CN117808215A - 水库群下游河道河床极限冲刷状态的判别方法及系统 - Google Patents

水库群下游河道河床极限冲刷状态的判别方法及系统 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种水库群下游河道河床极限冲刷状态的判别方法及系统，方法包括以下步骤：步骤1.收集水库群下游河道流量与断面原型观测资料；步骤2.建立控制断面流量与挟沙力指标的相关关系；步骤3.计算造床流量对应挟沙力指标特征值的变化；步骤4.判别并校核水库群下游河道河床的极限冲刷状态。本申请贴合评估水库群蓄水拦沙作用下坝下游河道河床普遍长期冲刷的实际情况，根据其历年、5年滑动均值及包含强造床作用水文周期的多年平均值变化规律，判别河道河床极限冲刷状态，并与基于断面变化的初筛结果相互校核印证，为掌握水库群坝下游河道河床冲刷发展过程和冲刷趋势预测等提供技术支撑。

Description

水库群下游河道河床极限冲刷状态的判别方法及系统
技术领域
本申请涉及水力学及河流动力学技术领域，特别涉及一种水库群下游河道河床极限冲刷状态的判别方法及系统。
背景技术
水库群建设运行后，层层拦截流域的泥沙，同时改变天然的径流过程，中水持续时间大幅延长，导致下游河道长期处于清水冲刷的状态，河床不断冲刷下切，两岸崩塌，洲滩冲失，中低水位大幅下降，给河道功能造成了一定的不利影响。因而，水库群下游河道的冲刷发展过程及极限状态的预测显得尤为重要。以往关于河床冲刷的极限状态从河床粗化、比降调平等角度进行了一些研究，但床沙粗化和河床比降相对难以获得较丰富的观测数据，且极限状态的床沙粗化程度尚没有严格的标准，导致河床冲刷的极限状态预测与实际存在较大的偏差，不足以支撑水库群下游河道的中长期保护与治理规划。
为合理、简便地评价水库群下游河道所处的冲刷状态，判别河道是否出现或进入河床冲刷极限状态，有必要认清泥沙长期处于非饱和状态的前提，改变以河床被动调整的形态变化等衡量标准，转而从主动塑造河床形态的水动力条件出发，依据河床冲刷过程中的水动力强度变化，判别河床是否进入冲刷极限状态，进而为水库群下游河道的中长期保护与治理提供更充分的依据与支撑。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供水库群下游河道河床极限冲刷状态的判别方法及系统，可应用于评估水库群下游河道的河床冲刷强度、范围与发展过程等，为水库群下游河道的保护、规划和治理提供基础依据与技术支撑。
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水库群下游河道河床极限冲刷状态的判别方法，包括以下步骤：
步骤1. 收集水库群下游河道流量与断面原型观测资料；
步骤2. 建立控制断面流量与挟沙力指标的相关关系；
步骤3. 计算造床流量对应挟沙力指标特征值的变化；
步骤4. 判别并校核水库群下游河道河床的极限冲刷状态。
所述步骤1的实现方式如下，
步骤11. 收集水库群下游河道控制性水文站实测流量、断面资料，整理实测流速、水深资料；
步骤12. 套绘控制性水文站断面变化图，计算平滩水位下的过水面积和河床平均高程，绘制其随时间变化过程线，初步分析断面冲刷状态和接近稳定的时间。
所述步骤2的实现方式如下，
步骤21. 计算控制性水文站断面挟沙力指标，建立断面流量与挟沙力指标的相关关系，绘制相关关系曲线/>，/>为断面平均流速，单位m/s，/>为断面平均水深，单位为m，/>为断面流量，单位为m3/s；
步骤22. 采用玛卡维耶夫法，绘制水文控制站的曲线图，其中/>为输沙系数，/>为河床比降，/>为流量频率，均为无量纲参数，/>综合表征水流输沙能力，计算水库群蓄水运用后，坝下游河段的造床流量；
步骤23. 对照曲线，查找逐年控制站造床流量对应的挟沙力指标值。
所述步骤3的实现方式如下，
步骤31. 根据造床流量持续时间，选择长度为10年的强造床作用发生的时段，计算对应的造床流量挟沙力指标的时段平均值；
步骤32. 根据河床冲淤调整的滞后响应原理，进一步计算造床流量的挟沙力指标5年滑动平均值；
步骤33. 绘制控制站造床流量对应挟沙力指标的逐年值、5年滑动平均值和强冲刷时段平均值曲线。
所述步骤4的实现方式如下，
步骤41. 分析步骤33所得到的曲线，若出现造床流量对应挟沙力指标逐年值、5年滑动均值和强冲刷时段均值开始重合的点，则表明自该时间点开始，控制站所在河段河床进入冲刷极限状态，若曲线中未出现三者重合的点，则表明控制站所在河段冲刷将继续发展，尚未进入冲刷极限状态；
步骤42. 对比步骤12和步骤41，若两者得到的时间接近，则进一步表明河床冲刷达到极限状态；
步骤43. 给出水库群下游河道达到极限冲刷状态的历时。
第二方面，本申请实施例提供一种水库下游河道造床流量的计算系统，包括，
资料收集模块，用以收集水库群下游河道流量与断面原型观测资料；
相关关系建立模块，用以建立控制断面流量与挟沙力指标的相关关系；
计算模块，用以计算造床流量对应挟沙力指标特征值的变化；
判别模块，用以判别并校核水库群下游河道河床的极限冲刷状态。
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，实现如上所述的一种水库群下游河道河床极限冲刷状态的判别方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本申请贴合评估水库群蓄水拦沙作用下坝下游河道河床普遍长期冲刷的实际情况，通过集成水库群下游河道流量与断面的原型观测资料，套绘河道典型断面冲淤及过水面积、河床平均高程的变化，初步确定河床冲刷极限状态与出现时期，计算河道的造床流量与控制断面的挟沙力指标，基于造床流量持续时间筛选强造床作用的水文过程，建立断面流量与挟沙力指标的相关关系，提取造床流量对应的挟沙力指标值，根据其历年、5年滑动均值及包含强造床作用水文周期的多年平均值变化规律，判别河道河床极限冲刷状态，并与基于断面变化初筛结果相互校核印证，为掌握水库群坝下游河道河床冲刷发展过程和冲刷趋势预测等提供技术支撑。计算数据依据充分，方法机理明确，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水库群下游河道河床极限冲刷状态的判别方法计算流程图；
图2为某水库群下游控制性水文站横断面套绘图；
图3为某水库群下游控制性水文站横断面平滩水位下过水面积及河床平均高程随时间变化图；
图4为某水库群下游控制性水文站实测曲线图；
图5为某水库群下游控制性水文站的曲线图；
图6为某水库下游控制水文站造床流量对应挟沙力指标的逐年值、5年滑动平均值和强冲刷时段平均值曲线图；
图7为本申请实施例的系统框图。
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。
请参阅附图1，本发明揭示了一种水库群下游河道河床极限冲刷状态的判别方法，它包括以下步骤：
步骤1，收集水库群下游河道流量与断面原型观测资料，实现方式如下，
步骤11. 收集水库群下游河道控制性水文站实测流量、断面资料，整理实测流速、水深资料；
步骤12. 套绘控制性水文站断面变化图，计算平滩水位下的过水面积和河床平均高程，绘制其随时间变化过程线，初步分析断面冲刷状态和接近稳定的时间。
步骤2，建立控制断面流量与挟沙力指标的相关关系，实现方式如下，
步骤21. 计算控制性水文站断面挟沙力指标，建立断面流量与挟沙力指标的相关关系，绘制相关关系曲线/>，/>为断面平均流速，单位m/s，/>为断面平均水深，单位为m，/>为断面流量，单位为m3/s；
步骤22. 采用玛卡维耶夫法，绘制水文控制站的曲线图，其中/>为输沙系数，/>为河床比降，/>为流量频率，均为无量纲参数，/>综合表征水流输沙能力，计算水库群蓄水运用后，坝下游河段的造床流量；
步骤23. 对照曲线，查找逐年控制站造床流量对应的挟沙力指标值。
步骤3，计算造床流量对应挟沙力指标特征值的变化，实现方式如下，
步骤31. 根据造床流量持续时间，选择长度为10年的强造床作用发生的时段，计算对应的造床流量挟沙力指标的时段平均值；
步骤32. 根据河床冲淤调整的滞后响应原理，进一步计算造床流量的挟沙力指标5年滑动平均值；
步骤33. 绘制控制站造床流量对应挟沙力指标的逐年值、5年滑动平均值和强冲刷时段平均值曲线。
步骤4，判别并校核水库群下游河道河床的极限冲刷状态，实现方式如下，
步骤41. 分析步骤33所得到的曲线，若出现造床流量对应挟沙力指标逐年值、5年滑动均值和强冲刷时段均值开始重合的点，则表明自该时间点开始，控制站所在河段河床进入冲刷极限状态，若曲线中未出现三者重合的点，则表明控制站所在河段冲刷将继续发展，尚未进入冲刷极限状态；
步骤42. 对比步骤12和步骤41，若两者得到的时间接近，则进一步表明河床冲刷达到极限状态；
步骤43. 给出水库群下游河道达到极限冲刷状态的历时。
实施例的具体步骤如下：
步骤1：收集某流域水库群下游150km范围内2个控制性水文站点的实测流量、日均流量、河道比降、大断面等2002-2022年长约20年的观测数据，套绘2个控制性水文站断面变化如图2，计算平滩水位下的过水面积和河床平均高程，绘制其随时间变化的过程线如图3，初步分析断面冲刷状态和接近稳定的时间，其中ZC水文站的大断面在2016-2022年间形态保持稳定，平滩水位下的断面过水面积和河床平均高程的变化速度都在2014年之后明显趋缓，初步判断ZC水文站所在河段自2014年开始进入河床冲刷极限状态；SS水文站的变化与ZC水文站不同，2002-2022年间，断面始终处于冲刷调整的状态，平滩水位下的断面过水面积和河床平均高程的变化速度呈现先增后减再增大的变化过程，初步判断SS水文站所在河段尚未进入河床极限冲刷状态。
步骤2：基于2003-2022年的流量实测资料，计算ZC水文站和SS水文站的断面挟沙力指标，绘制挟沙力指标/>随来流Q的变化曲线如图4。采用控制站日均流量、水面比降等数据，基于马卡维耶夫法，计算并绘制水库群运用后2003-2022年ZC与SS控制站曲线如图5，查找相应的造床流量分别为28000m3/s和23000m3/s，对应图4的相关关系，查找逐年两个控制站造床流量对应的挟沙力指标值。
步骤3：统计ZC与SS控制站逐年年内来流流量超过造床流量的持续时间，计算持续时间的10年滑动均值，筛选出造床流量持续时间较长、造床作用较强的10年水文序列为2013-2022年；计算2013-2022年造床流量挟沙力指标的时段平均值；根据河床冲淤调整的滞后响应原理，进一步计算造床流量的挟沙力指标5年滑动平均值，绘制造床流量对应的挟沙力指标逐年值、5年滑动均值和造床作用较强的10年平均值如图6。
步骤4：分析曲线图6，ZC水文站自2014年开始出现造床流量对应挟沙力指标逐年值、5年滑动均值和强冲刷时段均值开始重合的点，则表明自该时间点开始，控制站所在河段河床进入冲刷极限状态；而SS水文站的挟沙力指标变化特征曲线中尚未出现三者重合的点，表明控制站所在河段冲刷将继续发展，尚未进入冲刷极限状态；对比步骤1和步骤4，两者得到的关于ZC水文站冲刷至极限状态的时间均为2014年，进一步表明该站所在河段的河床冲刷达到极限状态，河床达到极限冲刷状态的历时为11年；SS水文站所在河段河床尚未冲刷达到极限状态，冲刷将继续发展。
如图7，本申请实施例提供一种水库群下游河道河床极限冲刷状态的判别系统，包括，
资料收集模块1，用以收集水库群下游河道流量与断面原型观测资料；
相关关系建立模块2，用以建立控制断面流量与挟沙力指标的相关关系；
计算模块3，用以计算造床流量对应挟沙力指标特征值的变化；
判别模块4，用以判别并校核水库群下游河道河床的极限冲刷状态。
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，实现如上所述的一种水库群下游河道河床极限冲刷状态的判别方法的步骤。
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 (7)

1.一种水库群下游河道河床极限冲刷状态的判别方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1. 收集水库群下游河道流量与断面原型观测资料；
步骤2. 建立控制断面流量与挟沙力指标的相关关系；
步骤3. 计算造床流量对应挟沙力指标特征值的变化；
步骤4. 判别并校核水库群下游河道河床的极限冲刷状态。
2.根据权利要求1所述的一种水库群下游河道河床极限冲刷状态的判别方法，其特征在于，所述步骤1的实现方式如下，
步骤11. 收集水库群下游河道控制性水文站实测流量、断面资料，整理实测流速、水深资料；
步骤12. 套绘控制性水文站断面变化图，计算平滩水位下的过水面积和河床平均高程，绘制其随时间变化过程线，初步分析断面冲刷状态和接近稳定的时间。
3.根据权利要求2所述的一种水库群下游河道河床极限冲刷状态的判别方法，其特征在于，所述步骤2的实现方式如下，
步骤21. 计算控制性水文站断面挟沙力指标，建立断面流量与挟沙力指标的相关关系，绘制相关关系曲线/>，/>为断面平均流速，单位m/s，/>为断面平均水深，单位为m，/>为断面流量，单位为m3/s；
步骤22. 采用玛卡维耶夫法，绘制水文控制站的曲线图，其中/>为输沙系数，/>为河床比降，/>为流量频率，均为无量纲参数，/>综合表征水流输沙能力，计算水库群蓄水运用后，坝下游河段的造床流量；
步骤23. 对照曲线，查找逐年控制站造床流量对应的挟沙力指标值。
4.根据权利要求3所述的一种水库群下游河道河床极限冲刷状态的判别方法，其特征在于，所述步骤3的实现方式如下，
步骤31. 根据造床流量持续时间，选择长度为10年的强造床作用发生的时段，计算对应的造床流量挟沙力指标的时段平均值；
步骤32. 根据河床冲淤调整的滞后响应原理，进一步计算造床流量的挟沙力指标5年滑动平均值；
步骤33. 绘制控制站造床流量对应挟沙力指标的逐年值、5年滑动平均值和强冲刷时段平均值曲线。
5.根据权利要求4所述的一种水库群下游河道河床极限冲刷状态的判别方法，其特征在于，所述步骤4的实现方式如下，
步骤41. 分析步骤33所得到的曲线，若出现造床流量对应挟沙力指标逐年值、5年滑动均值和强冲刷时段均值开始重合的点，则表明自该时间点开始，控制站所在河段河床进入冲刷极限状态，若曲线中未出现三者重合的点，则表明控制站所在河段冲刷将继续发展，尚未进入冲刷极限状态；
步骤42. 对比步骤12和步骤41，若两者得到的时间接近，则进一步表明河床冲刷达到极限状态；
步骤43. 给出水库群下游河道达到极限冲刷状态的历时。
6.一种水库群下游河道河床极限冲刷状态的判别系统，其特征在于，包括，
资料收集模块，用以收集水库群下游河道流量与断面原型观测资料；
相关关系建立模块，用以建立控制断面流量与挟沙力指标的相关关系；
计算模块，用以计算造床流量对应挟沙力指标特征值的变化；
判别模块，用以判别并校核水库群下游河道河床的极限冲刷状态。
7.一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至5任一项所述的一种水库群下游河道河床极限冲刷状态的判别方法的步骤。
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