一种基于定量指标的航道联动治理方法与流程

本发明涉及一种航道治理方法，特别涉及一种基于定量指标的航道联动治理方法。

背景技术：

目前，对于类似长江中下游的河段，上下游河道之间的演变具有关联性，如长江中游荆江河段历史上具有“一弯变，弯弯变”的特点。近十几年来，随着三峡水库的蓄水运行，长江中下游河段普遍冲刷，洲滩侵蚀，局部河道向宽浅方向发展，主流摆动空间增大，在分汊河段口门、弯道段以及两弯之间的长直或放宽过渡段的航槽不稳定性加大，上下游河段之间的联动性增强。而长江上游除了已建成三峡水库之外，正面临着梯级大型水库群的建设，将进一步加剧上下游河段之间的联动强度。

目前关于类似长江中下游的研究工作开展了很多，对于上下游河段之间的河势联动也有一些定性分析，总结出邻河段演变的联动性包括两个方面，其一是水流特性的联动，其二是洲滩演变的联动。以长江中游荆江河段为例，在荆江河段大埠街以上的砂卵石河段，联动性主要表现为前者，主要是枯水位变化的沿程传递；大埠街以下的沙质河段，联动性主要表现为后者，即上下游河段洲滩演变的相互影响。

由此可见，目前关于类似长江中下游河段的联动性特征研究，基本以经验性分析为主，缺乏定量化的评价指标和方法，在指导具体的航道整治工程中，难于准备体现上下游河段联动性对航槽选择及工程布局等的影响，因此，需要在建立基于联动定量评价指标的基础上，提出一种新的航道治理方法。

技术实现要素：

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种基于定量指标的航道联动治理方法。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种基于定量指标的航道联动治理方法，包括如下步骤：

步骤a，将水流摆动力指标与河道约束力指标的比值λ，作为河段上下游联动治理评价指标，并设定评价基准指标数值λe；

步骤b，求得实际航道的水流摆动力指标与河道约束力指标的实际比值λs；

步骤c,将λs与λe进行比较，根据比较结果分别实施如下分步骤：

步骤c-1，当λs≥λe时，将上下游河段作为整体，从上至下进行联动整治；

步骤c-2，当λs<λe时，采取单滩治理措施。

进一步地，所述步骤a中，将水流摆动力指标设为r0，将河道约束力指标设为r*，则上下游联动治理评价指标λ的值由以下公式求得：

λ＝r0/r*(1)

其中，公式(1)、公式(2)和公式(3)中，各参数定义如下：

r0为水流摆动力指标，用水流动力轴线弯曲半径表征，单位为m；

r*为河道约束力指标，用河道深泓弯曲半径表征，单位为m；

q为河段进口流量，单位为m³/s；

qmax为河段进口最大流量，单位为m³/s；

qmin为河段进口最小流量，单位为m³/s；

l为矶头或节点突出岸线长度，单位为m；

d为河床中值粒径，单位为m；

b为平滩河宽，单位为m；

h0为平滩水深，单位为m；

ζ为平滩河相系数；

j为坡降；

为河道弯曲度；

g为重力加速度，单位为s/m²；

ρ为密度，单位为kg/m³；

m为河岸地质评分，根据土层分类，取值60～100。

进一步地，所述步骤c-1的分步骤为：

步骤c-1-1，规划目标河型和理想航路：对于需要联动治理的河段，参考天然河流几何形态规律确定目标河型和理想航路；

步骤c-1-2，建立河势稳定指标函数，将河床边界、水流、泥沙参数代入函数表达式，求得治理前后的河势稳定指标，并进行比较，预估评价工程效果。

进一步地，通过统计分析国内外多条自然河流形态，得到天然河流几何形态规律：

c＝7～11b(4)

公式(4)中：c为河流曲线长度；b为平滩河宽。

进一步地，将河势稳定指标设为ψ，将边界条件综合指标设为γ，将水流条件综合指标设为λ，则河势稳定指标ψ的值由以下公式求得：

ψ＝γ^0.1λ^0.05(5)，

公式(5)、公式(6)和公式(7)中，各参数定义如下：

m为河岸地质评分，根据土层分类，取值60～100；

dl1为河段左岸进口矶头或节点附近冲刷坑平均水深，单位为m；

dl2为河段左岸出口矶头或节点附近冲刷坑平均水深，单位为m；

dr1为河段右岸进口矶头或节点附近冲刷坑平均水深，单位为m；

dr2为河段右岸出口矶头或节点附近冲刷坑平均水深，单位为m；

l′为矶头之间或节点之间的纵向距离，单位为m；

k为整治河段特征流量流量级，其中，当整治河段特征为单一河型时，k取值为1；当整治河段特征为分汊河型时，k取值为3；

为平滩流量，单位为m³/s；

q1为起摆流量，单位为m³/s；

q2为止摆流量，单位为m³/s；

t为水流起摆到止摆对应的持续天数，单位为天；

t为水流起摆到止摆对应的周期，单位为天；

l为水流起摆到止摆期间主流的平均摆动幅度，单位为m；

lmax为主流的最大摆动幅度，单位为m。

本发明具有的优点和积极效果是：克服以往航道整治中上下游河段之间的联动关系多依靠定性经验分析，而缺乏定量指标的不足，提供一种基于定量指标的航道联动治理方法，方法准确，经试验，该方法能够适应长河段整治，并满足不同航道尺度目标的整治要求。本发明综合考虑了河道内部地形、地质、边界及外部来流来沙条件的变化，基于大量实测数据和历史数据，通过建模分析其内在的联系。利用本发明可以用定量指标，科学分析浅滩河段联动治理的必要性及方法，进而保证长河段航道整治的系统性和上下游河段间的有机联系，使整治后航道的稳定性和通航效果更好。

附图说明

图1是本发明的工作流程图；

图2是本发明的具体实施例中长江中游藕石蹍河段示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参见图1，一种基于定量指标的航道联动治理方法，包括如下步骤：

步骤a，将水流摆动力指标与河道约束力指标的比值λ，作为河段上下游联动治理评价指标，并设定评价基准指标数值λe；

步骤b，求得实际航道的水流摆动力指标与河道约束力指标的实际比值λs；

步骤c,将λs与λe进行比较，根据比较结果分别实施如下分步骤：

步骤c-1，当λs≥λe时，将上下游河段作为整体，从上至下进行联动整治；

步骤c-2，当λs<λe时，采取单滩治理措施。

进一步地，所述步骤a中，可将水流摆动力指标设为r0，可将河道约束力指标设为r*，则上下游联动治理评价指标λ的值可由以下公式求得：

λ＝r0/r*(1)

公式(1)、公式(2)和公式(3)中，各参数定义如下：

r0为水流摆动力指标，用水流动力轴线弯曲半径表征，单位为m；

r*为河道约束力指标，用河道深泓弯曲半径表征，单位为m；

q为河段进口流量，单位为m³/s；

qmax为河段最大流量，单位为m³/s；

qmin为河段最小流量，单位为m³/s；

qmax-qmin，反映流量变幅；

l为矶头或节点突出岸线长度，单位为m；

d为河床中值粒径，单位为m；

b为平滩河宽，单位为m；

h0为平滩水深，单位为m；

ζ为平滩河相系数；

j为坡降；

为河道弯曲度；

g为重力加速度，单位为s/m²；

ρ为水的密度，单位为kg/m³；

m为河岸地质评分，根据土层分类，可取值60～100。比如：上部黏性土与砂层互层、夹砂类透镜体，下部为砂层的多元结构单一砂层情况下，m可取60～70；上部黏性土层厚<5m，下部为砂层的二元结构或上部黏性土与砂层互层、夹砂类透镜体等，下部为黏性土的多元结构情况下，m可取70～80；上部黏性土层厚>5m，下部砂层的二元结构或上部砂层厚<5m，下部黏性土的二元结构情况下，m可取80～90；岩石山体或单一黏性土层情况下，m可取90～100。

上述公式(1)、公式(2)和公式(3)的推导论证请参考2017年5月《地理学报》第72卷第5期817-29页发表的文章“长江中下游阻隔性河段作用机理初步研究”。

上述参数中，q为河段进口流量，是河段进口处的不同时段流量，是变量；qmax为河段进口处最大流量；qmin为河段进口处最小流量。

进一步地，所述步骤c-1可继续细分，其分步骤可为：

步骤c-1-1，规划目标河型和理想航路：对于需要联动治理的河段，可参考天然河流几何形态规律确定目标河型和理想航路；

步骤c-1-2，可建立河势稳定指标函数，将河床边界、水流、泥沙等参数代入函数表达式，求得治理前后的河势稳定指标，并进行比较，可结合目标航道尺度，预估评价工程效果。

进一步地，可通过统计分析国内外多条自然河流形态，得到天然河流几何形态规律：

c＝7～11b(4)

公式(4)中：c为河流曲线长度；b为平滩河宽。

进一步地，可将河势稳定指标设为ψ，可将边界条件综合指标设为γ，可将水流条件综合指标设为λ，则河势稳定指标ψ的值可由以下公式求得：

ψ＝γ^0.1λ^0.05(5)，

公式(5)、公式(6)和公式(7)中，各参数定义如下：

m为河岸地质评分，根据土层分类，可取值60～100。比如：上部黏性土与砂层互层、夹砂类透镜体，下部为砂层的多元结构单一砂层情况下，m可取60～70；上部黏性土层厚<5m，下部为砂层的二元结构或上部黏性土与砂层互层、夹砂类透镜体等，下部为黏性土的多元结构情况下，m可取70～80；上部黏性土层厚>5m，下部砂层的二元结构或上部砂层厚<5m，下部黏性土的二元结构情况下，m可取80～90；岩石山体或单一黏性土层情况下，m可取90～100。

dl1为河段左岸进口矶头或节点附近冲刷坑平均水深，单位为m；

dl2为河段左岸出口矶头或节点附近冲刷坑平均水深，单位为m；

dr1为河段右岸进口矶头或节点附近冲刷坑平均水深，单位为m；

dr2为河段右岸出口矶头或节点附近冲刷坑平均水深，单位为m；

l′为矶头之间或节点之间的纵向距离，单位为m；

k为整治河段特征流量流量级，其中，当整治河段特征为单一河型时，k可取值为1；当整治河段特征为分汊河型时，k可取值为3；

为平滩流量，单位为m³/s；

q1为起摆流量，单位为m³/s；

q2为止摆流量，单位为m³/s；

t为水流起摆到止摆对应的持续天数，单位为天；

t为水流起摆到止摆对应的周期，单位为天；

l为水流起摆到止摆期间主流的平均摆动幅度，单位为m；

lmax为主流的最大摆动幅度，单位为m。

上述公式(5)、公式(6)和公式(7)是通过长江中、下游大量的实测资料分析，通过建模及拟合等方法取得的表达式。

以下现结合长江中游藕石蹍河段和龙口河段作为实例，具体说明本发明的具体实施步骤。

步骤a，将水流摆动力指标与河道约束力指标的比值λ，作为河段上下游联动治理评价指标，并设定评价基准指标数值λe；λe经过专家经验等方法，确定λe为1。

步骤b，求得实际航道的水流摆动力指标与河道约束力指标的实际比值λs；

对于长江中游的藕石蹍河段，利用2014年测图，藕石蹍河段中的石首弯道局部河段发生崩岸，使得4m线航槽弯曲半径不满足航道规划目标(4m航槽规划的弯曲半径为1000m)，通过分析，该现象主要受上游主流摆动引起。根据2014年实测资料，按公式(1)、公式(2)和公式(3)计算，得到实际航道的水流摆动力指标与河道约束力指标的实际比值λs＝1.15。

对于长江中游的龙口河段，其上接陆溪口河段，下连嘉鱼河段。利用实测资料，经计算，龙口河段，其实际航道的水流摆动力指标与河道约束力指标的实际比值λs＜0.5。

步骤c,将λs与λe进行比较，根据比较结果分别实施如下步骤：

步骤c-1，当λs≥λe时，将上下游河段作为整体，从上至下进行联动整治；

步骤c-2，当λs<λe时，采取单滩治理措施。

对于龙口河段，其λs＜λe，即龙口河段与上下游河段之间不具有联动关系，实施步骤c-2，其治理主要采取单滩治理措施。从历史河床演变来看，自20世纪30年代以来，其上游陆溪口河段经历了5个演变周期，其下游嘉鱼河段仅有2个演变周期，也可以看出，龙口河段阻隔了陆溪口河段的河势调整，没有向下游的嘉鱼河段传递。对于原河段有阻隔特征的，应采取护岸等工程措施防止其阻隔性消失或减弱。近年来，随着三峡水库蓄水运行，龙口河段凸岸边滩有所冲刷，河宽变大，该河段的阻隔特征有所减弱，为增强或维持其阻隔特征，防止上下游河势之间的传递，需要对龙口河段凸岸边滩及时实施守护工程。

对于藕石蹍河段，其λs＞λe，即藕石蹍河段与上下游河段之间具有联动关系，实施步骤c-1，需要将上下游河段作为整体，从上至下进行联动整治。即为维持石首弯道弯曲半径，不仅需要在石首弯道左岸崩岸处实施护岸工程，还应考虑上游河段主流摆动对其影响，需在上游倒口窑心滩和藕池口心滩左下侧实施相应守护工程防止主流进一步摆动。

对于藕石蹍河段的治理，从上至下进行联动整治方法可进一步细化为两步：

步骤c-1-1，规划目标河型和理想航路：对于需要联动治理的河段，参考天然河流几何形态规律确定目标河型和理想航路；

步骤c-1-2，可建立河势稳定指标函数，将藕石蹍河段的河床边界、水流、泥沙等参数代入函数表达式，求得治理前后的河势稳定指标，并进行比较，可结合目标航道尺度，预估评价工程效果。

其中，步骤c-1-1，对于藕石蹍河段，在设计主航道线路时，尽量使航道形态符合天然河流形态，通过过统计分析国内外多条自然河流形态，得到天然河流几何形态规律：

c＝7～11b(4)，

公式(4)中：c为河流曲线长度；b为平滩河宽。

按照该规律，藕石蹍河段设计航槽，请见图2，设计航槽上接上游周天河段，新厂以下至陀阳树位于河道左侧，陀阳树以下向右过渡，至倒口窑心滩头部左侧进入水道左槽下行，直至左汊出口进入石首弯道段，出石首弯道后到鱼尾洲尾，自右岸侧向左岸侧过渡进入碾子湾水道。

步骤c-1-2，对于藕石蹍河段，航道整治工程实施后，石首弯道弯曲半径稳定在1000m以内，可达到航道尺度规划目标。可将河势稳定指标设为ψ，可将边界条件综合指标设为γ，可将水流条件综合指标设为λ，则河势稳定指标ψ的值可由以下公式求得：

ψ＝γ^0.1λ^0.05(5)，

航道整治工程实施前后，可认为边界综合参数是一样的，整治工程的实施改变了水流条件综合参数λ的数值。根据水流条件综合参数λ的计算公式(7)，该公式(7)中工程前后变化的值主要是主流的最大摆动幅度lmax，将相关参数代入数学模型，根据数学模型计算结果，可知航道整治工程实施后，藕石蹍河段的主流最大摆动幅度降低，代入公式(5)中，可知，航道整治工程实施后，河势稳定指标增大，工程效果良好。

以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。