本发明涉及水运交通领域中内河航道回淤量计算方法，特别是一种基于饱和输沙原理的沙质内河航道回淤量预报方法。
背景技术：
航道回淤问题一直是航道建设和维护的关键技术问题，也是港口航道工程师关注的焦点。国内外许多学者通过野外观测和室内研究等手段，围绕航道回淤开展了大量的研究工作，主要的研究方法可分为四类：半经验半理论公式、现场观测、物理模型、数学模型。由于现场观测和物理模型研究耗时长、投入较大，泥沙数学模型对底沙回淤估算的精度有限，因此，利用半理论半经验公式进行回淤估算受到港口航道工程师的青睐。
目前，国内外比较常用的回淤预报公式大部分是在开敞粉砂、淤泥质海岸港口及航道工程的基础上发展起来的，且主要考虑悬沙落淤对航道回淤的贡献，极少数公式考虑波、流共同作用下的底沙回淤，适用范围为河口及外海航道。沙质内河航道回淤泥沙运动形式主要以底沙输移为主，由于底沙测量技术不成熟、运动理论不清晰，目前关于内河航道回淤预报公式和方法尚处于探索阶段。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是：克服以往航道回淤预报公式主要考虑悬沙沉降的不足，提供一种适用于河床底质为沙质（粉沙、细沙和中沙）、泥沙运动形式以底沙输移为主的内河航道回淤量预报方法，且计算效率和精度能满足工程需要。
为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案。
本发明包括以下步骤：
步骤1，划分回淤计算单元：根据河道自然条件和工程方案将拟建航道划分为多个回淤计算单元；
步骤2，统计各单元内的实测冲淤量：采用实测地形资料进行冲淤分析，并统计各计算单元内的净冲刷量或淤积量；
步骤3，建立二维水流数学模型并验证，计算航道沿程各单元水位、流速和流向：根据研究区域地形测量和水文测验资料，建立平面二维水流数学模型，并采用数值方法对其求解，利用实测水文资料对模型参数进行率定和验证，验证结果达到内河航道与港口水流泥沙模拟技术规程规定的精度要求后，进行水流数值模拟；
步骤4，计算各单元的净输沙量：依据实测资料确定航道沿程河床底质中值粒径，基于饱和输沙原理，将所述步骤3计算结果和河床底质中值粒径代入engelund-hanson推移质输沙率公式（4），计算各单元边界的推移质输沙率，并统计各单元在时间域内的净输沙量；
步骤5，率定推移质输沙率公式的计算参数：将所述步骤2统计的单元内实测冲淤量和步骤4计算的净输沙量比对验证，并调整推移质输沙率公式（4）的计算参数，使实测值及其空间分布与计算值相吻合；
步骤6，预报拟建航道的回淤量：采用所述步骤3计算整治工程及疏浚工程后的各单元的水位、流速和流向，利用所述步骤5确定的推移质输沙率公式（4）参数，按所述步骤4预报拟建航道的回淤量；
由此，完成基于饱和输沙原理的沙质内河航道回淤量预报全过程。
在步骤3中，所述的平面二维水流数学模型的控制方程式分别是：
其中：
步骤4中，所述的engelund-hanson推移质输沙率公式为：
其中：f为阻力系数；α、β为无因次系数；φb为无因次输沙强度，φb的函数式为
与现有技术相比，本发明的优点为：
1.本发明基于饱和输沙原理，耦合水流数学模型和engelund-hanson推移质输沙率公式预报航道回淤量，计算方法简洁高效，克服了以往底沙回淤预测难于回避现场底沙观测、室内模拟的缺陷，特别适用于泥沙易冲易沉的沙质内河航道，丰富了内河航道回淤预报方法。
2.本发明采用实测地形资料进行冲淤验证，并调整输沙率公式的计算参数，可保证航道回淤量的预报精度，能够满足航道工程建设的需要。
本发明适用于河床底质为沙质（粉沙、细沙和中沙）、泥沙运动形式以底沙输移为主的内河航道回淤量预报。
附图说明
图1是本发明所述一种基于饱和输沙原理的沙质内河航道回淤量预报方法的流程图。
图2是本发明的一个实例：长江下游通州沙河段深水航道回淤计算单元冲淤变化示意图。
图3是通州沙二维水流数学模型范围示意图。
图4是单元中上下断面输沙率变化过程示意图。
图5是单元中左右断面输沙率变化过程示意图。
具体实施方式
以下结合实施例以及附图对本发明作进一步的描述。
参照图1，本发明包括如下步骤：
步骤1、将拟建航道划分为多个回淤计算单元；根据河道自然条件和可能的工程方案等将拟建航道划分为多个回淤计算单元；
步骤2、统计各单元内的实测冲淤量：采用实测地形资料进行冲淤分析，并统计各计算单元内的净冲刷量或淤积量；
步骤3、建立二维水流数学模型并验证，计算航道沿程各单元水位、流速和流向：根据研究区域地形测量和水文测验资料，建立平面二维水流数学模型，并采用数值方法对其求解，利用实测水文资料对模型参数进行率定和验证，验证结果达到内河航道与港口水流泥沙模拟技术规程（jtj∕t232-98）规定的精度要求后，进行水流数值模拟；
步骤4、计算各单元的净输沙量：依据实测资料确定航道沿程河床底质中值粒径，基于饱和输沙原理，将所述步骤3计算结果和河床底质中值粒径代入engelund-hanson推移质输沙率公式（4），计算各单元边界的推移质输沙率，并统计各单元在时间域内的净输沙量；
步骤5、率定推移质输沙率公式的计算参数：将所述步骤2统计的单元内实测冲淤量和步骤4计算的净输沙量比对验证，并调整推移质输沙率公式（4）的计算参数，使实测值及其空间分布与计算值相吻合；
步骤6、预报拟建航道的回淤量：采用所述步骤3计算工程（整治工程及疏浚工程）后的各单元的水位、流速和流向，利用所述步骤5确定的输沙率公式（4）参数，按所述步骤4预报拟建航道的回淤量。
所述步骤1的具体过程为：结合河道地形条件、沿程水动力条件、河床底质中值粒径、冲淤变化特点和可能的工程方案等将拟建航道划分为多个回淤计算单元。
所述步骤2的具体过程为：根据研究区域相邻两次地形测图对拟建航道区进行冲淤分析，统计每个单元的净冲刷量或淤积量；
在所述步骤3中，所述平面二维水流数学模型的控制方程式分别是：
其中：
所述步骤4中，本发明采用的engelund-hanson推移质输沙率公式为：
其中：f为阻力系数；α、β为无因次系数；φb为无因次输沙强度，φb的函数式为
所述步骤5中，engelund-hanson推移质输沙率公式（4）中包含两个系数α、β，对于初始计算时，α推荐值为0.1，β推荐值为2.5；输沙率公式参数调整时，优先调整α，当验证结果相差较大时（一般地形冲淤验证允许偏差为±30%），可同时调整α、β，β变化范围在2.0～3.0之间。
所述步骤6的具体过程为：利用所述步骤3建立的二维水流数学模型计算工程（整治工程及疏浚工程）后的航道沿程各计算单元的水位、流速和流向，利用所述步骤5确定的输沙率公式参数，按所述步骤4预报航道回淤量。
由此，完成基于饱和输沙原理的沙质内河航道回淤量预报全过程。
本发明的核心思想在所述步骤4予以体现：实际输沙率取水流输沙能力，则航道某一单元某一时刻的冲淤量可以由四周净输沙率计算得到，连续计算一定时间（一月或一年）即可得该单元的回淤量。
以下是本发明运用在长江下游通州沙河段深水航道的一个实例。
长江下游通州沙河段上起十三圩，下至徐六泾，形成“s”型，全长约39km。进出口河宽相对较窄，约5.7km左右，中部放宽，最大河宽达10km。现结合长江南京以下12.5米深水航道一期工程实例，说明本发明的具体实施步骤。
参照图1～5，本发明采用如下步骤：
步骤1将拟建航道划分为多个回淤计算单元：
根据河道自然条件和可能的工程方案，将长江南京以下12.5米深水航道一期工程航道划分为若干统计单元，以单元a和单元b为例，分别代表航道内地形冲刷和淤积的区域，单元位置参见图2。
步骤2统计各单元内的实测冲淤量：
根据2012年7月和9月地形图开展冲淤分析，2012年7月～9月期间单元a自然冲刷量为32.5万方/月，单元b自然淤积量为68.3万方/月。
步骤3建立二维水流数学模型并验证，计算航道沿程各计算单元的水位、流速和流向：
建立江阴至长江口二维水流数学模型，模型东西长约230km，南北宽约140km，模型区域详见图3。选取2012年7月～9月实测水文资料进行模型验证，单元a和b的验证结果达到内河航道与港口水流泥沙模拟技术规程（jtj∕t232-98）规定的精度要求后，进行全航道水流数值模拟。
步骤4计算各单元的净输沙量：
根据实测水文资料，航道内河床底质中值粒径约为0.15mm，利用步骤3计算的水位、流速和流向计算结果，代入engelund-hanson推移质输沙率公式，计算各单元边界的推移质输沙率，并求代数和得到各计算单元的净输沙率，统计各单元在时间域内的净输沙量，单元a的推移质输沙率随时间变化过程见图4和图5。
步骤5率定推移质输沙率公式的计算参数：
根据所述步骤4，计算得单元a在2012年7月～9月净输沙量为-22.7万方/月（负值表示单元内输出沙量大于输入沙量，航道内地形发生冲刷），单元b净输沙量为58万方/月（正值表示单元内输出沙量小于输入沙量，航道内地形发生淤积），与所述步骤2统计结果相比，单元a计算的冲刷量与实测值相差约20%，单元b计算的淤积量与回淤量相差约15%，可见冲淤量计算值与实测值相差不大，满足相关规范要求的地形冲淤验证精度，不需调整输沙率公式中的计算参数，可采用engelund-hanson推移质输沙率公式推荐的α、β值进行回淤量预报。
步骤6预报拟建航道的回淤量：
采用所述步骤3建立的二维水流数学模型，计算长江南京以下12.5米深水航道一期工程实施后航道沿程各计算单元的水位、流速和流向，利用所述步骤5确定的输沙率公式参数，按所述步骤4预报航道单元b的年回淤量约200万方。
根据一期工程试运行期2014年7月～2015年6月航道维护资料，统计得单元b年维护量约265.6万方，预报的航道回淤量与试运行期航道维护量误差约25%，考虑到航道维护采用随淤随挖的方式，维护量与回淤量预报值之间的差值是可以接受的，说明了本文提出的沙质内河航道回淤量预报方法具有较好适应性，可在类似的内河航道建设中推广应用。