一种黄河下游游荡性河道整治工程不匹配度的计算方法与流程

1.本发明属于水利工程技术领域，具体涉及一种黄河下游游荡性河道整治工程不匹配度的计算方法。


背景技术：

2.黄河是中华民族的母亲河，同时它也是一条多灾害河流，历史上黄河下游洪灾频繁；黄河干流在河南省郑州市桃花峪进入平原，桃花峪以下长786km为下游河道，其中从洛阳市孟津县白鹤到菏泽市东明县高村299km为游荡性河段，游荡性河段河势具有宽浅散乱、洲滩密布的特征，历来都是防洪的重点河段；从20世纪60年代末开始在游荡性河段实施河道整治，修建河道整治工程，截止目前，游荡性河段建有控导工程89处，工程长度225.21km，险工31处，工程长度111.46km，两岸的工程总长度占河道总长度的113%；黄河下游游荡性河道以防洪为目的的河道整治主要采用中水微弯型的整治方案，河道整治工程设计流量为4000-5000m
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/s、含沙量为30kg/m
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；目前游荡性河段已布设的控导工程大大缩小了游荡范围，一些河道整治工程与来水来沙匹配较好，能适应多种水沙条件，表现出了较好的控导效果。
3.但是有的河段河势尚未得到完全控制，一些工程与来水来沙条件不完全匹配，长期的小水作用导致现有流路与规划流路形态不一致，一些局部河段河势恶化，河道整治工程靠溜部位上提或下挫现象增多，甚至已达工程上界或下界靠溜的极限，造成工程上首塌滩严重，超出工程控制范围，形成了畸形河势，一些工程处于脱河、半脱河状态。随着小浪底水库投入运用，进入黄河下游的水沙过程发生变化，黄河下游河道整治工程的不适应问题，表现的更加突出；为了提高游荡性河道整治工程对水沙过程的适应性，需要定量分析游荡性河道整治工程型式的不匹配程度，但是现有关于游荡性河道整治工程的不匹配多是定性描述，缺乏定量表达，如果对一些布局不合理的工程进行调整和改造，则需要对影响河道整治工程控导效果的不匹配度现象进行量化，构建统一的衡量标准；因此，合理确定黄河下游河道整治工程的适应性和匹配度，成为黄河下游防洪工程布局优化迫切需要解决的技术难题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，提供一种能够定量分析游荡性河道整治工程不匹配程度的方法，该方法既能反映黄河下游游荡性河道单一河道整治工程不匹配度，又能反映两个单一河道整治工程组成的工程群组不匹配度；为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种黄河下游游荡性河道整治工程不匹配度的计算方法，包括如下步骤：1、河道整治工程不匹配度的架构河道整治工程的不匹配度是优化河道整治工程布局的基础，河道整治工程的不匹配度是指该现有工程与和谐工程平面布置形态的差异程度，和谐工程是指在多种水沙条件
作用下，控导效果均较好，长期靠溜并能保持河势和河道断面形态长期稳定不变的河道整治工程，整治工程不匹配度研究需要有相应的和谐工程作为基准，在此将评价对象现有工程划分为单一工程和两个单一工程组合起来的工程群组两种类型，相应地，和谐工程也相对应地分为和谐单一工程和和谐工程群组，将单一工程与和谐单一工程的不匹配度用来表示，将工程群组与和谐工程群组的不匹配度用来表示。
5.2、和谐工程指标的确定和谐单一工程指标的确定本文选取的和谐单一工程平面布置形态，每个工程按“五段三弧”制来进行划分，“五段三弧”是根据工程的平面形态和与水流的关系，将其分为五段，分别是藏头段、直线段、弯曲迎溜段、弯曲导溜段和弯曲送溜段；弯曲迎溜段、弯曲导溜段和弯曲送溜段看做是工程弯曲段的三段弧；弯曲迎溜段主要以适应来溜的变化，利于迎溜入湾；弯曲导溜段主要用于调整和改变水流方向；弯曲送溜段主要是削弱弯道环流，归顺流势，送溜出湾；根据多年的工程实践，选定在多种水沙条件下常年控导效果较好，保持河势和河道断面形态长期稳定不变的工程作为和谐单一工程参数指标，按“五段三弧”制将选定工程的弯曲段划分为适应3000m
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/s～5000m
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/s流量的弯曲迎溜段、弯曲导溜段和弯曲送溜段3段，根据式（1）拟合计算不同河段整治工程弯曲段弯曲半径的范围；式(1)其中，r表示弯曲半径，n表示弯曲半径与流量的拟合系数，2＜n＜4，q表示流量；然后分别测量所选取工程的弯曲迎溜段、弯曲导溜段和弯曲送溜段的弯曲半径，并将测量得到的弯曲半径与通过公式（1）计算得到的弯曲半径进行比对，若测量得到的弯曲半径在通过公式（1）计算得到的相应的弯曲半径之内，则说明所选取的和谐单一工程更符合要求，并将测量得到的弯曲迎溜段、弯曲导溜段和弯曲送溜段的弯曲半径以及测量得到的工程弯曲段长度确定为和谐单一工程的参数指标。
6.和谐工程群组指标的确定将河道整治工程，两个设定为一个工程群组，选取三组多年控导效果最好的作为和谐工程群组，并建立工程群组的布局准则；选取上游工程的理想送溜距离、下游工程的理想迎溜点、下游工程的理想导溜角作为衡量工程群组中两个工程相互作用关系的指标；其中，理想送溜距离是以上游工程的导流段末尾做切线延伸到下游工程，从上游工程出溜点延切线到下游工程之间的距离；下游工程理想迎溜点指上游工程出溜点延切线与下游工程的交点；下游工程理想导溜角是指上游工程出溜点切线与下游工程出溜点切线的夹角；取三组工程群组平面形态的均值后，得出和谐工程群组的参数指标为平均理想送溜距离，平均理想工程导溜角，位于下游工程导溜段的20%左右的理想工程迎溜点。
7.3、河道现有单一工程与和谐单一工程不匹配度的计算首先，基于工程形态特征，选取表征单一工程与和谐单一工程形态差异的相关参数，如工程弯曲段的弯曲半径，工程长度等；其次，基于单个工程平面布置形态的相关参数，提出表征现有工程与和谐工程指标的不匹配度计算方法，见式（2）；
式（2）式中，表示现有工程与和谐工程的不匹配度；为现有工程弯曲迎溜段的弯曲半径；为和谐工程弯曲迎溜段的弯曲半径；为现有工程弯曲导溜段的弯曲半径；为和谐工程弯曲导溜段的弯曲半径；为现有工程弯曲送溜段的弯曲半径；为和谐工程弯曲送溜段的弯曲半径；为和谐工程的弯曲段长度；为现有工程的弯曲段长度。
8.当l0=l，=，=，=时，=0，说明现有工程与和谐工程的平面布置形态一致，为最理想的情景；当l0＜l时，，取=0；然后，根据河道布置的工程，分别提取工程迎溜段、导溜段、送溜段的弯曲半径，工程弯曲段的长度等相关参数，代入式（2），计算河道每个单一工程与和谐工程指标的不匹配度。
9.4、河道现有工程群组与和谐工程群组不匹配度的计算首先，根据工程群组的形态特征，选取能够表征工程群组与和谐工程群组形态特征的参数；在空间关系上，一个工程群组的平面形态可以分三部分，上游工程的平面形态特征，下游工程的平面形态特征以及两个工程之间的相对关系；其次，根据工程群组的形态特征参数，构建表征现有工程群组与和谐工程群组不匹配度的计算方法，见式（3）；然后，分析每个特征参数对不匹配度影响的大小，确定式（3）中每项的系数，优选的，k1=0.3，k2=0.25，k3=0.15，k4=0.15，k5=0.15；最后，根据河道现有工程，采用单一工程与和谐单一工程不匹配度的计算方法，计算现有工程群组上游工程和下游工程平面形态的不匹配度，并分别提取相关参数代入式（3），计算河道每个工程群组与和谐工程群组指标的不匹配度；式（3）其中，k1、k2、k3、k4、k5为每一项的权重系数，它们的加和为1；表示现有工程群组中上游工程平面形态的不匹配度，表示现有工程群组中下游工程平面形态的不匹配度，y为现有工程群组上游工程理想着溜点的位置，y0为现有工程群组下游工程导溜段起始点的位置，l为现有工程群组下游工程的长度，l
s0
为和谐工程群组上游工程的平均理想送溜距离，ls为现有工程群组上游工程的理想送溜距离；为和谐工程群组下游工程的平均理想导溜角，为现有工程群组下游工程的理想导溜角；y、y0、l、ls、均是通过直接测量得到；当时,上游工程的理想着溜点位于下游工程的迎溜段，令，
当时，说明下游工程理想导溜角比和谐工程群组的大，令。
10.本发明取得的有益效果：本发明可对影响河道整治工程控导效果的不匹配度进行量化，获得黄河下游游荡性河道整治工程单一工程和工程群组在不同水沙条件下起到最好导溜效果的差距，进而对河道整治工程的效用做出适时适情的科学判断。
附图说明
11.图1为整治工程平面布置形态示意图；图2、图3、图4分别为黄河下游游荡性河道单个工程的不匹配度评价图；图5为黄河下游游荡性河道工程群组的不匹配度评价图。
具体实施方式
12.下面结合具体实施对本发明作更进一步的说明。
13.实施例1神堤工程的不匹配度计算步骤1）、确定和谐单一工程的参数指标：选取在多种水沙条件下常年控导效果较好、保持河势和河道断面形态长期稳定不变的周营工程作为和谐单一工程，按“五段三弧制”将周营工程的弯曲段划分为适应3000m
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/s～5000m
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/s流量的弯曲迎溜段、弯曲导溜段和弯曲送溜段3段，“五段三弧制”是根据工程的平面形态和功能与水流的关系，将工程分为五段，分别是藏头段、直线段、弯曲迎溜段、弯曲导溜段和弯曲送溜段，弯曲迎溜段、弯曲导溜段和弯曲送溜段看做是工程弯曲段的三段弧。
14.根据式（1）计算3000m
³
/s～5000m
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/s流量下工程弯曲半径的常用范围，计算结果为：2229-5756m； 式(1)其中，r表示弯曲半径，n表示弯曲半径与流量的拟合系数，2＜n＜4，q表示流量；通过实际测量，得到周营工程的弯曲迎溜段、弯曲导溜段和弯曲送溜段的弯曲半径分别为5477m，4899m，4243m，实际测量值分别在通过公式（1）计算得到的相应的弯曲半径范围之内，说明所选取的和谐单一工程更符合要求；并将测量得到的弯曲迎溜段的弯曲半径（5477m）、弯曲导溜段的弯曲半径（4899m）和弯曲送溜段的弯曲半径（4243m）以及测量得到的工程弯曲段长度（5415m）确定为和谐单一工程的参数指标；步骤2）、根据步骤1）记载的“五段三弧制”对神堤工程进行划分，并测量得到神堤工程的弯曲迎溜段r1、弯曲导溜段r2和弯曲送溜段的弯曲半径r3以及工程弯曲段长度l分别为2295m，1963m，1963m，2950m；步骤3）、将步骤1）和步骤2）得到的参数指标代入式（2），计算得到神堤工程与周营工程的不匹配度=0.25；
式（2）采用实施例1的计算方法，再分别计算黄河下游游荡性河道40个单一工程的不匹配度，计算结果见图2-4（包含神堤工程），从图2-4可以看出，41个工程不匹配度的平均值为0.09，不匹配度最高的为赵沟工程，不匹配度值为0.30，其次为神堤工程，府君寺工程，不匹配度值分别为0.25和0.20；除去周营上延工程和周营工程，不匹配度最低的为逯村工程，马渡险工和马渡下延工程，裴峪工程，东坝头控导工程，蔡集控导工程。
15.实施例2赵沟—化工工程群组与和谐工程群组指标不匹配度的计算步骤1）、确定和谐工程群组的参数指标将两个河道整治工程设定为一个工程群组，选取三组多年控导效果最好的作为和谐工程群组，并建立工程群组的布局准则；选取的三组和谐工程群组分别为
①
王高寨工程与辛店集工程的组合工程—周营上延工程与周营控导工程的组合工程，
②
双井工程—马渡险工与马渡下延工程的组合工程，
③
禅房控导工程与蔡集-王夹堤的组合工程；选取上游工程的理想送溜距离、下游工程的理想迎溜点、下游工程的理想导溜角作为衡量工程群组中两个工程相互作用关系的指标；其中，理想送溜距离是以上游工程的导流段末尾做切线延伸到下游工程，从上游工程出溜点延切线到下游工程之间的距离；下游工程的理想迎溜点指上游工程出溜点延切线与下游工程的交点；下游工程理想导溜角是指上游工程出溜点切线与下游工程出溜点切线的夹角；分别测量所选三组工程群组上游工程的理想送溜距离、下游工程的理想导溜角（表1），并取三组相应数据的均值，得出和谐工程群组的参数指标：上游工程的平均理想送溜距离l
s0
（5796m），下游工程的平均理想导溜角（98.47
°
），位于下游工程导溜段20%左右的理想工程迎溜点；表1工程群组上游工程理想送溜距离（m）下游工程理想导溜角（
°
）
①
590088.3
②
4631110.4
③
685796.7步骤2）、采用实施例1的方案计算得到赵沟—化工工程群组中上游工程的不匹配度=0.303和下游工程的不匹配度=0.102；并通过直接测量赵沟—化工工程群组得到：上游工程理想迎溜点的位置y到下游工程导溜段起始点的位置y0的距离为350m，下游工程迎溜段的长度l为5540m，上游工程的理想送溜距离ls为3702m，下游工程的理想导溜角为91.2
°
；步骤3）、根据式（3）计算得到赵沟—化工工程群组与和谐工程群组的不匹配度=0.177；
式（3）其中，k1、k2、k3、k4、k5为每一项的权重系数，它们的加和为1，在此选定k1=0.3，k2=0.25，k3=0.15，k4=0.15，k5=0.15；采用实施例2的计算方法，选取黄河下游游荡性河段30组工程群组，分别计算它们的不匹配度，计算结果见图5（包括赵沟—化工）；从图5可以看出，赵沟—化工，大玉兰-神堤，老田庵—保和寨，保和寨—马庄，老君堂—于林不匹配度大于0.13，说明工程群组平面形态的不匹配度较高，工程群组的控导能力较弱；铁谢—逯村，逯村—花园镇，裴峪—大玉兰，孤柏咀—驾部，双井—马渡，禅房—蔡集，辛店集—周营不匹配度小于0.06，说明工程群组平面形态的不匹配度较低，工程群组的控导能力较强。
16.以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。