上下游边界共同控制下河段平滩流量预测模型的构建方法与流程

技术特征：

1.一种上下游边界共同控制下河段平滩流量预测模型的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，收集河段各固定断面的历史汛后地形资料，以及河段沿程①干流水位和水文站及②支流水位和水文站的历史日均水文资料；其中，

汛后地形资料包括固定断面测点的起点距和高程，以及固定断面间距；日均水文资料包括流量、含沙量和水位数据；

步骤2，基于各固定断面的历史汛后地形资料，采用一维水动力学模型计算各固定断面的水位-流量关系曲线，本步骤进一步包括：

步骤2.1，建立一维水动力学模型；

步骤2.2，给定一维水动力学模型上、下游及河床边界条件；

步骤2.3，计算各固定断面的水位-流量关系曲线；

步骤3，通过套绘相邻年份的汛后地形资料，并根据平滩高程的确定原则，在汛后断面地形图上确定各固定断面的平滩高程；

步骤4，根据步骤3确定的各固定断面的平滩高程，利用步骤2.3计算得到的水位-流量关系曲线，确定各固定断面的平滩流量；

步骤5，根据步骤4确定的各固定断面的平滩流量，采用基于对数转换的几何平均与断面间距加权平均相结合的方法，计算河段尺度的平滩流量

步骤6，分析步骤5计算得到的河段尺度的平滩流量与上、下游边界条件的相关关系，构建上下游边界共同控制下河段平滩流量预测模型，该步骤进一步包括如下子步骤：

步骤6.1，以第k年的汛期平均水流冲刷强度参数F_fk作为上游边界条件，

式中：k为年份；为第k年的汛期平均悬移质含沙量，单位：kg/m³；为第k年的汛期平均流量，单位：m³/s，

分析河段尺度的平滩流量调整对前期水沙条件的滞后效应；

以上、下游边界水位差作为下游边界条件，分析河段尺度的平滩流量调整对下游水位变动的响应；

步骤6.2，基于平滩流量调整对前期水沙条件的滞后效应以及对下游水位变动的响应，以前期n年平均的汛期平均水流冲刷强度前期n年定义为包括当前年在内的n年，和上下游边界水位差为自变量，以河段尺度的平滩流量为因变量，建立上下游边界共同控制下河段平滩流量调整预测模型：

${\stackrel{\‾}{Q}}_{bf}={\mathrm{\α}}_1{\left({\stackrel{\‾}{F}}_{nf}\right)}^{{\mathrm{\β}}_1}+{\mathrm{\α}}_2{\left(\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{Z}}_f\right)}^{{\mathrm{\β}}_2}$

式中：α₁，α₂为系数，β₁，β₂为指数；n为经验值，通过多次试验确值；

步骤6.3，根据河段的历史水沙数据及各固定断面的历史汛后地形资料，计算多个年度的汛期平均水流冲刷强度参数F_fk和上、下游边界水位差以及河段尺度的平滩流量采用这些计算结果率定步骤6.2建立的上下游边界共同控制下河段平滩流量调整预测模型中的参数α₁，α₂和β₁，β₂并进行验证。

2.根据权利要求1所述的上下游边界共同控制下河段平滩流量预测模型的构建方法，其特征在于：

所述步骤2.1，建立一维水动力学模型，主要控制方程包括：

连续方程：

运动方程：

式中：Q表示流量，单位：m³/s；q_l表示支流流量，单位：m³/s；Z表示断面的平均水位，单位：m；A表示断面的过水面积，单位：m²；J_f表示水力坡度，可用Manning公式计算，即J_f＝(Q/A)²n²/h^4/3，h表示断面平均水深，n表示糙率；J_l表示断面扩大或收缩引起的局部能坡；α_f表示动量修正系数；g表示重力加速度，单位：m/s²；x表示沿程距离，即断面离三峡大坝的距离，单位：m。

3.根据权利要求1所述的上下游边界共同控制下河段平滩流量预测模型的构建方法，其特征在于：

所述步骤2.2，给定一维水动力学模型上、下游及河床边界条件，实现如下：

采用汛后地形资料作为河床边界条件，并假设河床为定床；在上游进口断面处设定不同流量级作为上游边界条件，并考虑研究河段内支流的流入及流出情况；在下游出口断面处利用当年实测的水位-流量关系作为下游边界条件。

4.根据权利要求1所述的上下游边界共同控制下河段平滩流量预测模型的构建方法，其特征在于：

所述步骤2.3，计算各固定断面的水位-流量关系曲线，实现如下：

率定一维水动力学模型中不同流量级下干流各水位及水文站之间的糙率，将各水位及水文站所在的断面定义为典型断面，依次使得各典型断面计算所得的水位-流量关系与实测的水位-流量关系符合，并经插值得各固定断面的水位-流量关系曲线。

5.根据权利要求4所述的上下游边界共同控制下河段平滩流量预测模型的构建方法，其特征在于：

所述步骤3，各固定断面的平滩高程具体确定原则如下：

当主槽两侧的滩唇均较为明显时，以两岸滩唇较低者高程作为平滩高程；

当滩唇不明显时，则要参考相邻测次，尽可能使滩唇位置不发生大的变化；

当滩唇位置明显，但与相邻测次相比变化剧烈，且明显不合理，还需参考相邻断面的滩唇高程，进行综合确定。

6.根据权利要求1所述的上下游边界共同控制下河段平滩流量预测模型的构建方法，其特征在于：

所述步骤5，河段尺度的平滩流量

${\stackrel{\‾}{Q}}_{bf}=\exp \left(\frac{1}{2L}\underset{i=1}{\overset{N-1}{\Σ}}\right(In{Q}_{bf}^{i+1}+In{Q}_{bf}^i)\×(x_{i+1}-x_i\left)\right)$

式中：L表示河段长度；N为河段的固定断面数量；i表示断面号，i＝1，2，…，N-1；x_i+1、x_i分别表示第i+1、i个固定断面距测量起点的距离，测量起点可设定在第一个固定断面或其之前的任意位置；分别表示第i+1、i个固定断面的平滩流量。