CN115222115B - 一种含植物河道的综合糙率计算方法及系统 - Google Patents

一种含植物河道的综合糙率计算方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种含植物河道的综合糙率计算方法及系统，该方法为：采集不同植物种类的平均高度；用过水断面扣除法模拟各类植物的阻水影响，在无植物时，模拟植物存在的不同糙率ni的水面线；对比水面线的水位值，选取河道无植物的模拟植物与有植物时工况水面线最接近的水面线，并此类植物的工况记为nt；得到此类植物的河道糙率增加Δn；采用曼宁公式计算枯水时期河段糙率n，根据河道糙率增加Δn修正含植物河道的综合糙率。该法利用中枯水期的水文观测资料计算洪水漫滩时的植物河道糙率，避免洪水时资料的不确定性造成的误差，提高了受植物影响的河道综合糙率的精度，使多边滩植物河道洪水位模拟误差减少了0.1～0.3m。

Description

一种含植物河道的综合糙率计算方法及系统
技术领域
本发明涉及河道综合糙率的计算方法，特别涉及一种含植物河道的综合糙率计算方法及系统。
背景技术
防洪能力评估是河流清淤策略复核研究的基础性工作，其首要任务是在新边界条件下推算洪水水面线，而糙率是推求洪水水面线的最关键参数。糙率，又称曼宁系数、糙度系数，是河道断面的粗糙程度和边壁形状不规则的综合表征，也是反映对水流阻力影响的综合参数。众所周知，影响河道糙率取值的因素较多，主要包括河道平面形态、断面形状、河床植物交替生长、断面的扩展和收缩、河床粗糙度及其沖淤变化等。而在此背景下，河槽浅滩的淤积发展以及植物覆盖范围的扩大引起的排洪阻力的影响尤其不容忽视。
传统的糙率计算方法，往往只能考虑单一的情况，导致用这些方法得到的糙率适用性低，当实际工程应用中出现其他复杂因素影响时，最后的水文模型计算结果将会产生较大的误差。在关于植物影响的河道糙率计算率定的研究领域中，一般需要对植被进行长度、直径、密度等植物特征的测量，现场调研工作量大；或是要调查洪水时期的水文资料来计算植物被淹没时的阻水影响，然而洪水期间的观测资料一般存在较大的误差，从而导致糙率计算结果不准确。
发明内容
为了克服上述缺点，本申请首先提出一种含植物河道的综合糙率计算方法，解决了含水生植物的河道糙率精度差的问题。
本发明还提出一种含植物河道的综合糙率计算系统。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种含植物河道的综合糙率计算方法，具体计算过程为：
步骤1：获取不同植物种类的高度，利用遥感影像获得不同植物种类的平均高度
Figure BDA0003735544260000011
步骤2：计算不同植物糙率对应的水面线；建立Delft3D模型，基于不同植物的阻水特征，用过水断面扣除法模拟各类植物的阻水影响；
计算河道有植物时，糙率为n0的水面线，并将该情况记为工况1；计算河道无植物时，模拟植物存在的不同糙率ni的水面线，i表示第i种糙率工况；其中ni大于n0；
步骤3：选取河道无植物时最接近工况1的水面线；具体是对比水面线的水位值，选取河道无植物时最接近工况1的水面线，并将此种工况的糙率记为nt；
步骤4：得到此类模拟植物的河道糙率增加Δn＝nt-n0，即计算出该类植物的额外等效糙率；
步骤5：调查枯水期河道流量资料、断面尺度，并采用曼宁公式计算河段糙率；
曼宁公式如下：
Figure BDA0003735544260000021
式中：n为糙率；A、R分别为河道过水断面面积、水力半径；Q为河道的流量；AR2/3和Q采用河段平均值进行计算；JP为河段水面坡降；Jw为非恒定流加速度引起坡降，
Figure BDA0003735544260000022
Figure BDA0003735544260000025
为平均流速变化量，g为重力加速度，ΔT为时间长度；
步骤6：根据步骤4结果修正含植物河道的综合糙率，修正后的含植物河道的综合糙率为n+Δn。
调查中枯水时期的水文资料，计算得出的糙率反映的是河水未漫滩时的河道糙率，此时可以结合步骤1-4的计算结果叠加植物额外等效糙率，得到洪季含植物河道的综合糙率Δn+n。本发明关注含植物影响的河道综合糙率计算的问题，该方法获得的河道综合糙率兼顾了河床断面形状及水生植被生长等因素的影响，为水文模型的建立提供了更精确的参数，为河道洪水水面线计算提供基本技术依据，从而更准确地评估河道现状条件下的防洪能力，提高河流水情预测的精确性。
优选的，上述步骤1的具体过程为：采用遥感影像获取河道植物种类信息和生长范围，对相同种类植物随机量取5～10个样点高度，计算得出第i类植物种类的高度平均值为
Figure BDA0003735544260000023
优选的，上述过水断面扣除法是指：在第i类种类植物生长的区域将数学模型断面的高度加上
Figure BDA0003735544260000024
即可计算出此时的水面线的高度值。
优选的，在步骤5中，所述河段水面坡降是根据水位、潮位资料绘制水面线得到。
优选的，在步骤1中，通过卫星遥感技术获取河道图像，并对获得的遥感图像信息进行预处理得到不同植物种类的图像信息。
本发明还提出一种含植物河道的综合糙率计算系统，包括以下模块：
包括以下模块：
不同种类植物高度获取模块：利用遥感影像获得不同植物种类的平均高度
Figure BDA0003735544260000031
不同植物糙率对应的水面线计算模块：Delft3D模型建立模块建立Delft3D模型，基于不同植物的阻水特征，用过水断面扣除法模拟各类植物的阻水影响；
计算河道有植物时，糙率为n0的水面线，并将该情况记为工况1；
计算河道无植物时，模拟植物存在的不同糙率ni的水面线，i表示第i种糙率工况；其中ni大于n0；
水面线对比模块：对比水面线的水位值，选取河道无植物时最接近工况1的水面线，并此将此种工况的糙率nt；
额外等效糙率获取模块：得到此类模拟植物的河道糙率增加Δn＝nt-n0，即计算出该类植物的额外等效糙率；
糙率计算模块：调查枯水期河道流量资料、断面尺度，并采用曼宁公式计算河段糙率；
曼宁公式如下：
Figure BDA0003735544260000032
式中：n为糙率；A、R分别为河道过水断面面积、水力半径；Q为河道的流量；AR2/3和Q采用河段平均值进行计算；JP为河段水面坡降；Jw为非恒定流加速度引起坡降，
Figure BDA0003735544260000033
Figure BDA0003735544260000034
为平均流速变化量，g为重力加速度，ΔT为时间长度；
综合糙率获取模块：根据步骤4结果修正含植物河道的综合糙率，修正后的含植物河道的综合糙率为n+Δn。
调查中枯水时期的水文资料，故可计算得出的糙率反映的是河水未漫滩时的河道糙率，此时可以结合计算结果叠加植物额外等效糙率，得到洪季含植物河道的综合糙率。本发明的系统关注含植物影响的河道综合糙率计算的问题，该方法获得的河道综合糙率兼顾了河床断面形状及水生植被生长等因素的影响，为水文模型的建立提供了更精确的参数，为河道洪水水面线计算提供基本技术依据，从而更准确地评估河道现状条件下的防洪能力，提高河流水情预测的精确性。
优选的，上述遥感数据计算模块的具体过程为：采用遥感影像获取河道植物种类信息和生长范围，对相同种类植物随机量取5～10个样点高度，计算得出第i类植物种类的高度平均值为
Figure BDA0003735544260000041
优选的，上述Delft3D模型建立模块中的过水断面扣除法是指：在第i类种类植物生长的区域将数学模型断面的高度加上
Figure BDA0003735544260000042
即可计算出此时的水面线的高度值。
优选的，在糙率计算模块中，所述河段水面坡降是根据水位、潮位资料绘制水面线得到。
优选的，在不同种类植物高度获取模块中，通过卫星遥感技术获取河道图像，并对获得的遥感图像信息进行预处理得到不同植物种类的图像信息。
与传统方法相比，本发明产生的有益效果是：
该方法能利用中枯水期的水文观测资料计算洪水漫滩时的植物河道糙率，避免洪水时观测资料的不确定性造成的误差，提高了受植物影响的河道综合糙率的精度，使多边滩植物河道洪水位模拟误差减少了0.1～0.3m。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为水面比降示意图。
图3为2015～2017落潮期间的糙率分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种含植物河道的综合糙率计算方法，具体计算过程为：
步骤1：获取不同植物种类的高度；通过卫星遥感技术获取河道图像，对获得的遥感图像信息进行预处理，得到不同植物种类的图像信息，并基于图像信息获得不同植物种类的平均高度
Figure BDA0003735544260000043
具体是采用遥感影像获取河道植物种类信息和生长范围，对相同种类植物随机量取5～10个样点高度，计算得出第i类植物种类的高度平均值为
Figure BDA0003735544260000051
步骤2：计算不同植物糙率对应的水面线；建立Delft3D模型，基于不同植物的阻水特征，用过水断面扣除法模拟各类植物的阻水影响；
计算河道有植物时，糙率为n0的水面线，并将该情况记为工况1；计算河道无植物时，模拟植物存在的不同糙率ni的水面线，i表示第i种糙率工况；其中ni大于n0；
上述过水断面扣除法是指：在第i类种类植物生长的区域将数学模型断面的高度加上
Figure BDA0003735544260000052
即可计算出此时的水面线的高度值；
步骤3：选取河道无植物时最接近工况1的水面线；对比水面线的最高水位值，选取河道无植物时最接近工况1的水面线，并将此种工况的糙率记为nt；
步骤4：得到此类模拟植物的河道糙率增加Δn＝nt-n0，即计算出该类植物的额外等效糙率；
步骤5：调查枯水期河道流量资料、断面尺度，并采用曼宁公式计算河段糙率；
曼宁公式如下：
Figure BDA0003735544260000053
式中：n为糙率；A、R分别为河道过水断面面积、水力半径；Q为河道的流量；AR2/3和Q采用河段平均值进行计算；JP为河段水面坡降；Jw为非恒定流加速度引起坡降，
Figure BDA0003735544260000054
Figure BDA0003735544260000055
为平均流速变化量，g为重力加速度，ΔT为时间长度；
所述河段水面坡降是根据水位、潮位资料绘制水面线得到
步骤6：根据步骤4结果修正含植物河道的综合糙率，修正后的含植物河道的综合糙率为n+Δn。
调查中枯水时期的水文资料，计算得出的糙率反映的是河水未漫滩时的河道糙率，此时可以结合步骤1-4的计算结果叠加植物额外等效糙率，得到洪季含植物河道的综合糙率n+Δn。本发明关注含植物影响的河道综合糙率计算的问题，该方法获得的河道综合糙率兼顾了河床断面形状及水生植被生长等因素的影响，为水文模型的建立提供了更精确的参数，为河道洪水水面线计算提供基本技术依据，从而更准确地评估河道现状条件下的防洪能力，提高河流水情预测的精确性。
实施例2
本实施例以深圳河道为例说明实施例1的含植物河道的综合糙率计算方法：
由遥感影像和深圳河现场考察照片可以看出，深圳河滩涂及两岸生长的植物茂密，在植物成片式生长情况下植物之间空隙难以作为有效过流面积。为研究深圳河植物对糙率的影响程度，根据植物的阻水特征，采用过水断面扣除法利用数学模型估算植物的阻水影响。根据深圳河新洲河口上游附近、深圳河河口断面、深圳侧有水位观测站点、福田口岸上游约500m、深圳河福田河口上游20m断面、深圳治河办公地附近、深圳河沙湾河口、平原河口下游100m断面处的植物高度计算结果，得到植物平均高度为
Figure BDA0003735544260000061
采用Delft3D模式进行数学模型计算。为了简化模型边界的影响，主要分析深圳河口至鹿丹村之间植物对糙率的影响。数学模型范围上至鹿丹村，下至深圳河口，模型包涵桩号0+000～8+400的深圳河干流河段，模型网格为四边形网格，网格大小约8m×8m。
计算边界条件：
上游边界：鹿丹村站2018年8月29日0:00～31日0:00实测流量过程。
下游边界：深圳河口站2018年8月29日0:00～31日0:00实测潮位过程。
支流流量：模型范围内有皇岗河、福田河入汇，由于这两条河没有实测流量过程，因此入汇流量由深圳河口站、鹿丹村站实测流量差值均分而来。
无植物地形资料：2018年度深圳河汛前水下地形测量成果。
有植物地形：2018年度深圳河汛前水下地形测量成果，植物区域地形在实测地形基础上全部加高1.5m。
计算工况：
计算工况见表1。
表1各工况计算情况说明
Figure BDA0003735544260000062
Figure BDA0003735544260000071
计算结果：
模型范围内设有三个水文测站：深圳河口、皇岗、鹿丹村，分别提取各站实测及各工况水位最高值，计算结果见表2。
表2各工况最高水位计算结果(单位：m)
Figure BDA0003735544260000072
经试算，工况4时，综合糙率n＝0.025时各站水位变化幅度与工况1最为接近，两种工况下深圳河口站水位无差别，皇岗站、鹿丹村站水位分别高1、2cm，因此可以认为此次草地处理方式为河道综合糙率n值增加了0.005。
根据水位绘制水面线，如图2所示。
2015～2017落潮期间的计算时段从深圳湾烂角咀潮位站的潮位过程选择，从潮周期的高潮位时刻后2h至低潮位时刻前2h。由于落潮时段，深圳河口的落潮流量包含了区间河道槽蓄量，AR2/3和Q采用深圳河口和鹿丹村的平均值计算。
由曼宁公式计算得到的糙率分布图，如图3可以看出，糙率分布具有以下特征：1)2015-2017期间，深圳河口总体流量不大，流量大于400m3/s时，n处于0.01-0.035之间；2)n分布具有上限；3)大于0.02的n广泛存在；4)由于2015-2017年间深圳河未发生由降雨形成的洪水，计算得出的糙率主要反映的是中枯水糙率，当流量相对较大时糙率位于0.02附近，说明中枯水糙率取值0.02基本合理。
故该河道含植物影响的综合糙率取值为0.02+0.005＝0.025。
实施例3
本实施例提出一种含植物河道的综合糙率计算系统，包括以下模块：
不同种类植物高度获取模块：利用遥感影像获得不同植物种类的平均高度
Figure BDA0003735544260000073
上述遥感数据计算模块的具体过程为：采用遥感影像获取河道植物种类信息和生长范围，对相同种类植物随机量取5～10个样点高度，计算得出第i类植物种类的高度平均值为
Figure BDA0003735544260000074
不同植物糙率对应的水面线计算模块：Delft3D模型建立模块建立Delft3D模型，基于不同植物的阻水特征，用过水断面扣除法模拟各类植物的阻水影响；
计算河道有植物时，糙率为n0的水面线，并将该情况记为工况1；
计算河道无植物时，模拟植物存在的不同糙率ni的水面线，i表示第i种糙率工况；其中ni略大于n0；
上述Delft3D模型建立模块中的过水断面扣除法是指：在第i类种类植物生长的区域将数学模型断面的高度加上
Figure BDA0003735544260000081
即可计算出此时的水面线的高度值。
水面线对比模块：对比水面线的最高水位值，选取河道无植物时最接近工况1的水面线，并此将此种工况的糙率nt；
额外等效糙率获取模块：得到此类模拟植物的河道糙率增加Δn＝nt-n0，即计算出该类植物的额外等效糙率；
糙率计算模块：调查枯水期河道流量资料、断面尺度，并采用曼宁公式计算河段糙率；曼宁公式如下：
Figure BDA0003735544260000082
式中：n为糙率；A、R分别为河道过水断面面积、水力半径；Q为河道的流量；AR2/3和Q采用河段平均值进行计算；JP为河段水面坡降；Jw为非恒定流加速度引起坡降，
Figure BDA0003735544260000083
Figure BDA0003735544260000084
为平均流速变化量，g为重力加速度，ΔT为时间长度；
所述河段水面坡降是根据水位、潮位资料绘制水面线得到。
综合糙率获取模块：根据步骤4结果修正含植物河道的综合糙率，修正后的含植物河道的综合糙率为n+Δn。
调查中枯水时期的水文资料，故可计算得出的糙率反映的是河水未漫滩时的河道糙率，此时可以结合计算结果叠加植物额外等效糙率，得到洪季含植物河道的综合糙率。本发明的系统关注含植物影响的河道综合糙率计算的问题，该方法获得的河道综合糙率兼顾了河床断面形状及水生植被生长等因素的影响，为水文模型的建立提供了更精确的参数，为河道洪水水面线计算提供基本技术依据，从而更准确地评估河道现状条件下的防洪能力，提高河流水情预测的精确性。
以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种含植物河道的综合糙率计算方法，其特征在于，具体计算过程为：
步骤1：获取不同植物种类的高度，利用遥感影像获得不同植物种类的平均高度
Figure FDA0004172396850000011
步骤2：计算不同植物糙率对应的水面线；建立Delft3D模型，基于不同植物的阻水特征，用过水断面扣除法模拟各类植物的阻水影响；上述过水断面扣除法是指：在第i类种类植物生长的区域将数学模型断面的高度加上
Figure FDA0004172396850000012
即可计算出此时的水面线的高度值；
计算河道有植物时，糙率为n0的水面线，并将该情况记为工况1；计算河道无植物时，模拟植物存在的不同糙率ni的水面线，i表示第i种糙率工况；其中ni大于n0；
步骤3：选取河道无植物时最接近工况1的水面线；具体是对比水面线的水位值，选取河道无植物时最接近工况1的水面线，并将此种工况的糙率记为nt；
步骤4：得到此类模拟植物的河道糙率增加Δn＝nt-n0，即计算出该类植物的额外等效糙率；
步骤5：调查枯水期河道流量资料、断面尺度，并采用曼宁公式计算河段糙率；
曼宁公式如下：
Figure FDA0004172396850000013
式中：n为糙率；A、R分别为河道过水断面面积、水力半径；Q为河道的流量；AR2/3和Q采用河段平均值进行计算；JP为河段水面坡降；Jw为非恒定流加速度引起坡降，
Figure FDA0004172396850000014
Figure FDA0004172396850000015
为平均流速变化量，g为重力加速度，ΔT为时间长度；
步骤6：根据步骤4结果修正含植物河道的综合糙率，修正后的含植物河道的综合糙率为n+Δn。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，上述步骤1的具体过程为：采用遥感影像获取河道植物种类信息和生长范围，对相同种类植物随机量取5～10个样点高度，计算得出第i类植物种类的高度平均值为
Figure FDA0004172396850000016
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤5中，所述河段水面坡降是根据水位、潮位资料绘制水面线得到。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤1中，通过卫星遥感技术获取河道图像，并对获得的遥感图像信息进行预处理得到不同植物种类的图像信息。
5.一种含植物河道的综合糙率计算系统，其特征在于，包括以下模块：
不同种类植物高度获取模块：利用遥感影像获得不同植物种类的平均高度
Figure FDA0004172396850000021
不同植物糙率对应的水面线计算模块：Delft3D模型建立模块建立Delft3D模型，基于不同植物的阻水特征，用过水断面扣除法模拟各类植物的阻水影响；上述不同植物糙率对应的水面线计算模块中的过水断面扣除法是指：在第i类种类植物生长的区域将数学模型断面的高度加上
Figure FDA0004172396850000022
即可计算出此时的水面线的高度值；
计算河道有植物时，糙率为n0的水面线，并将该情况记为工况1；
计算河道无植物时，模拟植物存在的不同糙率ni的水面线，i表示第i种糙率工况；其中ni大于n0；
水面线对比模块：对比水面线的水位值，选取河道无植物时最接近工况1的水面线，并此将此种工况的糙率nt；
额外等效糙率获取模块：得到此类模拟植物的河道糙率增加Δn＝nt-n0，即计算出该类植物的额外等效糙率；
糙率计算模块：调查枯水期河道流量资料、断面尺度，并采用曼宁公式计算河段糙率；
曼宁公式如下：
Figure FDA0004172396850000023
式中：n为糙率；A、R分别为河道过水断面面积、水力半径；Q为河道的流量；AR2/3和Q采用河段平均值进行计算；JP为河段水面坡降；Jw为非恒定流加速度引起坡降，
Figure FDA0004172396850000024
Figure FDA0004172396850000025
为平均流速变化量，g为重力加速度，ΔT为时间长度；
综合糙率获取模块：根据额外等效糙率修正含植物河道的综合糙率，修正后的含植物河道的综合糙率为n+Δn。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，上述不同种类植物高度获取模块的具体过程为：采用遥感影像获取河道植物种类信息和生长范围，对相同种类植物随机量取5～10个样点高度，计算得出第i类植物种类的高度平均值为
Figure FDA0004172396850000031
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，在糙率计算模块中，所述河段水面坡降是根据水位、潮位资料绘制水面线得到。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，在不同种类植物高度获取模块中，通过卫星遥感技术获取河道图像，并对获得的遥感图像信息进行预处理得到不同植物种类的图像信息。
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