CN116821609A - 支流入汇顶托作用转换点识别与强度分区方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种支流入汇顶托作用转换点识别与强度分区方法及系统，方法包括步骤1.收集交汇河段干支流的流量与水位观测资料；步骤2.计算入汇支流的逐日平均流量汇流比和入汇口上游、下游干流河道的水面比降；步骤3.识别入汇支流对干流产生顶托作用的转换点，明确转换点对应的汇流比取值；步骤4.划分入汇支流对干流顶托作用的不同强度区，明确强顶托作用的发生时间。本申请建立汇流比与干流上下游河道水面比降及比降差的相关关系，识别顶托作用点，实现顶托作用强度的分区，确定顶托作用时期，可以对干支流交汇河段水动力条件分析与数值模拟及防洪安全保障等提供较好的支撑作用。

Description

支流入汇顶托作用转换点识别与强度分区方法及系统
技术领域
本申请涉及水利河道输沙技术领域，尤其是一种支流入汇顶托作用转换点识别与强度分区方法及系统。
背景技术
近年来，受全球气候变化和水利工程联合运行调度等的综合影响，江河流域频繁遭遇极端的水文情势，对于水系发达的地区，干支流交汇形成网状水系是极为常见的现象，交汇口附近，干支流的来流相对强弱在年内、年际都会发生变化，支流在一定时期会对干流形成不同强度的顶托作用，壅高入汇口上游干流河道的水位，且一旦形成较恶劣的洪水遭遇，会促使干流河道水位超标，加大干流河道的防洪压力。因此，深入解析干支流交汇河段支流对干流顶托作用的强度变化，掌握支流对干流河道形成顶托作用的转换点，认识顶托作用不同强度的分区，对于干支流交汇河段水动力条件分析与数值模拟具有指导意义，同时也可以为河道防洪安全保障提供技术支撑。
为了进一步揭示干支流不同时期交汇口附近一定范围内干流河道水动力条件的变化机理，为预报入汇口上游河道洪水位上涨趋势提供技术支撑，有必要在已有的干支流相对孤立单一的流量、水位等观测数据的基础上，从入汇支流会对干流河道形成不同程度顶托作用的基本属性出发，识别支流来流开始对干流发挥顶托作用与的转换点，并对顶托强度进行分区，为保障干支流河道防洪安全提供技术支撑。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一支流入汇顶托作用转换点识别与强度分区方法及系统，基于干支流流量、水位、比降等水动力特征参数的分析与计算，通过选取典型的洪水年，分析计算支流入汇的流量汇流比，表征汇流强度，计算入汇口上下游干流河道的水面比降，对比上下游河道水面比降的差，表征顶托作用强度，建立汇流比与干流上下游河道水面比降及比降差的相关关系，识别顶托作用点，实现顶托作用强度的分区，确定强顶托作用的时间，为干、支流交汇河段水动力条件分析与数值模拟提供技术支撑，进而更好地保障干、支流河道的防洪安全。
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支流入汇顶托作用转换点识别与强度分区方法，包括以下步骤：
步骤1. 收集交汇河段干支流的流量与水位观测资料；
步骤2. 计算入汇支流的逐日平均流量汇流比和入汇口上游、下游干流河道的水面比降；
步骤3. 识别入汇支流对干流产生顶托作用的转换点，明确转换点对应的汇流比取值；
步骤4. 划分入汇支流对干流顶托作用的不同强度区，明确强顶托作用的发生时间。
所述步骤1的实现方式如下，
步骤11. 收集交汇河段干流、支流的流量与水位观测资料，且干流为距离汇口最近的上游、下游水文或水位站观测资料，支流为出流水文控制站；
步骤12. 根据多年水文观测资料，选取支流来流相对较大的典型洪水年，典型洪水年的实测最大流量超出多年平均实测最大流量的50%以上。
所述步骤2的实现方式如下，
步骤21. 根据步骤12所选取的典型洪水年，采用日均流量资料，按照式计算支流入汇干流的逐日平均汇流比，式中，/>为汇流比，无量纲；/>和/>分别是支流、干流也就是汇口上游同一天的日均流量，单位为/>；
步骤22. 根据步骤12所选取的典型洪水年，采用日均水位观测资料，按照式和式/>，分别计算汇口上游和下游干流河道的水面比降，式中，/>和/>分别为水面比降值，单位为/>，/>、/>和/>分别为汇口上游干流、汇口、汇口下游干流水文或水位站的日均水位，单位为 m ，/>、/>分别为汇口上游干流和下游干流距汇口的距离，单位为km；
步骤23. 统计汇流比和汇口上游、下游水面比降/>、/>的月均值，分析其年内变化特征，了解支流对干流产生顶托作用的主要时期。
所述步骤3的实现方式如下，
步骤31. 分别建立汇流比与汇口上游、下游河道水面比降/>、/>的相关关系，拟合相关关系曲线1和曲线2，/>不受汇流比变化的影响，/>随着汇流比的增大而减小；
步骤32.根据步骤31得到的2条拟合关系曲线，两条曲线相交，在交点的左侧，汇口上游水面比降整体大于下游，表明顶托作用弱或无顶托，在交点的右侧，汇口上游水面比降逐渐减小，而汇口下游水面比降变化小，表明入汇支流对干流产生顶托作用，确定曲线1与曲线2的交点为支流对干流产生顶托作用的转换点；
步骤33. 查找步骤32中转换点对应的横坐标值，即为产生顶托作用的汇流比取值。
所述步骤4的实现方式如下，
步骤41. 计算汇口上游干流河道水面比降与汇口下游河道水面比降/>的差值，建立其差值与汇流比的相关关系；
步骤42. 当，表明支流对干流无顶托作用或作用较弱，对应的区域为无顶托作用区；
步骤43. 当，表明支流开始对干流发挥顶托作用，依据/>值的变化速率进行分区，曲线斜率大的区域/>值快速增大，说明支流对干流的顶托作用在增强，划分为顶托作用增强区，当/>值增大到一定幅度时，曲线斜率出现转折，/>值增大的速度明显减慢，表明随汇流比的继续增大，支流对干流的顶托作用变化小，顶托作用达到最强状态，对应区域划分为强顶托区；
步骤44. 依据步骤43强顶托区的汇流比取值，结合步骤23，明确支流对干流强顶托作用的发生时间。
第二方面，本申请实施例提供一种支流入汇顶托作用转换点识别与强度分区系统，包括，
资料收集模块，用以收集交汇河段干支流的流量与水位观测资料；
计算模块，用以计算入汇支流的逐日平均流量汇流比和入汇口上游、下游干流河道的水面比降；
识别模块，识别入汇支流对干流产生顶托作用的转换点，明确转换点对应的汇流比取值；
强度分区模块，划分入汇支流对干流顶托作用的不同强度区，明确强顶托作用的发生时间。
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，实现如上所述的支流入汇顶托作用转换点识别与强度分区方法的步骤。
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，仅需要几个控制站的流量和水位观测资料，基于平原河流沿程水面比降变化的天然属性，通过选取典型的洪水年，分析计算支流入汇的流量汇流比，表征汇流强度，计算入汇口上下游干流河道的水面比降，对比上下游河道水面比降的差，表征顶托作用强度，建立汇流比与干流上下游河道水面比降及比降差的相关关系，识别顶托作用点，实现顶托作用强度的分区，确定强顶托作用的时间。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支流入汇顶托作用转换点识别与强度分区方法计算流程图；
图2为某某江中游某利至某山（含某某湖入江水道）水文站点分布概化图；
图3为2017年某某湖入汇某某江干流月均汇流比变化图；
图4为2017年某某洲至某某塘和某某塘至某山月均水面比降变化图；
图5为2017年某某湖入汇汇流比与汇口上下游干流河道水面比降相关关系图；
图6为2017年某某湖入汇汇流比与汇口上下游干流河道水面比降差相关关系图；
图7为本申请的系统框图。
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支流入汇顶托作用转换点识别与强度分区方法，它包括以下步骤：
步骤1，收集交汇河段干支流的流量与水位观测资料，选取典型洪水年，实现方式如下，
步骤11. 收集交汇河段干流、支流的流量与水位观测资料，且干流为距离汇口最近的上游、下游水文或水位站观测资料，支流为出流水文控制站；
步骤12. 根据多年水文观测资料，选取支流来流相对较大的典型洪水年，一般要求典型年的实测最大流量超出多年平均实测最大流量的50%以上。
步骤2，计算入汇支流的逐日平均流量汇流比和入汇口上游、下游干流河道的水面比降，初步了解年内支流对干流形成顶托作用的主要时期，实现方式如下，
步骤21. 根据步骤12所选取的典型洪水年，采用日均流量资料，按照式计算支流入汇干流的逐日平均汇流比。式中，/>为汇流比，无量纲；/>和/>分别是支流、干流（汇口上游）同一天的日均流量，单位为/>；
步骤22. 根据步骤12所选取的典型洪水年，采用日均水位观测资料，按照式和式/>，分别计算汇口上游和下游干流河道的水面比降，式中，/>和/>分别为水面比降值，单位为/>，/>、/>和/>分别为汇口上游干流、汇口、汇口下游干流水文或水位站的日均水位，单位为 m ，/>、/>分别为汇口上游干流和下游干流距汇口的距离，单位为km；
步骤23. 统计汇流比和汇口上、下游水面比降/>、/>月均值，分析其年内变化特征，了解支流对干流产生顶托作用的主要时期，其特征在于汇流比较大，汇口上游的水面比降较小。
步骤3，识别入汇支流对干流产生顶托作用的转换点，明确转换点对应的汇流比取值，实现方式如下，
步骤31. 分别建立汇流比与汇口上游、下游河道水面比降/>、/>的相关关系，拟合相关关系曲线1和曲线2，一般地，/>基本不受汇流比变化的影响，/>随着汇流比的增大而减小；
步骤32. 当入汇支流顶托作用较弱或不发生顶托作用时，平原河流具有上游河道水面比降整体大于下游河道的属性，根据步骤31得到的2条拟合关系曲线，两条曲线相交，在交点的左侧，汇口上游水面比降整体大于下游，表明顶托作用较弱或基本无顶托，在交点的右侧，汇口上游水面比降逐渐减小，而汇口下游水面比降变化较小，表明入汇支流对干流产生顶托作用，确定曲线1与曲线2的交点为支流对干流产生顶托作用的转换点；
步骤33. 查找步骤32中转换点对应的横坐标值，即为产生顶托作用的汇流比取值。
步骤4，划分入汇支流对干流顶托作用的不同强度区，确定强顶托作用的发生时间，实现方式如下，
步骤41. 计算汇口上游干流河道水面比降与汇口下游河道水面比降/>的差值，建立其差值与汇流比的相关关系；
步骤42. 当，表明支流对干流无顶托作用或作用较弱，对应的区域为无顶托作用区；
步骤43. 当，表明支流开始对干流发挥顶托作用，依据/>值的变化速率进行分区，曲线斜率大的区域/>值快速增大，说明支流对干流的顶托作用在增强，划分为顶托作用增强区，当/>值增大到一定幅度时，曲线斜率出现转折，/>值增大的速度明显减慢，表明随汇流比的继续增大，支流对干流的顶托作用变化小，顶托作用达到最强状态，对应区域划分为强顶托区；
步骤44. 依据步骤43强顶托区的汇流比取值，结合步骤23，明确支流对干流强顶托作用的发生时间。
实施例的具体步骤如下：
步骤1：选取某某江中游某利至某山（含某某湖入江水道）作为干支流交汇河段，该段某某湖入汇的径流由某某山水文站控制，汇口附近干流河道的水位由某某塘水位站控制，汇口上游干流河道的来流和水位分别由某利水文站和某某洲水位站控制，汇口下游的水位由某山水文站控制，各水文、水位站点的位置关系示意如图2；收集某某矶站1955-2022年的年最大实测流量资料，统计多年实测最大流量平均值为27300，根据典型年的实测最大流量超出多年平均实测最大流量的50%以上，选择2017年作为某某湖顶托作用典型洪水年，该年度某某山实测最大流量为49400/>，超出多年均值的80%，满足要求。
步骤2：采用2017年某利、某某山日均流量观测资料，计算某某湖入汇某某江干流的汇流比，统计汇流比月均值，绘制其年内变化如图3；采用2017年某某洲、某某塘和某山站的日均水位资料，计算汇口上游某某洲至某某塘段和汇口下游某某塘至某山段水面比降，统计水面比降月均值，绘制其年内变化如图4，根据图3和图4，依据一般顶托作用期，汇流比较大且汇口上游比降较小的规律，初步确定出某某湖对某某江干流形成顶托作用的时期为年内的3～7月份。
步骤3：建立2017年某某湖入汇汇流比与汇口上、下游干流河道水面比降的相关关系如图5，根据汇口上、下游干流河道水面比降曲线1和曲线2的交点，确定某某湖对干流从无顶托作用到有顶托作用的转换点，转换点左侧某某湖对干流基本无顶托作用，右侧有顶托作用，转换点对应某某湖入汇汇流比的取值为0.65，月均汇流比大于0.65的时期主要为3～7月，与步骤2的结果基本一致。
步骤4：建立2017年某某湖入汇汇流比与汇口上、下游干流河道水面比降差的相关关系如图6，比降差值的区域，某某湖对某某江干流基本无顶托作用，对应汇流比小于0.65；比降差值/>的区域，比降差增大速率快，增长曲线的斜率为0.0171，为某某湖对某某江干流顶托作用增强区，汇流比由0.65增大至1.75；比降差值的区域，比降差增大速率明显减慢，增长曲线的斜率减小至0.0024，为某某湖对某某江干流的强顶托区，对应汇流比的取值大于1.75。根据汇流比的值，查找出现时间，2017年某某湖对某某江干流的强顶托作用发生在7月1日至9日。
如图7所示，本申请实施例提供一种支流入汇顶托作用转换点识别与强度分区系统，包括，
资料收集模块1，用以收集交汇河段干支流的流量与水位观测资料；
计算模块2，用以计算入汇支流的逐日平均流量汇流比和入汇口上游、下游干流河道的水面比降；
识别模块3，识别入汇支流对干流产生顶托作用的转换点，明确转换点对应的汇流比取值；
强度分区模块4，划分入汇支流对干流顶托作用的不同强度区，明确强顶托作用的发生时间。
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，实现如上所述的支流入汇顶托作用转换点识别与强度分区方法的步骤。
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 (5)

1.一种支流入汇顶托作用转换点识别与强度分区方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1. 收集交汇河段干支流的流量与水位观测资料；
步骤2. 计算入汇支流的逐日平均流量汇流比和入汇口上游、下游干流河道的水面比降；
步骤3. 识别入汇支流对干流产生顶托作用的转换点，明确转换点对应的汇流比取值；
步骤4. 划分入汇支流对干流顶托作用的不同强度区，明确强顶托作用的发生时间；
所述步骤1的实现方式如下，
步骤11. 收集交汇河段干流、支流的流量与水位观测资料，且干流为距离汇口最近的上游、下游水文或水位站观测资料，支流为出流水文控制站；
步骤12. 根据多年水文观测资料，选取支流来流相对较大的典型洪水年，典型洪水年的实测最大流量超出多年平均实测最大流量的50%以上；
所述步骤2的实现方式如下，
步骤21. 根据步骤12所选取的典型洪水年，采用日均流量资料，按照式计算支流入汇干流的逐日平均汇流比，式中，/>为汇流比，无量纲；/>和/>分别是支流、干流也就是汇口上游同一天的日均流量，单位为/>；
步骤22. 根据步骤12所选取的典型洪水年，采用日均水位观测资料，按照式和式/>，分别计算汇口上游和下游干流河道的水面比降，式中，/>和/>分别为水面比降值，单位为/>，/>、/>和/>分别为汇口上游干流、汇口、汇口下游干流水文或水位站的日均水位，单位为 m ，/>、/>分别为汇口上游干流和下游干流距汇口的距离，单位为km；
步骤23. 统计汇流比和汇口上游、下游水面比降/>、/>的月均值，分析其年内变化特征，了解支流对干流产生顶托作用的主要时期。
2.根据权利要求1所述的一种支流入汇顶托作用转换点识别与强度分区方法，其特征在于，所述步骤3的实现方式如下，
步骤31. 分别建立汇流比与汇口上游、下游河道水面比降/>、/>的相关关系，拟合相关关系曲线1和曲线2，/>不受汇流比变化的影响，/>随着汇流比的增大而减小；
步骤32.根据步骤31得到的2条拟合关系曲线，两条曲线相交，在交点的左侧，汇口上游水面比降整体大于下游，表明顶托作用弱或无顶托，在交点的右侧，汇口上游水面比降逐渐减小，而汇口下游水面比降变化小，表明入汇支流对干流产生顶托作用，确定曲线1与曲线2的交点为支流对干流产生顶托作用的转换点；
步骤33. 查找步骤32中转换点对应的横坐标值，即为产生顶托作用的汇流比取值。
3.根据权利要求2所述的一种支流入汇顶托作用转换点识别与强度分区方法，其特征在于，所述步骤4的实现方式如下，
步骤41. 计算汇口上游干流河道水面比降与汇口下游河道水面比降/>的差值/>，建立其差值与汇流比的相关关系；
步骤42. 当，表明支流对干流无顶托作用或作用较弱，对应的区域为无顶托作用区；
步骤43. 当，表明支流开始对干流发挥顶托作用，依据/>值的变化速率进行分区，曲线斜率大的区域/>值快速增大，说明支流对干流的顶托作用在增强，划分为顶托作用增强区，当/>值增大到一定幅度时，曲线斜率出现转折，/>值增大的速度明显减慢，表明随汇流比的继续增大，支流对干流的顶托作用变化小，顶托作用达到最强状态，对应区域划分为强顶托区；
步骤44. 依据步骤43强顶托区的汇流比取值，结合步骤23，明确支流对干流强顶托作用的发生时间。
4.一种支流入汇顶托作用转换点识别与强度分区系统，其特征在于，包括，
资料收集模块，用以收集交汇河段干支流的流量与水位观测资料；
计算模块，用以计算入汇支流的逐日平均流量汇流比和入汇口上游、下游干流河道的水面比降；
识别模块，识别入汇支流对干流产生顶托作用的转换点，明确转换点对应的汇流比取值；
强度分区模块，划分入汇支流对干流顶托作用的不同强度区，明确强顶托作用的发生时间。
5.一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1-3任一所述的支流入汇顶托作用转换点识别与强度分区方法的步骤。
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