本發(fā)明涉及一種感潮河段造床流量的計算方法，屬于治河與航道工程領域。

背景技術：

目前，有關感潮河段造床流量的相關研究成果相對較少。對于造床流量的計算一般有平灘水位法、輸沙率法、水沙綜合頻率法等，其中輸沙率法又分為馬卡維耶夫法、地貌功法與有效流量法^[1]。對于單一徑流河段，董冠營和趙文賓^[2]、虞邦義等^[3]分別利用馬卡維耶夫法對淮河盱眙河段及中游造床流量進行了計算，認為計算結(jié)果能反應研究河段較為平均的水流與河床特征。楚萬強等^[4]對長江重慶河段分別利用馬卡維耶夫法與頻率分析法計算得出了較為接近的結(jié)果。閆金波等^[5]對三峽壩下沿程造床流量與水流挾沙力的變化規(guī)律進行分析，研究了河床的演變趨勢。馮紅武^[6]通過對丹江口近壩徑流調(diào)節(jié)段造床流量計算進行分析，認為馬卡維耶夫法與有效徑流法均為可取方法。伍悅濱等^[1]對馬卡維耶夫法在松花江中下游造床流量分析的應用做了可行性分析，認為馬卡維耶夫法不適用于松花江下游。對于感潮河段，吳道文等^[7]通過長江澄通河段實測資料，計算了造床流量，得出長江下游造床流量沿程增加的結(jié)論。韓曾萃等^[8]通過對錢塘江等潮汐河口各種頻率的漲、落潮輸沙大小進行了對比計算，得出包括年平均徑流的年平均落潮流量的造床作用最大的結(jié)論。上述研究中，大多采用比降作為參數(shù)，對于單一徑流河流比降確定較為容易，但在感潮河段，受潮汐作用，水流為非恒定流，比降的變化十分大，正負比降都會出現(xiàn)，因此比降的確定十分困難，使得現(xiàn)有計算造床流量的方法不適用于感潮河段。同時由于感潮河段受到徑流潮流的雙重作用，如何考慮徑流與潮流的隨時間空間變化是確定感潮河段造床流量的關鍵，目前計算造床流量的方法很少有考慮這些問題，也使得對于感潮河段的造床流量計算缺乏內(nèi)在理論依據(jù)支持。

造床流量是河道治理和航道整治工程規(guī)劃和設計的重要參考指標之一，歷來為人們所關注。感潮河段是海運與內(nèi)河航運的過渡段，沿程各港口承擔著河流中上游貨物與海運貨中轉(zhuǎn)站的重任，特別是在船舶的大型化發(fā)展以及向遠洋大型集裝箱船舶的發(fā)展趨勢下，對于感潮河段航道的要求越來越高，對感潮河段進行航道整治成為推進國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要戰(zhàn)略。作為航道整治的重要參數(shù)，采用合理方法確定感潮河段造床流量是非常必要的。

以下給出檢索的相關文獻：

[1]馮紅武.近壩徑流調(diào)節(jié)河段造床流量確定方法研究[J].中國水運(下半月),2011,第11卷(第1期)

[2]董冠營,趙文賓.淮河盱眙段河道造床流量的計算[J].中國水運(下半月),2014,(第8期):164-165

[3]虞邦義,郁玉鎖,趙凱.淮河中游造床流量計算[J].河海大學學報(自然科學版),2010,第38卷(第2期):210-214

[4]楚萬強,李永麗,謝龍.長江干流重慶主城河段造床流量計算[J].重慶交通大學學報(自然科學版),2015,第34卷(第2期):69-71,117

[5]閆金波,唐慶霞,鄒濤.三峽壩下游河道造床流量與水流挾沙力的變化[J].長江科學院院報,2014,第31卷(第2期):114-118

[6]伍悅濱,賈艷紅,范寶山.松花江中下游造床流量分析[J].哈爾濱工業(yè)大學學報,2008,第40卷(第6期):880-883

[7]吳道文,王秀丹,王曉俊.長江河口段造床流量計算[A].第十六屆中國海洋(岸)工程學術討論會[C],2013

[8]韓曾萃,唐子文,尤愛菊,曹穎,刑云.河口水動力與河床形態(tài)關系的研究[J].水力發(fā)電學報,2015,第34卷(第4期):83-90

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明基于馬卡維耶夫推求造床流量的基本原理，將流量輸沙率法應用于感潮河段造床流量的計算之中，解決了潮汐河口段水面比降不易確定的技術難題，提出了一種感潮河段造床流量的計算方法；對于感潮河段下游潮汐占優(yōu)河段，提出造床流量群的概念；結(jié)合沿程斷面洪枯季水位差、洪枯季潮差分析造床流量變化與潮汐和徑流動力的關系，為造床流量計算提供內(nèi)在的理論支持，揭示感潮河段徑流占優(yōu)與潮汐占優(yōu)段水動力塑造河床特點。本發(fā)明計算的感潮河段造床流量可以為治河與航道整治工程規(guī)劃和設計提供科學依據(jù)。

為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術方案：一種感潮河段造床流的計算方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一，建立潮流數(shù)學模型，計算研究河段選定斷面年內(nèi)逐時水位流量、洪枯季大潮潮差以及洪枯季水位差。

步驟二，將河段某一斷面流量分成若干相等的流量級，確定各級流量出現(xiàn)的頻率P；

步驟三，計算出相應于每一級流量的QⁿP乘積值，n的取值建議為2；

步驟四，繪制Q～QⁿP關系曲線，從圖中找出造床作用的極值，相應于此極值的流量即為所求的造床流量。

步驟五，分析造床流量與沿程斷面洪枯季潮差變化，分析潮汐與徑流動力對造床流量的影響。

優(yōu)選地，步驟一具體包括：建立潮流數(shù)學模型

建立計算河段潮流數(shù)學模型，在一維潮流數(shù)學模型中，采用Saint-Venant方程組作為控制方程，其連續(xù)方程和運動方程可以表示為：

式中：x和t分別為距離和時間的坐標；A為過水斷面面積；Q為流量；h為水位；q為旁側(cè)入流的流量；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑；α為動量校正系數(shù)；g為重力加速度。

上下邊界分別采用實測水文資料，其中上邊界為模型運行時間內(nèi)逐日流量，下邊界為模型運行內(nèi)實測逐時潮位資料。利用實測上下邊界間實測站點水文資料對潮流數(shù)學模型進行驗證，達到精度要求后可以計算出各斷面的逐時流量、水位，由于受到潮流的上溯作用，部分斷面的流量可能會出現(xiàn)負值，為了計算簡便在考慮往復流的造床作用中認為潮流與徑流的造床作用相同，因此，實際處理中取所有流量的絕對值進行計算。

優(yōu)選地，步驟二具體包括：計算時將所得流量值從大到小按一定間隔為一區(qū)間分組，分別統(tǒng)計各個區(qū)間流量值數(shù)量除以數(shù)據(jù)總量即可得出頻率P。

優(yōu)選地，步驟三具體包括：計算出相應于每一級流量的QⁿP乘積值，其中為Q為該級流量的平均值，根據(jù)馬卡維耶夫的理論，某個流量造床作用的大小與其輸沙能力的大小有關，對于以懸移質(zhì)輸沙為主的潮汐河口，水流輸沙能力可以表示為：

G_s＝bQⁿ (2)

對于潮汐河口的水流輸沙能力，韓曾萃建議可以選擇n＝2。為了不失一般性，在計算中指數(shù)n分別取2、3、4。為便于比較，對于各斷面不同指數(shù)n的造床作用均進行了標準化處理，即將各個流量的造床作用除以所有流量造床作用的最大值。

優(yōu)選地，步驟四具體包括：將步驟三得到的Q及P代入計算公式QⁿP，可以得到各斷面的繪制Q～QⁿP關系曲線，即綜合造床作用曲線。從圖中找出造床作用的極值，相應于此極值的流量即為所求的造床流量。對于徑流作用為主的河段斷面綜合造床作用曲線會存在兩個峰值，與此對應，也就有兩個造床流量，分別為第一造床流量和第二造床流量。對于潮汐作用為主的河段，造床作用的峰值現(xiàn)象不再明顯，這也就意味著不存在所謂單一的造床流量，其造床作用明顯大于其他流量，而應該認為存在一個造床流量群，位于此群內(nèi)的各流量都具有較強的造床作用?？梢愿鶕?jù)最大的造床作用對應流量的一定比例作為造床流量群的上下限，分別作為第一造床流量與第二造床流量。

優(yōu)選地，步驟五包括：將沿程各個斷面第一造床流量、第二造床流量、洪季潮差、枯季潮差、洪枯季水位差的計算結(jié)果進行對比分析，其中洪季潮差和枯季潮差值代表潮汐動力強弱，洪枯季水位差則代表徑流動力強弱。

(1)當洪季潮差枯季潮差沿程均有所增加則表示潮汐動力沿程逐漸增強，潮量沿程增大，相應的造床流量也會隨之提高。

(2)當斷面洪枯季水位差大于洪季潮差和枯季潮差時說明該斷面徑流動力要強于潮汐動力，反之則說明徑流動力弱于潮汐動力。

相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明所達到的有益效果：

(1)本發(fā)明在現(xiàn)有造床流量計算方法的基礎上，首次將流量輸沙率法應用于感潮河段造床流量的計算之中，解決了潮汐河口段水面比降不易確定的技術難題，提出了一種適用于徑流潮汐雙重作用下的感潮河段造床流量的計算方法；

(2)本發(fā)明針對感潮河段潮汐占優(yōu)河段造床流量特點提出了造床流量群的概念，并取造床流量群的上下限作為第一第二造床流量，解決了感潮河段第一第二造床流量無法區(qū)分的難題。

(3)本發(fā)明揭示了感潮河段中徑流動力與潮流動力對造床流量的影響，為造床流量的計算結(jié)果提供了內(nèi)在理論依據(jù)，揭示了計算河段水動力塑造河床特點，可以為治河與航道整治工程規(guī)劃和設計提供科學依據(jù)，能在航道工程獲得較廣泛的應用。

附圖說明

圖1是研究河段數(shù)學模型計算斷面示意圖。

圖2是流量比降輸沙率法造床流量計算結(jié)果圖。

圖3是沿程造床流量與潮差關系圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護范圍。

現(xiàn)以本發(fā)明提出的一種感潮河段造床流量的確定方法應用于長江大通至長江口河段來詳細介紹本發(fā)明，具體實施步驟如下：

步驟一、計算研究河段選定斷面年內(nèi)逐時水位流量。

建立計算河段潮流數(shù)學模型，在一維潮流數(shù)學模型中，采用Saint-Venant方程組作為控制方程，其連續(xù)方程和運動方程可以表示為：

式中：x和t分別為距離和時間的坐標；A為過水斷面面積；Q為流量；h為水位；q為旁側(cè)入流的流量；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑；α為動量校正系數(shù)；g為重力加速度。

采用長江下游長河段一維潮流數(shù)學模型進行流量與水位計算。模型的上邊界選在長江下游水文站大通站，下邊界考慮長江口的實際情況，分別放在南北兩支，北支下邊界為青龍港，南支為吳淞口。一維模型從大通站至長江口全長591.7km，模型共選取223個計算斷面。考慮到水文年的代表性和資料情況，選取2010年作為研究對象。在一維模型中，上邊界選取2010年實測大通逐日流量，下邊界南支至吳淞口，采用2010年實測逐時潮位作為邊界；北支至青龍港，采用2010年實測日高低潮位資料利用三次多項式插值得到逐時潮位資料作為邊界。

為使所建立的潮流數(shù)學模型能較好地模擬實際水流的運動情況，需對模型進行率定和驗證，確定其中的計算參數(shù)。以往曾分別利用2004～2008年多次實測水文資料對該模型進行率定，本次研究中選用2010年4月與7月多個潮位站點實測潮位進行驗證。經(jīng)驗證，計算結(jié)果與實測值吻合較好。

計算時，選取長江大通至吳淞口沿程12個斷面作為研究對象，詳見圖1，沿程斷面可以較好的代表各個水道的情況。利用數(shù)學模型，計算出各斷面的逐時流量。由于受到潮流的上溯作用，部分斷面的流量可能會出現(xiàn)負值，為了計算簡便在考慮往復流的造床作用中認為潮流與徑流的造床作用相同，因此，實際處理中取所有流量的絕對值進行計算。

步驟二、將計算斷面流量分成若干相等的流量級，這里將所得流量值從大到小按500m³/s為一區(qū)間分組，分別統(tǒng)計各個區(qū)間流量數(shù)量除以數(shù)據(jù)總量即可得出頻率P。

步驟三、計算出相應于每一級流量的QⁿP乘積值，根據(jù)韓曾萃等的建議，對于潮汐河口的水流輸沙能力，可以選擇n＝2。不過，從馬卡維耶夫計算造床流量的方法來看，水流輸沙能力也有可能與流量的4次方相關，也就是n＝4。為了不失一般性，在計算中指數(shù)n分別取2、3、4。為便于比較，對于各斷面不同指數(shù)n的造床作用均進行了標準化處理，也就是各自除以造床作用的最大值。其中Q為該級流量的平均值。

步驟四、將步驟三得到的各值代入計算公式，可以繪制各斷面的Q～QⁿP關系曲線，即綜合造床作用曲線。從圖中找出造床作用的極值，相應于此極值的流量即為所求的造床流量。對于徑流作用為主的河段斷面綜合造床作用曲線會存在兩個峰值，與此對應，也就有兩個造床流量，分別為第一造床流量和第二造床流量，其中，第二造床流量對于航道整治來說更具有參考價值。對于潮汐作用為主的河段，造床作用的峰值現(xiàn)象不再明顯，這也就意味著不存在所謂單一的造床流量，其造床作用明顯大于其他流量，而應該認為存在一個造床流量群，位于此群內(nèi)的各流量都具有較強的造床作用。可以根據(jù)最大的造床作用對應流量的一定比例作為造床流量群的上下限，分別作為第一造床流量與第二造床流量。結(jié)果詳見圖2。

表1流量輸沙率法造床流量計算結(jié)果

表1是根據(jù)圖2的造床流量曲線計算結(jié)果，經(jīng)過整理，就可以得到流量輸沙率法計算所得各斷面的造床流量，可以看到：

1、天生港以上河段各計算斷面中，綜合造床作用均存在兩個峰值，與此對應，各斷面也就有兩個造床流量，分別為第一造床流量和第二造床流量，其中，第二造床流量對于航道整治來說更具有參考價值；徐六涇以下河段(包括徐六涇)，綜合造床作用僅存在一個峰值，也就是說僅有一個造床流量。

2、通常，第一造床流量所對應的綜合造床作用峰值要大于第二造床流量，如圖2所示的大通到揚中各斷面計算結(jié)果。但是，在江陰和天生港兩個斷面，第二造床流量所對應的綜合造床作用先是在江陰斷面接近第一造床流量，然后又在天生港斷面有所反超，說明這個河段是一個重要的過渡段。

3、對于揚中以上河段，造床作用曲線具有明顯的峰值現(xiàn)象(如銅陵斷面)，說明單一流量具有非常強的造床作用。但是，自徐六涇開始，造床作用的峰值現(xiàn)象不再明顯(如楊林斷面)，這也就意味著不存在所謂單一的造床流量，其造床作用明顯大于其他流量，而應該認為存在一個造床流量群，位于此群內(nèi)的各流量都具有較強的造床作用。

4、就指數(shù)n來說，一般情況下(天生港斷面以上河段)，指數(shù)n的取值，不影響水流造床作用曲線的分布。但對于天生港以下河段，指數(shù)n對于水流造床作用曲線分布有一定影響，隨著指數(shù)n的增加，造床作用曲線有向大流量方向偏移的趨勢。對比吳道文對肖山至徐六涇河段的造床流量計算發(fā)現(xiàn)n＝2時計算的造床流量比較合理。

5、對于流量輸沙率法中的指數(shù)的影響來說，江陰以上河段的造床流量計算結(jié)果沒有區(qū)別。江陰以下各斷面，隨著指數(shù)的增加，造床流量群的上限和下限有增加的趨勢，也就是向大流量方向偏移。

步驟五，分析造床流量與沿程斷面洪枯季潮差變化，分析潮汐與徑流動力對造床流量的影響。

表4和圖3中分別給出了第一造床流量、第二造床流量、洪季潮差、枯季潮差、洪枯季水位差的計算結(jié)果，其中洪季潮差和枯季潮差值代表潮汐動力強弱，洪枯季水位差則代表徑流動力強弱。根據(jù)計算結(jié)果，可以看出：

(1)長江下游感潮河段，無論是洪季潮差還是枯季潮差，沿程均有所增加，詳見圖3，說明潮汐動力沿程逐漸增強，潮量沿程增大，造床流量也隨之提高。自南京開始，造床流量沿程增加明顯，主要應與潮汐動力增強有關。

(2)大通至揚中河段，各斷面洪枯季水位差要大于洪季潮差和枯季潮差，詳見表4和圖3，說明徑流動力要強于潮汐動力。在江陰和天生港兩個斷面，洪枯季水位差與洪季潮差和枯季潮差接近，說明這里是徑流動力占優(yōu)向潮汐動力占優(yōu)的過渡段。自徐六涇斷面開始，潮汐動力開始占據(jù)主導地位，此時就不再是一、二個流量對造床起決定性作用，而是存在一個造床流量群，期間的各流量均具有較大的造床作用。

表4大通以下各斷面造床流量、洪枯季潮差、洪枯季水位差

本發(fā)明的具體實施方式中凡未涉到的說明屬于本領域的公知技術，可參考公知技術加以實施。

本發(fā)明可用于計算感潮河段造床流量。通過本發(fā)明所得到的造床流量可以為感潮河段河道和航道整治工程規(guī)劃設計提供重要參考指標。通過本發(fā)明還可以明確感潮河段造床流量沿程變化規(guī)律，揭示徑流占優(yōu)與潮汐占優(yōu)河段水動力塑造河床特點。綜上本發(fā)明能在航道整治工程領域獲得較廣泛的應用。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和等同形式的替換，這些改進和等同替換得到的技術方案也應屬于本發(fā)明的保護范圍。