CN115982917B - 一种平原河流枯水位卡口识别方法、系统及介质 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种平原河流枯水位卡口识别方法、系统及介质，方法包括步骤1. 收集平原河流水文与河道观测资料；步骤2. 从河道纵剖面和平面形态初步筛选出初筛卡口河段；步骤3. 计算含初筛卡口河段在内的长河段枯水沿程水面线；步骤4. 识别平原河流的枯水位卡口河段。本申请可以对长距离、长历时、高强度冲刷背景下的平原河流枯水位下降趋势预测形成较好的支撑作用，进而更好地保障河流引调水、航运等基本功能。

Description

一种平原河流枯水位卡口识别方法、系统及介质

技术领域

本申请涉及水利河道输沙技术领域，尤其是一种平原河流枯水位卡口识别方法、系统及介质。

背景技术

伴随着流域上游山区性河流梯级水利枢纽的陆续开发运行，水库群拦截了天然状态下进入流域中下游泥沙，在次饱和水流的作用下，中下游平原河流河床进入长历时、长距离的冲刷状态，河床作为枯水位的重要边界条件，其冲刷下切势必会造成枯水位的下降。河床冲刷下切幅度较大，导致同流量下枯水位明显下降，但受河床冲刷发展过程沿程有差异及沿程分汇流、河道特殊形态等因素的影响，水位的沿程降幅差别较大。沿程枯水位下降的明显差异性对于科学、精准地预判其发展趋势造成了一定的困扰，而枯水位的下降有与通航、引调水工程运行等密切相关，研究枯水位卡口识别技术意义重大。

为了进一步揭示导致沿程枯水位下降明显差异的内在机理，为预判枯水位下降的变化趋势提供技术支撑，有必要在已有的大量单纯基于河床冲刷预测模拟或分析，仅仅考虑河床冲刷下切幅度对枯水位影响等研究的基础上，从河道形态特征等基本属性出发，摸清平原河流枯水位卡口的分布特征，为评估枯水位卡口对水位下降的抑制作用奠定基础。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种平原河流枯水位卡口识别方法、系统及介质，通过河道断面和地形资料的分析，掌握平原河流枯水位卡口河段的基本形态特征，建立长河段的一维水动力数学模型，计算枯水沿程水面线，基于一定范围河道枯水水面比降的骤变分析，综合河道平面和纵剖面形态，识别平原河流枯水位的控制性卡口河段，可以对长距离、长历时、高强度冲刷背景下的平原河流枯水位下降趋势预测形成较好的支撑作用，进而更好地保障河流引调水、航运等基本功能。

为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

第一方面，本申请实施例提供一种平原河流枯水位卡口识别方法，包括以下步骤：

步骤1. 收集平原河流水文与河道观测资料；

步骤2. 从河道纵剖面和平面形态初步筛选出初筛卡口河段；

步骤3. 计算含初筛卡口河段在内的长河段枯水沿程水面线；

步骤4. 识别平原河流的枯水位卡口河段。

所述步骤1中收集平原河流水文与河道观测资料具体为，收集平原河流河道的控制性水文站日均流量、水位或逐潮潮位观测资料、固定断面和地形观测资料。

所述步骤2中从河道纵剖面和平面形态初步筛选出初筛卡口河段具体为，

步骤21. 采用沿程固定断面观测资料，绘制河道沿程的深泓纵剖面图，初步筛选深泓高凸的断面，明确其沿程分布情况；

步骤22. 基于河道地形资料，统计河道的弯曲系数和分汊系数两个指标，筛选平面形态符合卡口特征的河段，其中弯曲系数

，对于单一弯曲河道，/>

代表自上游过渡段中点起沿河道中心线至最后一个过渡段中点止的曲线长度，/>

代表起点至终点的直线长度，对于分汊河段，/>

代表自上游过渡段中点起沿河道中心线至最后一个过渡段中点止的曲线长度，/>

是指自上游过渡段中点起沿主汊道中心线至最后一个过渡段中点止的曲线长度；分汊系数是指各股汊道的总长与主汊长度之比，按分汊系数/>

计算，/>

为支汊长度，/>

为主汊长度，n为支汊个数；

步骤23. 综合步骤21和步骤22，初步筛选出满足卡口河道形态特征的河段。

所述步骤3的实现方式如下，

步骤31. 建立涵盖步骤23筛选出来具有卡口特征河段在内的一维水动力数学模型，对模型进行率定和验证；

步骤32. 选用典型枯水流量，采用数学模型进行水动力条件计算，根据计算结果，绘制河道沿程水面线。

所述步骤4的实现方式如下，

步骤41. 根据沿程水面线，统计水面比降，以每3个固定断面为一组统计水面比降；

步骤42. 绘制沿程水面比降变化曲线，曲线的骤变点，即水面比降明显大于上下游河段的点，其上游河段为对枯水位具有卡口控制效应；

步骤43 结合步骤42和步骤23综合给定平原河流的枯水位卡口河段。

第二方面，本申请实施例提供一种平原河流枯水位卡口识别系统，包括，

资料收集模块，用以收集平原河流水文与河道观测资料；

卡口河段初步筛选模块，用以根据资料收集模块收集的平原河流水文与河道观测资料，从河道纵剖面和平面形态初步筛选出初筛卡口河段；

计算模块，用以计算含初筛卡口河段在内的长河段枯水沿程水面线；

枯水位卡口河段识别模块，用以识别平原河流的枯水位卡口河段。

第三方面，本申请实施例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程序代码，所述程序代码被处理器执行时，实现如上所述的平原河流枯水位卡口识别方法的步骤。

与现有技术相比，本申请的有益效果是：本申请对于已有观测资料的需求相对较小，仅需要几个典型年的沿程流量和水位或潮位观测资料，以及一个测次的地形与固定断面观测资料，在河道形态分析的基础上，基于河道本底地形是枯水位的边界条件这一基本原理，充分认识卡口河道的纵剖面和平面形态基本特征，充分利用一维河网水动力数学模型，对河道枯水水面线进行精细化的沿程插补，通过小河段的比降统计与突变分析，可以突出展示卡口对于平原河流枯水位的控制作用。识别方法的机理明确，实施过程清楚，技术手段可行。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例的一种平原河流枯水位卡口识别方法计算流程图；

图2为长江下游大通至河口河势及水文(潮位)站分布图；

图3为长江下游大通至河口河段深泓(主汊)纵剖面及高凸节点分布图；

图4为一维水动力模型典型控制站水位(潮位)率定验证计算结果图；

图5为大通10000³/s来流条件下大通至江阴段沿程水面线图；

图6为大通至江阴河段一定距离水面比降变化及骤变点分布图；

图7为本发明实施例的系统图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

术语“第一”、“第二”等仅用于将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

参照图1，本申请实施例提供一种平原河流枯水位卡口识别方法，它包括以下步骤：

步骤1，收集平原河流水文与河道观测资料，实现方式如下，

步骤11. 收集平原河流一定范围河道的控制性水文站日均流量、水位或逐潮潮位观测资料，用于一维水动力模型构建；

步骤12. 收集平原河流一定范围河道的固定断面和地形观测资料，用于河道形态分析和一维水动力模型构建。

步骤2，从河道纵剖面和平面形态初步筛选卡口河段，实现方式如下，

步骤21. 采用沿程相对均匀分布的固定断面观测资料，绘制河道沿程的深泓纵剖面图，初步筛选深泓高凸的断面，明确其沿程分布情况；

步骤22. 基于河道地形资料，统计河道的弯曲系数和分汊系数两个指标，筛选平面形态符合卡口特征的河段，其中弯曲系数

，对于单一弯曲河道，/>

代表自上游过渡段中点起沿河道中心线至最后一个过渡段中点止的曲线长度，/>

代表起点至终点的直线长度，对于分汊河段，/>

的含义不变，/>

是指自上游过渡段中点起沿主汊道中心线至最后一个过渡段中点止的曲线长度，卡口河段的弯曲系数一般接近或超过2.0；分汊系数是指各股汊道的总长与主汊长度之比，按/>

计算，/>

为支汊长度，/>

为主汊长度，n为支汊个数，卡口河段的分汊系数一般接近或超过3.0。

步骤23. 综合步骤21和步骤22，初步筛选出满足卡口河道形态特征的河段。

步骤3，计算含初筛卡口河段在内的长河段枯水沿程水面线，实现方式如下，

步骤31. 建立涵盖步骤23筛选出来具有卡口特征河段在内的一维水动力数学模型，对模型进行率定和验证；

步骤32. 选用典型枯水流量，采用数学模型进行水动力条件计算，根据计算结果，绘制河道沿程水面线。

步骤4，识别平原河流的枯水位卡口河段，实现方式如下，

步骤41. 根据沿程水面线，按照一定间距统计水面比降，一般以每3个固定断面为一组统计水面比降；

步骤42. 绘制沿程水面比降变化曲线，曲线的骤变点，即水面比降明显大于上下游河段的点，其上游河段可认为对枯水位具有卡口控制效应；

步骤43 结合步骤42和步骤23综合给定平原河流的枯水位卡口河段。

实施例的具体步骤如下：

步骤1：选取长江下游为典型的平原河流，收集长江下游大通站的逐日流量观测资料，以及沿程多个水位、潮位控制站的逐日水位或逐潮潮位观测资料，具体测站的分布如图2，收集长江下游2021年固定断面和水下地形观测资料。

步骤2：采用固定断面观测资料，绘制长江下游沿程深泓纵剖面，其中分汊河段统计主汊的深泓，筛选出深泓高凸的主要节点分布如图3，深泓高凸点主要分布在铜陵、黑沙洲、南京等河段；采用河道形态观测资料，统计典型河道的弯曲系数和分汊系数，其中铜陵河段主汊弯曲系数为1.95，黑沙洲河段主汊弯曲系数为2.66，南京河段主汊弯曲系数为1.92，满足接近或超过2.0的要求；铜陵河段的分汊系数为3.0，黑沙洲河段的分汊系数为3.2，南京河段的分汊系数为3.01，也满足接近或超过3.0的要求，因此，经河道形态初步筛选出大通以下的铜陵河段、黑沙洲河段和南京河段为枯水位卡口河段。

步骤3： 建立含上述3个初筛卡口河段在内的一维水动力数学模型，模型范围为大通到长江口，计算范围及沿程控制站的分布如图2，沿程控制站水位(潮位)的率定和验证计算结果如图4；根据大通站压咸和引调水工程安全运行等各项要求，其枯期最小流量按照10000m³/s进行控制，因此枯水位水面线计算采用的进口流量为10000m³/s，出口为相应的潮位，计算得到该流量下大通至长江口沿程水面线如图5。

步骤4：基于水面线计算结果，考虑到江阴以下主要受长江口下垫面控制，枯水位水面线沿程基本无变化，因此仅大通至江阴河段每3个断面为间隔的水面比降，绘制沿程水面比降变化及骤变点分布如图6，其中，水面比降的骤变点有两个，分别分布在铜陵和黑沙洲河段，因此对于长江下游，其枯水位控制性卡口主要为铜陵和黑沙洲弯曲分汊河段，且比降突变程度可以看出，黑沙洲河段的对枯水位的卡口控制作用更强。

如图7所示，本申请实施例提供一种平原河流枯水位卡口识别系统，包括，

资料收集模块1，用以收集平原河流水文与河道观测资料；

卡口河段初步筛选模块2，用以根据资料收集模块收集的平原河流水文与河道观测资料，从河道纵剖面和平面形态初步筛选出初筛卡口河段；

计算模块3，用以计算含初筛卡口河段在内的长河段枯水沿程水面线；

枯水位卡口河段识别模块4，用以识别平原河流的枯水位卡口河段。

本申请实施例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程序代码，所述程序代码被处理器执行时，实现如上所述的平原河流枯水位卡口识别方法的步骤。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请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，本申请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。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、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。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器 (CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。存储器是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存 (PRAM)、静态随机存取存储器 (SRAM)、动态随机存取存储器 (DRAM)、其他类型的随机存取存储器 (RAM)、只读存储器 (ROM)、电可擦除可编程只读存储器 (EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘 (DVD) 或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体 (transitory media)，如调制的数据信号和载波。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种平原河流枯水位卡口识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1. 收集平原河流水文与河道观测资料；

步骤2. 从河道纵剖面和平面形态初步筛选出初筛卡口河段；

步骤3. 计算含初筛卡口河段在内的长河段枯水沿程水面线；

步骤4. 识别平原河流的枯水位卡口河段；

所述步骤2中从河道纵剖面和平面形态初步筛选出初筛卡口河段具体为，

步骤21. 采用沿程固定断面观测资料，绘制河道沿程的深泓纵剖面图，初步筛选深泓高凸的断面，明确其沿程分布情况；

步骤22. 基于河道地形资料，统计河道的弯曲系数和分汊系数两个指标，筛选平面形态符合卡口特征的河段，其中弯曲系数

，对于单一弯曲河道，/>

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是指自上游过渡段中点起沿主汊道中心线至最后一个过渡段中点止的曲线长度；分汊系数是指各股汊道的总长与主汊长度之比，按分汊系数/>

计算，/>

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为主汊长度，n为支汊个数；

步骤23. 综合步骤21和步骤22，初步筛选出满足卡口河道形态特征的河段；

所述步骤3的实现方式如下，

步骤31. 建立涵盖步骤23筛选出来具有卡口特征河段在内的一维水动力数学模型，对模型进行率定和验证；

步骤32. 选用典型枯水流量，采用数学模型进行水动力条件计算，根据计算结果，绘制河道沿程水面线；

所述步骤4的实现方式如下，

步骤41. 根据沿程水面线，统计水面比降，以每3个固定断面为一组统计水面比降；

步骤42. 绘制沿程水面比降变化曲线，曲线的骤变点，即水面比降大于上下游河段的点，其上游河段为对枯水位具有卡口控制效应；

步骤43 结合步骤42和步骤23综合给定平原河流的枯水位卡口河段。

2.根据权利要求1所述的一种平原河流枯水位卡口识别方法，其特征在于，所述步骤1中收集平原河流水文与河道观测资料具体为，收集平原河流河道的控制性水文站日均流量、水位或逐潮潮位观测资料、固定断面和地形观测资料。

3.一种平原河流枯水位卡口识别系统，用以实现如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，包括，

资料收集模块，用以收集平原河流水文与河道观测资料；

卡口河段初步筛选模块，用以根据资料收集模块收集的平原河流水文与河道观测资料，从河道纵剖面和平面形态初步筛选出初筛卡口河段；

计算模块，用以计算含初筛卡口河段在内的长河段枯水沿程水面线；

枯水位卡口河段识别模块，用以识别平原河流的枯水位卡口河段。

4.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有程序代码，所述程序代码被处理器执行时，实现如权利要求1-2任一所述的平原河流枯水位卡口识别方法的步骤。

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