一种感潮河段造床流量的计算方法与流程

本发明涉及一种感潮河段造床流量的计算方法，属于治河与航道工程领域。

背景技术：

目前，有关感潮河段造床流量的相关研究成果相对较少。对于造床流量的计算一般有平滩水位法、输沙率法、水沙综合频率法等，其中输沙率法又分为马卡维耶夫法、地貌功法与有效流量法^[1]。对于单一径流河段，董冠营和赵文宾^[2]、虞邦义等^[3]分别利用马卡维耶夫法对淮河盱眙河段及中游造床流量进行了计算，认为计算结果能反应研究河段较为平均的水流与河床特征。楚万强等^[4]对长江重庆河段分别利用马卡维耶夫法与频率分析法计算得出了较为接近的结果。闫金波等^[5]对三峡坝下沿程造床流量与水流挟沙力的变化规律进行分析，研究了河床的演变趋势。冯红武^[6]通过对丹江口近坝径流调节段造床流量计算进行分析，认为马卡维耶夫法与有效径流法均为可取方法。伍悦滨等^[1]对马卡维耶夫法在松花江中下游造床流量分析的应用做了可行性分析，认为马卡维耶夫法不适用于松花江下游。对于感潮河段，吴道文等^[7]通过长江澄通河段实测资料，计算了造床流量，得出长江下游造床流量沿程增加的结论。韩曾萃等^[8]通过对钱塘江等潮汐河口各种频率的涨、落潮输沙大小进行了对比计算，得出包括年平均径流的年平均落潮流量的造床作用最大的结论。上述研究中，大多采用比降作为参数，对于单一径流河流比降确定较为容易，但在感潮河段，受潮汐作用，水流为非恒定流，比降的变化十分大，正负比降都会出现，因此比降的确定十分困难，使得现有计算造床流量的方法不适用于感潮河段。同时由于感潮河段受到径流潮流的双重作用，如何考虑径流与潮流的随时间空间变化是确定感潮河段造床流量的关键，目前计算造床流量的方法很少有考虑这些问题，也使得对于感潮河段的造床流量计算缺乏内在理论依据支持。

造床流量是河道治理和航道整治工程规划和设计的重要参考指标之一，历来为人们所关注。感潮河段是海运与内河航运的过渡段，沿程各港口承担着河流中上游货物与海运货中转站的重任，特别是在船舶的大型化发展以及向远洋大型集装箱船舶的发展趋势下，对于感潮河段航道的要求越来越高，对感潮河段进行航道整治成为推进国民经济和社会发展的重要战略。作为航道整治的重要参数，采用合理方法确定感潮河段造床流量是非常必要的。

以下给出检索的相关文献：

[1]冯红武.近坝径流调节河段造床流量确定方法研究[J].中国水运(下半月),2011,第11卷(第1期)

[2]董冠营,赵文宾.淮河盱眙段河道造床流量的计算[J].中国水运(下半月),2014,(第8期):164-165

[3]虞邦义,郁玉锁,赵凯.淮河中游造床流量计算[J].河海大学学报(自然科学版),2010,第38卷(第2期):210-214

[4]楚万强,李永丽,谢龙.长江干流重庆主城河段造床流量计算[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2015,第34卷(第2期):69-71,117

[5]闫金波,唐庆霞,邹涛.三峡坝下游河道造床流量与水流挟沙力的变化[J].长江科学院院报,2014,第31卷(第2期):114-118

[6]伍悦滨,贾艳红,范宝山.松花江中下游造床流量分析[J].哈尔滨工业大学学报,2008,第40卷(第6期):880-883

[7]吴道文,王秀丹,王晓俊.长江河口段造床流量计算[A].第十六届中国海洋(岸)工程学术讨论会[C],2013

[8]韩曾萃,唐子文,尤爱菊,曹颖,刑云.河口水动力与河床形态关系的研究[J].水力发电学报,2015,第34卷(第4期):83-90

技术实现要素：

本发明基于马卡维耶夫推求造床流量的基本原理，将流量输沙率法应用于感潮河段造床流量的计算之中，解决了潮汐河口段水面比降不易确定的技术难题，提出了一种感潮河段造床流量的计算方法；对于感潮河段下游潮汐占优河段，提出造床流量群的概念；结合沿程断面洪枯季水位差、洪枯季潮差分析造床流量变化与潮汐和径流动力的关系，为造床流量计算提供内在的理论支持，揭示感潮河段径流占优与潮汐占优段水动力塑造河床特点。本发明计算的感潮河段造床流量可以为治河与航道整治工程规划和设计提供科学依据。

为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种感潮河段造床流的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，建立潮流数学模型，计算研究河段选定断面年内逐时水位流量、洪枯季大潮潮差以及洪枯季水位差。

步骤二，将河段某一断面流量分成若干相等的流量级，确定各级流量出现的频率P；

步骤三，计算出相应于每一级流量的QⁿP乘积值，n的取值建议为2；

步骤四，绘制Q～QⁿP关系曲线，从图中找出造床作用的极值，相应于此极值的流量即为所求的造床流量。

步骤五，分析造床流量与沿程断面洪枯季潮差变化，分析潮汐与径流动力对造床流量的影响。

优选地，步骤一具体包括：建立潮流数学模型

建立计算河段潮流数学模型，在一维潮流数学模型中，采用Saint-Venant方程组作为控制方程，其连续方程和运动方程可以表示为：

式中：x和t分别为距离和时间的坐标；A为过水断面面积；Q为流量；h为水位；q为旁侧入流的流量；C为谢才系数；R为水力半径；α为动量校正系数；g为重力加速度。

上下边界分别采用实测水文资料，其中上边界为模型运行时间内逐日流量，下边界为模型运行内实测逐时潮位资料。利用实测上下边界间实测站点水文资料对潮流数学模型进行验证，达到精度要求后可以计算出各断面的逐时流量、水位，由于受到潮流的上溯作用，部分断面的流量可能会出现负值，为了计算简便在考虑往复流的造床作用中认为潮流与径流的造床作用相同，因此，实际处理中取所有流量的绝对值进行计算。

优选地，步骤二具体包括：计算时将所得流量值从大到小按一定间隔为一区间分组，分别统计各个区间流量值数量除以数据总量即可得出频率P。

优选地，步骤三具体包括：计算出相应于每一级流量的QⁿP乘积值，其中为Q为该级流量的平均值，根据马卡维耶夫的理论，某个流量造床作用的大小与其输沙能力的大小有关，对于以悬移质输沙为主的潮汐河口，水流输沙能力可以表示为：

G_s＝bQⁿ (2)

对于潮汐河口的水流输沙能力，韩曾萃建议可以选择n＝2。为了不失一般性，在计算中指数n分别取2、3、4。为便于比较，对于各断面不同指数n的造床作用均进行了标准化处理，即将各个流量的造床作用除以所有流量造床作用的最大值。

优选地，步骤四具体包括：将步骤三得到的Q及P代入计算公式QⁿP，可以得到各断面的绘制Q～QⁿP关系曲线，即综合造床作用曲线。从图中找出造床作用的极值，相应于此极值的流量即为所求的造床流量。对于径流作用为主的河段断面综合造床作用曲线会存在两个峰值，与此对应，也就有两个造床流量，分别为第一造床流量和第二造床流量。对于潮汐作用为主的河段，造床作用的峰值现象不再明显，这也就意味着不存在所谓单一的造床流量，其造床作用明显大于其他流量，而应该认为存在一个造床流量群，位于此群内的各流量都具有较强的造床作用。可以根据最大的造床作用对应流量的一定比例作为造床流量群的上下限，分别作为第一造床流量与第二造床流量。

优选地，步骤五包括：将沿程各个断面第一造床流量、第二造床流量、洪季潮差、枯季潮差、洪枯季水位差的计算结果进行对比分析，其中洪季潮差和枯季潮差值代表潮汐动力强弱，洪枯季水位差则代表径流动力强弱。

(1)当洪季潮差枯季潮差沿程均有所增加则表示潮汐动力沿程逐渐增强，潮量沿程增大，相应的造床流量也会随之提高。

(2)当断面洪枯季水位差大于洪季潮差和枯季潮差时说明该断面径流动力要强于潮汐动力，反之则说明径流动力弱于潮汐动力。

相对于现有技术，本发明所达到的有益效果：

(1)本发明在现有造床流量计算方法的基础上，首次将流量输沙率法应用于感潮河段造床流量的计算之中，解决了潮汐河口段水面比降不易确定的技术难题，提出了一种适用于径流潮汐双重作用下的感潮河段造床流量的计算方法；

(2)本发明针对感潮河段潮汐占优河段造床流量特点提出了造床流量群的概念，并取造床流量群的上下限作为第一第二造床流量，解决了感潮河段第一第二造床流量无法区分的难题。

(3)本发明揭示了感潮河段中径流动力与潮流动力对造床流量的影响，为造床流量的计算结果提供了内在理论依据，揭示了计算河段水动力塑造河床特点，可以为治河与航道整治工程规划和设计提供科学依据，能在航道工程获得较广泛的应用。

附图说明

图1是研究河段数学模型计算断面示意图。

图2是流量比降输沙率法造床流量计算结果图。

图3是沿程造床流量与潮差关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

现以本发明提出的一种感潮河段造床流量的确定方法应用于长江大通至长江口河段来详细介绍本发明，具体实施步骤如下：

步骤一、计算研究河段选定断面年内逐时水位流量。

建立计算河段潮流数学模型，在一维潮流数学模型中，采用Saint-Venant方程组作为控制方程，其连续方程和运动方程可以表示为：

式中：x和t分别为距离和时间的坐标；A为过水断面面积；Q为流量；h为水位；q为旁侧入流的流量；C为谢才系数；R为水力半径；α为动量校正系数；g为重力加速度。

采用长江下游长河段一维潮流数学模型进行流量与水位计算。模型的上边界选在长江下游水文站大通站，下边界考虑长江口的实际情况，分别放在南北两支，北支下边界为青龙港，南支为吴淞口。一维模型从大通站至长江口全长591.7km，模型共选取223个计算断面。考虑到水文年的代表性和资料情况，选取2010年作为研究对象。在一维模型中，上边界选取2010年实测大通逐日流量，下边界南支至吴淞口，采用2010年实测逐时潮位作为边界；北支至青龙港，采用2010年实测日高低潮位资料利用三次多项式插值得到逐时潮位资料作为边界。

为使所建立的潮流数学模型能较好地模拟实际水流的运动情况，需对模型进行率定和验证，确定其中的计算参数。以往曾分别利用2004～2008年多次实测水文资料对该模型进行率定，本次研究中选用2010年4月与7月多个潮位站点实测潮位进行验证。经验证，计算结果与实测值吻合较好。

计算时，选取长江大通至吴淞口沿程12个断面作为研究对象，详见图1，沿程断面可以较好的代表各个水道的情况。利用数学模型，计算出各断面的逐时流量。由于受到潮流的上溯作用，部分断面的流量可能会出现负值，为了计算简便在考虑往复流的造床作用中认为潮流与径流的造床作用相同，因此，实际处理中取所有流量的绝对值进行计算。

步骤二、将计算断面流量分成若干相等的流量级，这里将所得流量值从大到小按500m³/s为一区间分组，分别统计各个区间流量数量除以数据总量即可得出频率P。

步骤三、计算出相应于每一级流量的QⁿP乘积值，根据韩曾萃等的建议，对于潮汐河口的水流输沙能力，可以选择n＝2。不过，从马卡维耶夫计算造床流量的方法来看，水流输沙能力也有可能与流量的4次方相关，也就是n＝4。为了不失一般性，在计算中指数n分别取2、3、4。为便于比较，对于各断面不同指数n的造床作用均进行了标准化处理，也就是各自除以造床作用的最大值。其中Q为该级流量的平均值。

步骤四、将步骤三得到的各值代入计算公式，可以绘制各断面的Q～QⁿP关系曲线，即综合造床作用曲线。从图中找出造床作用的极值，相应于此极值的流量即为所求的造床流量。对于径流作用为主的河段断面综合造床作用曲线会存在两个峰值，与此对应，也就有两个造床流量，分别为第一造床流量和第二造床流量，其中，第二造床流量对于航道整治来说更具有参考价值。对于潮汐作用为主的河段，造床作用的峰值现象不再明显，这也就意味着不存在所谓单一的造床流量，其造床作用明显大于其他流量，而应该认为存在一个造床流量群，位于此群内的各流量都具有较强的造床作用。可以根据最大的造床作用对应流量的一定比例作为造床流量群的上下限，分别作为第一造床流量与第二造床流量。结果详见图2。

表1流量输沙率法造床流量计算结果

表1是根据图2的造床流量曲线计算结果，经过整理，就可以得到流量输沙率法计算所得各断面的造床流量，可以看到：

1、天生港以上河段各计算断面中，综合造床作用均存在两个峰值，与此对应，各断面也就有两个造床流量，分别为第一造床流量和第二造床流量，其中，第二造床流量对于航道整治来说更具有参考价值；徐六泾以下河段(包括徐六泾)，综合造床作用仅存在一个峰值，也就是说仅有一个造床流量。

2、通常，第一造床流量所对应的综合造床作用峰值要大于第二造床流量，如图2所示的大通到扬中各断面计算结果。但是，在江阴和天生港两个断面，第二造床流量所对应的综合造床作用先是在江阴断面接近第一造床流量，然后又在天生港断面有所反超，说明这个河段是一个重要的过渡段。

3、对于扬中以上河段，造床作用曲线具有明显的峰值现象(如铜陵断面)，说明单一流量具有非常强的造床作用。但是，自徐六泾开始，造床作用的峰值现象不再明显(如杨林断面)，这也就意味着不存在所谓单一的造床流量，其造床作用明显大于其他流量，而应该认为存在一个造床流量群，位于此群内的各流量都具有较强的造床作用。

4、就指数n来说，一般情况下(天生港断面以上河段)，指数n的取值，不影响水流造床作用曲线的分布。但对于天生港以下河段，指数n对于水流造床作用曲线分布有一定影响，随着指数n的增加，造床作用曲线有向大流量方向偏移的趋势。对比吴道文对肖山至徐六泾河段的造床流量计算发现n＝2时计算的造床流量比较合理。

5、对于流量输沙率法中的指数的影响来说，江阴以上河段的造床流量计算结果没有区别。江阴以下各断面，随着指数的增加，造床流量群的上限和下限有增加的趋势，也就是向大流量方向偏移。

步骤五，分析造床流量与沿程断面洪枯季潮差变化，分析潮汐与径流动力对造床流量的影响。

表4和图3中分别给出了第一造床流量、第二造床流量、洪季潮差、枯季潮差、洪枯季水位差的计算结果，其中洪季潮差和枯季潮差值代表潮汐动力强弱，洪枯季水位差则代表径流动力强弱。根据计算结果，可以看出：

(1)长江下游感潮河段，无论是洪季潮差还是枯季潮差，沿程均有所增加，详见图3，说明潮汐动力沿程逐渐增强，潮量沿程增大，造床流量也随之提高。自南京开始，造床流量沿程增加明显，主要应与潮汐动力增强有关。

(2)大通至扬中河段，各断面洪枯季水位差要大于洪季潮差和枯季潮差，详见表4和图3，说明径流动力要强于潮汐动力。在江阴和天生港两个断面，洪枯季水位差与洪季潮差和枯季潮差接近，说明这里是径流动力占优向潮汐动力占优的过渡段。自徐六泾断面开始，潮汐动力开始占据主导地位，此时就不再是一、二个流量对造床起决定性作用，而是存在一个造床流量群，期间的各流量均具有较大的造床作用。

表4大通以下各断面造床流量、洪枯季潮差、洪枯季水位差

本发明的具体实施方式中凡未涉到的说明属于本领域的公知技术，可参考公知技术加以实施。

本发明可用于计算感潮河段造床流量。通过本发明所得到的造床流量可以为感潮河段河道和航道整治工程规划设计提供重要参考指标。通过本发明还可以明确感潮河段造床流量沿程变化规律，揭示径流占优与潮汐占优河段水动力塑造河床特点。综上本发明能在航道整治工程领域获得较广泛的应用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同形式的替换，这些改进和等同替换得到的技术方案也应属于本发明的保护范围。