一种复式断面河道河漫滩和主槽的自动识别方法与流程

本发明涉及一种复式断面河道准二维数学模型中河漫滩和主槽的自动识别方法，属于河床演变分析中的滩槽划分技术领域。

背景技术：

泥沙数学模型是研究泥沙问题的重要手段之一，具有投资少、周期短等优点，泥沙数学模型按照维数可分为：一维数学模型、二维数学模型和三维数学模型。随着计算机技术的快速发展，计算的速度越来越快，这三种数学模型在实际工程中均有应用，具体而言，一维数学模型多用于长距离、长时段的计算；二维数学模型和三维数学模型适用于流态较为复杂的局部区域或者较短距离的计算。对于水库，常采用一维数学模型进行长时段的计算分析。北方多沙河流，尤其是黄河中下游河道多为主槽和河漫滩组成的复式河槽，滩和槽上的水深不同，水力要素的数值也相差较多，为此常采用准二维数学模型进行求解。

准二维数学模型的一个重要步骤是划分滩槽，常用的方法是在进行模拟计算前根据断面图确定滩槽的位置和高程，划分过程中具有一定的人为性，并且划分完后在模拟计算中滩槽的位置和宽度保持不变，只有滩槽的高程发生变化，经过长时间的计算后断面形态可能发生较大变化，如果仍然沿用初始划分已难以符合实际情况，相应的糙率等参数都要进行相应的调整，因此，在计算中需要根据地形的变化实时调整滩槽的位置、宽度以及高程。此外，长河段的计算中，上下游的河型并不相同，上游可能是单一的河槽，到了中游和下游则是复式河槽，无论是用单一河槽的一维数学模型还是准二维数学模型进行模拟都不太适合。如果在准二维数学模型中加入滩槽自动划分的功能则可以将两种模型统一起来，可以在上游只划分一个子断面，而河道的下游可划分多个子断面，适应计算需求。有学者根据河道断面平均流速随水深的变化特征来定量判别主槽和河漫滩的位置，并应用于准二维数学模型中，但流速的计算过于复杂，需要率定的参数也较多，不易应用到准二维数学模型中。此外，也有学者通过流量模K(K＝AR^2/3)来定量划分主边槽，由于流量模为断面面积A与水力半径R的组合，实际河道断面面积远大于水力半径，两者的乘积主要体现断面面积A的特征，断面面积A随高程递增，当河漫滩较宽时，流量模识别滩槽的能力极大降低，甚至难以识别。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种复式断面河道河漫滩和主槽的自动识别方法，该方法能定量自动识别复式断面的主槽和河漫滩，计算简单，可操作性强。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种复式断面河道河漫滩和主槽的自动识别方法，包括如下步骤：

步骤1，获取河道断面的起点距和对应的高程数据，并查找最低点高程和最高点高程，将其分别作为计算河道断面水力半径的最低水位和最高水位；

步骤2，从最低水位开始，每次抬高水位0.05m，若抬高后的水位大于或等于最高水位时，将最高水位作为最后一个水位，依次记录所有的水位数据；

步骤3，对于步骤2记录的每个水位，计算河道断面在该水位的过水面积以及河道断面的湿周，根据过水面积和湿周计算河道断面在该水位的水力半径；

步骤4，水位由低至高，计算相邻两个水位对应的水力半径的差值ΔR₀(i)＝R₀(i+1)-R₀(i)，i＝1,2,…,n-1；当ΔR₀(i)＜0时，记录RR(p)＝R₀(i)，Z₁(p)＝Zlevel(i)，Z₂(p)＝Zlevel(i+1)；当连续出现m个ΔR₀(i)＜0且m≥2时，计算水力半径的变幅：同时记录Z₁(p)＝Zlevel(i)，Z₂(p)＝Zlevel(i+m)；p＝p+1，p＝1,2,…；其中，R₀(·)表示水力半径，Zlevel(·)表示第·个水位的水位值，n表示所有水位的个数；

步骤5，设定河漫滩引起的河段水力半径的临界最小变幅ξ，当RR(p)≥ξ时，认为RR(p)对应的水位处出现河漫滩，低于最低河漫滩的河道断面部分为主槽。

作为本发明的一种优选方案，步骤2所述抬高水位的计算公式为：

Zlevel(i)＝Zmin+(i-1)*0.05

其中，Zlevel(i)表示第i个水位的水位值，Zmin表示最低水位的水位值，水位单位为：m，i＝1,2,…,n，n表示所有水位的个数。

作为本发明的一种优选方案，步骤3所述过水面积的计算方法为：对于任意水位，根据该水位河道断面的地形数据点，将河道断面分成若干梯形和三角形，所有梯形和三角形的面积之和即为过水面积。

作为本发明的一种优选方案，步骤5所述河漫滩引起的河段水力半径的临界最小变幅ξ＝0.1。

作为本发明的一种优选方案，步骤5所述河漫滩的代表高程为根据代表高程及河道断面地形得到该高程对应的河道宽度。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明复式断面河道河漫滩和主槽的自动识别方法，采用水力半径定量自动识别复式断面的主槽和河漫滩，物理概念清晰，计算简单，可操作性强，能直接应用于准二维水沙数学模型的模拟计算，也能用于复式断面河道的河床演变分析，克服了人为划分滩槽带来的误差。

附图说明

图1是本发明复式断面河道河漫滩和主槽的自动识别方法的流程图。

图2是本发明实施例黄河花园口河道断面形态图。

图3是本发明实施例黄河花园口河道断面过水面积及湿周计算示意图。

图4是本发明实施例黄河花园口河道断面水力半径随水位变化图。

图5是本发明实施例黄河花园口河道断面滩槽识别结果图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

单一河槽断面水力半径随水位变化曲线是连续的，但复式河槽在漫滩瞬间水力半径迅速变小然后随水深逐渐增大，根据这种变化特性可以确定河漫滩的位置和高程。如图1所示，本发明复式断面河道河漫滩和主槽的自动识别方法的流程如下：

(1)获取河道断面地形点数据，河道断面左侧第一点为起始点，从左到右逐渐排列，记录每一点的起点距D_i(至左侧第一点的距离)和河床高程Z_i；

(2)查找河道断面河床高程最低的点高程Zmin和最高点高程Zmax，分别作为计算断面过水面积的最低水位和最高水位；

(3)从最低水位开始，作为初始计算水位，每次抬高水位0.05m，计算水位为：

Zlevel(i)＝Z min+(i-1)*0.05

其中，Zlevel(i)表示第i个水位的水位值，Z min表示最低水位的水位值，i＝1,2,…,n，n表示所有水位的个数，当Z(i)≥Zmax时，Zlevel(i)＝Zmax，该点为最后一个水位点；

(4)对于任意计算水位Zlevel(i)，根据河道断面的地形数据点，将河道断面分成若干梯形和三角形，计算河道断面在该水位下的过水面积A₀(i)，统计河道断面的湿周χ₀(i)，计算得到该水位下的断面水力半径R₀(i)；

(5)计算所有水位下的水力半径R₀(i)，i＝1、2、…、n；

(6)计算相临两水力半径的差值ΔR₀(i)＝R₀(i+1)-R₀(i)，i＝1、2、…、n-1。统计ΔR₀(i)＜0的结果，当ΔR₀(i)＜0时，记录RR(p)＝R₀(i)，Z₁(p)＝Zlevel(i)，Z₂(p)＝Zlevel(i+1)；当出现连续m个ΔR₀(i)＜0且m≥2时，计算水力半径的变幅：记录Z₁(p)＝Zlevel(i)，Z₂(p)＝Zlevel(i+m)；p的取值为：p＝1、2、3、…；

(7)设ξ为河漫滩引起的该河段水力半径的最小变幅，当RR(p)≥ξ时，认为该水位处出现河漫滩，该河漫滩的高程处于Z₁(p)～Z₂(p)之间，河漫滩的代表高程可取二者的均值；

(8)根据(7)中得到的河漫滩高程范围Z₁(p)～Z₂(p)，结合断面地形容易得到该级河漫滩的宽度B(p)。

下面以以黄河花园口河道断面为例，应用本发明提出的复式断面河道河漫滩和主槽的自动识别方法，对滩槽进行自动识别，实施步骤如下：

(1)收集花园口断面的起点距和高程数据，断面形态如图2所示，从左至右对每个数据点进行编号。

(2)通过程序自动识别该断面的最低点90.36m，最高点100.02m。由最低点90.36m开始，每次增加5cm，确定计算水位。

(3)如图3所示，当水位为92.06m时，河道断面的过水区域可划分为三角形122'、梯形233'2'、梯形344'3'、梯形455'4'和三角形565'，可以分别求出每部分的面积，累加即可得到该水位下的过水面积；对于该水位下的湿周这可累加线段12'、线段2'3'、线段3'4'、线段4'5'、线段5'6的距离即可。采用该方法可以求出所有水位下的该断面过水面积、湿周，并计算对应的水力半径，结果如表1所示，图4为水力半径随水位的变化特征。

表1不同水位下断面特征参数

(4)计算相临的水位对应的水力半径的差值，当差值小于0时，记录累加连续的差值，根据河道断面的特性取ξ＝0.1，可以得到该断面存在3级河漫滩：第一阶高程为92.1m，宽434m；第二阶高程为93.3m，宽340m；第三阶高程为94.1m，宽2337m，划分形式如图5所示。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。