化简可得
Figure 692062DEST_PATH_IMAGE012
（6）
因为顺直河段至弯曲河段切向流速相等，得到
Figure 289396DEST_PATH_IMAGE014
将式（4）代入上式，经整理化简得到
Figure 700655DEST_PATH_IMAGE016
（7）
将式（6）代入式（7），得到
Figure 965414DEST_PATH_IMAGE018
（8）
式（8）即为涌潮线方向β与岸线转角θ和顺直河段涌潮Fr1的关系；已知θ和Fr1，通过迭代求解得到β，然后再应用式（6）求得弯曲河段的涌潮潮后水深h2。
最后，求得弯曲河段涌潮高度、涌潮流速和佛汝德数：
涌潮高度H 2
Figure 453027DEST_PATH_IMAGE020
（9）
涌潮流速u 2
Figure 318084DEST_PATH_IMAGE022
（10）
佛汝德数F r2
Figure 549345DEST_PATH_IMAGE024
（11）。
本发明的有益效果是：
本发明方法能提供弯曲河段设计涌潮特征参数，为涌潮河段治理和涌潮重塑提供了设计方法，并节省了强涌潮河口规划和治理的设计成本。
附图说明
图1为涌潮传播示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进行进一步详细说明。
如图1所示，本发明弯曲河段强涌潮特征参数设计方法，提出了从顺直河段传播到弯曲河段的强涌潮特征参数计算方法，包括以下步骤：
S1，确定弯曲河段相关参数，包括河床底坡、堤防迎水坡形状和岸线转角θ。
河床底坡为0，即为平底。
堤防迎水坡采用直立式，即堤防迎水坡与水面垂直。
弯曲河段岸线曲折角θ控制在20度以内，本例取θ=8.95度。
S2，基于顺直河段涌潮主要特征参数潮前水深h 0、潮前流速u 0和涌潮高度H 1，得到顺直河段其他特征参数包括潮后水深h 1、潮后流速u 1和佛汝德数F r1。已知顺直河段的潮前水深h 0=0.0624m、潮前流速u 0=0和涌潮高度H 1= 0.9376m，根据
Figure 917879DEST_PATH_IMAGE026
（1）
Figure 576393DEST_PATH_IMAGE028
（2）
Figure 945057DEST_PATH_IMAGE030
（3）
得到顺直河段涌潮潮后水深h 1=1.0m、潮后（涌潮）流速u 1=8.57m/s和佛汝德数F r1=2.74。
S3，基于顺直河段涌潮特征参数，确定弯曲河段涌潮线方向β、潮后水深h 2，涌潮高度H 2、涌潮流速u 2和佛汝德数F r2 ，具体计算过程为：
已知θ和F r1，通过迭代求解式（8）
Figure 980010DEST_PATH_IMAGE032
（8）
得到β=30度。然后再应用式（6）
Figure 999787DEST_PATH_IMAGE034
（6）
求得弯曲河段的涌潮潮后水深h 2=1.5m。应用式（9）～（11）
Figure 563624DEST_PATH_IMAGE036
（9）
Figure 154005DEST_PATH_IMAGE038
（10）
Figure 241915DEST_PATH_IMAGE040
（11）
求得涌潮高度H 2=1.4376m，涌潮流速u 2=7.953m/s，佛汝德数F r2 =2.073。
上述实施例结合附图对本发明进行了描述，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.弯曲河段强涌潮特征参数设计方法，其特征在于：它包括如下步骤：
S1、确定弯曲河段相关参数，包括河床底坡、堤防迎水坡形状和岸线转角θ；所述河床底坡为0，即为平底；所述堤防迎水坡采用直立式，即堤防迎水坡与水面垂直；所述弯曲河段岸线转角θ控制在20度以内；
S2、基于顺直河段涌潮主要特征参数得到顺直河段其他特征参数；
已知顺直河段的涌潮特征参数：潮前水深h 0、潮前流速u 0和涌潮高度H 1，得到顺直河段涌潮的其他特征参数：潮后水深h 1、潮后流速u 1和佛汝德数F r1；具体计算过程为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
（1）
Figure DEST_PATH_IMAGE004
（2）
Figure DEST_PATH_IMAGE006
（3）
式中g为重力加速度；
S3、基于顺直河段涌潮特征参数确定弯曲河段涌潮特征参数；
基于顺直河段的涌潮特征参数，求得弯曲河段涌潮线方向β、潮后水深h 2、涌潮高度H 2、涌潮流速u 2和佛汝德数F r2；具体计算过程为：
根据顺直河段至弯曲河段涌潮n方向连续性方程，得到
Figure DEST_PATH_IMAGE008
（4）
式中u n1为顺直河段中垂直于弯曲河段涌潮线的流速分量，u n2为弯曲河段中垂直于弯曲河段涌潮线的流速分量；
假定静水压力，并忽略摩阻力，n方向动量方程
Figure DEST_PATH_IMAGE010
（5）
将式（4）代入上式，经整理化简可得
Figure DEST_PATH_IMAGE012
（6）
因为顺直河段至弯曲河段切向流速相等，得到
Figure DEST_PATH_IMAGE014
将式（4）代入上式，经整理化简得到
Figure DEST_PATH_IMAGE016
（7）
将式（6）代入式（7），得到
Figure DEST_PATH_IMAGE018
（8）
式（8）即为涌潮线方向β与岸线转角θ和顺直河段涌潮Fr1的关系；已知θ和Fr1，通过迭代求解得到β，然后再应用式（6）求得弯曲河段的涌潮潮后水深h2；
最后，求得弯曲河段涌潮高度、涌潮流速和佛汝德数：
涌潮高度H 2
Figure DEST_PATH_IMAGE020
（9）
涌潮流速u 2
Figure DEST_PATH_IMAGE022
（10）
佛汝德数F r2
Figure DEST_PATH_IMAGE024
（11）。
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