一种游荡性河道造床流量确定方法与流程

本发明涉及一种游荡性河道造床流量确定方法，属于水利工程领域，其ipc分类号为e02b1/00。

背景技术：

大多数的游荡性河道发展于平原地区，其特点是主流摇摆不定，河势变化复杂。平原地区常住人口密集，加之游荡性河道流量过程变化剧烈，使得此类河道防洪压力巨大，尤以黄河下游河段最为著名。在进行河道防洪整治时，需要确定一个与其多年流量过程综合造床作用相当的关键流量参数，即造床流量。

目前常用的确定造床流量方法有平滩流量法(如中国专利申请cn110555248a)、输沙率法(如中国专利cn106759063b和cn107401140b)和输沙能力法。其中，输沙能力法在工程实践中应用最多，最经典的属前苏联学者马卡维耶夫提出的计算方法，即马卡维耶夫法。此方法认为某个流量的造床作用既与该流量的输沙能力有关，也与该流量所持续的时间有关。前者与流量q的m次方及比降j的乘积成正比，后者可用该流量出现的频率p来表示。该方法造床能力的表达式为q^mjp，式中m为双对数坐标上实测断面输沙率gs与相应流量q拟合直线的斜率；将河段断面随时间变化的流量过程分为若干等间距的流量级，统计流量在各流量级内出现的频率p。最后该方法通常会得到两个造床流量，即第一造床流量和第二造床流量。

诸多学者采用马卡维耶夫法广泛分析了黄河下游河道、松花江中下游河道、长江河道、淮河河道、新疆融雪型河道的造床流量变化规律。然而，游荡性河道的流量过程变化剧烈，流量极值范围大。采用马卡维耶夫法时，人为划分流量级将显著影响各流量对应的频率p值，进而对造床流量计算结果带来很大误差：若流量级取的小，会造成某一小流量级因出现频率过高而掩盖了真实值，且流量级值较多、不明显；若流量级取的过大，则计算得到的造床流量误差很大。目前如何选取流量级取尚无统一定论，计算时大多学者按经验选取。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术中的不足，提供了一种实施方便、成本较低、安全性高的汛期蓄水排沙分离调度方法，是为了解决上述问题而进行的，目的是提供一种游荡性河道造床流量确定方法，通过对流量数据逐级求取移动造床能力值，消除偶然变动和人为主观因素带来的不良影响，避免了人为划分流量级导致的计算误差，适用于游荡性河道，并且造床流量计算结果更加客观精确。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

一种游荡性河道造床流量确定方法，包括以下步骤：

步骤1，定义一系列流量级如下：

式中分别为流量级的上、下界，δq1为每组流量级长度，定义为δq2为流量级移动距离，定义为ni为流量级的数目。

步骤2，将所分析河道的实测流量数据按其数值从小到大进行排列，并找出最小值qmin和最大值qmax；将第1个流量级的下界赋值为qmin，则式(1)定义的一系列流量级表述为：

[qmin+(i-1)δq2，qmin+(i-1)δq2+δq1)(i＝1，2，…ni)(2)

选定δq1为qmax/15附近以百为单位的整数，δq2选定为单位流量值。

步骤3，对于第i流量级定义其表征流量为统计所分析河道实测流量数据中落入第i流量级内的所有流量对其造床能力进行累加以求取第i流量级的表征造床能力其中nj为落入第i流量级内的数目；m为双对数坐标上实测断面输沙率gs与相应流量q拟合直线的斜率；j是该河段的平均比降；当流量级上界变化至大于等于所分析河道实测流量数据中最大值qmax时，最后一次统计结束。

步骤4，绘制图，积分求取其围成的面积对进行归一化处理，即绘制qi～φi图，在图中查出φi的最大值，其对应的流量为第一造床流量，查出φi的次大值，其对应的流量为第二造床流量。

与现有的技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明吸收了经典马卡维耶夫法造床流量分析计算的基本理念，通过逐序求取流量级移动累加造床能力，充分有效利用流量过程数据，避免了人为划分流量级带来的误差。本发明的造床流量计算方法，每组流量级长度参数δq1、流量级移动距离参数δq2均较易客观选取，两参数在较大范围内变化对第一、第二造床流量的确定没有影响，计算得到的造床流量更加客观准确。

附图说明

图1为黄河下游花园口1986年～2015双对数坐标中实测断面输沙率gs与相应流量q关系图；

图2为黄河下游花园口1986年～2015年流量级为100m³/s条件下马卡维耶夫法造床流量分析图；

图3为黄河下游花园口1986年～2015年流量级为800m³/s条件下马卡维耶夫法造床流量分析图；

图4为本发明实施例中涉及的流量级长度参数δq1和流量级移动距离参数δq2示意图；

图5为本发明实施例中涉及的当δq1为500m³/s和δq2为1m³/s时黄河下游花园口1986年～2015年造床流量分析图；

图6为本发明实施例中涉及的当δq1为500m³/s和δq2为1m³/s时黄河下游花园口1986年～2015年归一化处理后的造床流量分析图；

图7为本发明实施例中涉及的当δq1为500m³/s、δq2分别为1、50、100、300、600m³/s时黄河下游花园口1986年～2015年造床流量分析图；

图8为本发明实施例中涉及的当δq2为1m³/s、δq1分别为200、300、400、500、600m³/s时黄河下游花园口1986年～2015年造床流量分析图。

具体实施方式

首先，结合附图，以实际算例指出现有方法存在的缺陷。

以黄河下游花园口河道为例，基于花园口水文站(位于河南省郑州市惠济区北郊17公里处的黄河南岸)1986年～2015年实测水文数据，采用现有的马卡维耶夫法，确定黄河下游花园口河道造床流量：(1)统计花园口1986年～2015年双对数坐标上断面输沙率gs与流量q拟合直线的斜率，得到m为2.1，如图1所示。(2)花园口1986年～2015年日均流量中最小值为7.58m³/s，最大值为7270m³/s。对实测比降求取平均值可得j＝0.0002。当人为划分的流量级为100m³/s时，分别统计花园口实测日均流量落入各个流量级[0m³/s，100m³/s)、[100m³/s，200m³/s)······[7200m³/s，7300m³/s)的频率p值。(3)绘制q～q^mjp，如图2所示，计算得到第一造床流量(圆圈标记)和第二造床流量(方块标记)分别为858m³/s和1260m³/s。

当人为划分的流量级为800m³/s时，上述步骤(2)变为分别统计日均流量落入各个流量级[0m³/s，800m³/s)、[800m³/s，1600m³/s)······[7200m³/s，8000m³/s)的频率p值；步骤(1)和(3)不变。图3为得到的q～q^mjp关系图，可知计算得到的第一造床流量和第二造床流量分别为1060m³/s和5053m³/s。

可以看出，采用现有技术，人为划分流量级对马卡维耶夫法造床流量计算结果影响很大：当流量级取的小时，将导致某一小流量级因出现频率过高而掩盖了真实值，且流量级值较多，造床能力曲线拐点不明显，确定造床流量时主观因素较大；若流量级取的大，则部分拐点无法计算得到，计算结果精度不高。

以下，对本发明涉及的一种游荡性河道造床流量确定方法的具体实施方案进行详细地说明。

同样的，本具体实施方案所分析的河段为黄河下游花园口河段，所采用的水文资料为花园口水文站1986年～2015年日均流量、日均输沙率、平均比降等资料，计算结果可与马卡维耶夫法计算结果作对比。

本发明涉及的一种游荡性河道造床流量确定方法，包括以下步骤：

步骤1，定义一系列流量级式中分别为第i流量级的上、下界；δq1为每组流量级长度，定义为δq2为流量级移动距离，定义为物理意义如图4所示；ni为流量级的数目。

步骤2，将花园口水文站1986年～2015年日均流量按数值从小到大进行排列，找出流量最小值qmin＝7.58m³/s和最大值qmax＝7270m³/s；将第1流量级的下界赋值为选定δq1为qmax/15附近以百为单位的整数，即δq1＝500m³/s；δq2选定为单位流量值，即δq2＝1m³/s。则第i流量级可表述为[6.58+i，6.58+i+500)(i＝1，2，…ni)。

步骤3，对于第1流量级其表征流量为统计花园口日均流量数据落入第1流量级内的流量系列，即共3419个流量在第1流量级内；对双对数坐标上花园口日均输沙率gs与相应日均流量q关系曲线进行线性拟合，得到拟合直线的斜率m＝2.1；对花园口实测比降求取平均值可得j＝0.0002。对落入第1流量级的流量的造床能力进行累加以求取其表征造床能力对于第2流量级采用上述相同计算方法可得q2＝258.58、对于第i流量级采用上述相同计算方法可得qi、当时，即i＝6764时最后一次统计计算结束，共计得到6764组qi和

步骤4，绘制曲线图，如图5所示，积分求取其围成的面积为了便于对比不同流量级的造床能力，对进行归一化处理即绘制qi～φi曲线图，如图6所示，在图中查出φi的最大值4.45×10^-4(图中圆圈处标记)，其对应的流量为第一造床流量，即910m³/s，φi的次大峰值2.62×10^-4(图中方块处标记)，其对应的流量为第二造床流量，即2670m³/s。与花园口1986年～2015年统计得到的平滩流量对比可知，本发明计算得到的造床流量与多年平滩流量平均值一致，这说明计算结果客观准确。

本发明涉及的一种游荡性河道造床流量确定方法，涉及的两个设定参数，分别为每组流量级长度δq1和流量级移动距离δq2。仍基于黄河下游花园口河段1986年～2015年实测水文资料，固定δq1＝500m³/s，分别计算当δq2为1、50、100、300、600m³/s时qi～φi关系曲线，如图7所示；固定δq2＝1m³/s，分别计算当δq1为200、300、400、500、600m³/s时qi～φi关系曲线，如图8所示。由图可以看出，即使当δq1和δq2在设定值(δq1为qmax/15附近以百为单位的整数，δq2为单位流量值)附近大范围变化时，第一和第二造床流量的确定不受δq1、δq2取值变化的影响。因此，本发明方法δq1和δq2参数在大范围内取值对造床流量的确定没有影响，计算得到的造床流量客观准确，避免了马卡维耶夫法中人为划分流量级对计算结果产生的影响，具有良好的实用性和普适性。

本发明方法通过逐序求取流量级移动累加造床能力，充分有效利用河道的水文资料，涉及的两个设定参数均较易选取，较大范围内对第一和第二造床流量的确定没有影响，同时避免了马卡维耶夫法中流量级难以客观选取，以及人为划分流量级带来的计算误差，计算结果客观准确且精度高，具有良好的实用性和普适性。