本發(fā)明涉及一種航道治理方法，特別涉及一種基于定量指標(biāo)的航道聯(lián)動治理方法。

背景技術(shù)：

目前，對于類似長江中下游的河段，上下游河道之間的演變具有關(guān)聯(lián)性，如長江中游荊江河段歷史上具有“一彎變，彎彎變”的特點。近十幾年來，隨著三峽水庫的蓄水運行，長江中下游河段普遍沖刷，洲灘侵蝕，局部河道向?qū)挏\方向發(fā)展，主流擺動空間增大，在分汊河段口門、彎道段以及兩彎之間的長直或放寬過渡段的航槽不穩(wěn)定性加大，上下游河段之間的聯(lián)動性增強。而長江上游除了已建成三峽水庫之外，正面臨著梯級大型水庫群的建設(shè)，將進一步加劇上下游河段之間的聯(lián)動強度。

目前關(guān)于類似長江中下游的研究工作開展了很多，對于上下游河段之間的河勢聯(lián)動也有一些定性分析，總結(jié)出鄰河段演變的聯(lián)動性包括兩個方面，其一是水流特性的聯(lián)動，其二是洲灘演變的聯(lián)動。以長江中游荊江河段為例，在荊江河段大埠街以上的砂卵石河段，聯(lián)動性主要表現(xiàn)為前者，主要是枯水位變化的沿程傳遞；大埠街以下的沙質(zhì)河段，聯(lián)動性主要表現(xiàn)為后者，即上下游河段洲灘演變的相互影響。

由此可見，目前關(guān)于類似長江中下游河段的聯(lián)動性特征研究，基本以經(jīng)驗性分析為主，缺乏定量化的評價指標(biāo)和方法，在指導(dǎo)具體的航道整治工程中，難于準(zhǔn)備體現(xiàn)上下游河段聯(lián)動性對航槽選擇及工程布局等的影響，因此，需要在建立基于聯(lián)動定量評價指標(biāo)的基礎(chǔ)上，提出一種新的航道治理方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題而提供一種基于定量指標(biāo)的航道聯(lián)動治理方法。

本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是：一種基于定量指標(biāo)的航道聯(lián)動治理方法，包括如下步驟：

步驟a，將水流擺動力指標(biāo)與河道約束力指標(biāo)的比值λ，作為河段上下游聯(lián)動治理評價指標(biāo)，并設(shè)定評價基準(zhǔn)指標(biāo)數(shù)值λe；

步驟b，求得實際航道的水流擺動力指標(biāo)與河道約束力指標(biāo)的實際比值λs；

步驟c,將λs與λe進行比較，根據(jù)比較結(jié)果分別實施如下分步驟：

步驟c-1，當(dāng)λs≥λe時，將上下游河段作為整體，從上至下進行聯(lián)動整治；

步驟c-2，當(dāng)λs<λe時，采取單灘治理措施。

進一步地，所述步驟a中，將水流擺動力指標(biāo)設(shè)為r0，將河道約束力指標(biāo)設(shè)為r*，則上下游聯(lián)動治理評價指標(biāo)λ的值由以下公式求得：

λ＝r0/r*(1)

其中，公式(1)、公式(2)和公式(3)中，各參數(shù)定義如下：

r0為水流擺動力指標(biāo)，用水流動力軸線彎曲半徑表征，單位為m；

r*為河道約束力指標(biāo)，用河道深泓彎曲半徑表征，單位為m；

q為河段進口流量，單位為m³/s；

qmax為河段進口最大流量，單位為m³/s；

qmin為河段進口最小流量，單位為m³/s；

l為磯頭或節(jié)點突出岸線長度，單位為m；

d為河床中值粒徑，單位為m；

b為平灘河寬，單位為m；

h0為平灘水深，單位為m；

ζ為平灘河相系數(shù)；

j為坡降；

為河道彎曲度；

g為重力加速度，單位為s/m²；

ρ為密度，單位為kg/m³；

m為河岸地質(zhì)評分，根據(jù)土層分類，取值60～100。

進一步地，所述步驟c-1的分步驟為：

步驟c-1-1，規(guī)劃目標(biāo)河型和理想航路：對于需要聯(lián)動治理的河段，參考天然河流幾何形態(tài)規(guī)律確定目標(biāo)河型和理想航路；

步驟c-1-2，建立河勢穩(wěn)定指標(biāo)函數(shù)，將河床邊界、水流、泥沙參數(shù)代入函數(shù)表達式，求得治理前后的河勢穩(wěn)定指標(biāo)，并進行比較，預(yù)估評價工程效果。

進一步地，通過統(tǒng)計分析國內(nèi)外多條自然河流形態(tài)，得到天然河流幾何形態(tài)規(guī)律：

c＝7～11b(4)

公式(4)中：c為河流曲線長度；b為平灘河寬。

進一步地，將河勢穩(wěn)定指標(biāo)設(shè)為ψ，將邊界條件綜合指標(biāo)設(shè)為γ，將水流條件綜合指標(biāo)設(shè)為λ，則河勢穩(wěn)定指標(biāo)ψ的值由以下公式求得：

ψ＝γ^0.1λ^0.05(5)，

公式(5)、公式(6)和公式(7)中，各參數(shù)定義如下：

m為河岸地質(zhì)評分，根據(jù)土層分類，取值60～100；

dl1為河段左岸進口磯頭或節(jié)點附近沖刷坑平均水深，單位為m；

dl2為河段左岸出口磯頭或節(jié)點附近沖刷坑平均水深，單位為m；

dr1為河段右岸進口磯頭或節(jié)點附近沖刷坑平均水深，單位為m；

dr2為河段右岸出口磯頭或節(jié)點附近沖刷坑平均水深，單位為m；

l′為磯頭之間或節(jié)點之間的縱向距離，單位為m；

k為整治河段特征流量流量級，其中，當(dāng)整治河段特征為單一河型時，k取值為1；當(dāng)整治河段特征為分汊河型時，k取值為3；

為平灘流量，單位為m³/s；

q1為起擺流量，單位為m³/s；

q2為止擺流量，單位為m³/s；

t為水流起擺到止擺對應(yīng)的持續(xù)天數(shù)，單位為天；

t為水流起擺到止擺對應(yīng)的周期，單位為天；

l為水流起擺到止擺期間主流的平均擺動幅度，單位為m；

lmax為主流的最大擺動幅度，單位為m。

本發(fā)明具有的優(yōu)點和積極效果是：克服以往航道整治中上下游河段之間的聯(lián)動關(guān)系多依靠定性經(jīng)驗分析，而缺乏定量指標(biāo)的不足，提供一種基于定量指標(biāo)的航道聯(lián)動治理方法，方法準(zhǔn)確，經(jīng)試驗，該方法能夠適應(yīng)長河段整治，并滿足不同航道尺度目標(biāo)的整治要求。本發(fā)明綜合考慮了河道內(nèi)部地形、地質(zhì)、邊界及外部來流來沙條件的變化，基于大量實測數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，通過建模分析其內(nèi)在的聯(lián)系。利用本發(fā)明可以用定量指標(biāo)，科學(xué)分析淺灘河段聯(lián)動治理的必要性及方法，進而保證長河段航道整治的系統(tǒng)性和上下游河段間的有機聯(lián)系，使整治后航道的穩(wěn)定性和通航效果更好。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的工作流程圖；

圖2是本發(fā)明的具體實施例中長江中游藕石蹍河段示意圖。

具體實施方式

為能進一步了解本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容、特點及功效，茲列舉以下實施例，并配合附圖詳細說明如下：

請參見圖1，一種基于定量指標(biāo)的航道聯(lián)動治理方法，包括如下步驟：

步驟a，將水流擺動力指標(biāo)與河道約束力指標(biāo)的比值λ，作為河段上下游聯(lián)動治理評價指標(biāo)，并設(shè)定評價基準(zhǔn)指標(biāo)數(shù)值λe；

步驟b，求得實際航道的水流擺動力指標(biāo)與河道約束力指標(biāo)的實際比值λs；

步驟c,將λs與λe進行比較，根據(jù)比較結(jié)果分別實施如下分步驟：

步驟c-1，當(dāng)λs≥λe時，將上下游河段作為整體，從上至下進行聯(lián)動整治；

步驟c-2，當(dāng)λs<λe時，采取單灘治理措施。

進一步地，所述步驟a中，可將水流擺動力指標(biāo)設(shè)為r0，可將河道約束力指標(biāo)設(shè)為r*，則上下游聯(lián)動治理評價指標(biāo)λ的值可由以下公式求得：

λ＝r0/r*(1)

公式(1)、公式(2)和公式(3)中，各參數(shù)定義如下：

r0為水流擺動力指標(biāo)，用水流動力軸線彎曲半徑表征，單位為m；

r*為河道約束力指標(biāo)，用河道深泓彎曲半徑表征，單位為m；

q為河段進口流量，單位為m³/s；

qmax為河段最大流量，單位為m³/s；

qmin為河段最小流量，單位為m³/s；

qmax-qmin，反映流量變幅；

l為磯頭或節(jié)點突出岸線長度，單位為m；

d為河床中值粒徑，單位為m；

b為平灘河寬，單位為m；

h0為平灘水深，單位為m；

ζ為平灘河相系數(shù)；

j為坡降；

為河道彎曲度；

g為重力加速度，單位為s/m²；

ρ為水的密度，單位為kg/m³；

m為河岸地質(zhì)評分，根據(jù)土層分類，可取值60～100。比如：上部黏性土與砂層互層、夾砂類透鏡體，下部為砂層的多元結(jié)構(gòu)單一砂層情況下，m可取60～70；上部黏性土層厚<5m，下部為砂層的二元結(jié)構(gòu)或上部黏性土與砂層互層、夾砂類透鏡體等，下部為黏性土的多元結(jié)構(gòu)情況下，m可取70～80；上部黏性土層厚>5m，下部砂層的二元結(jié)構(gòu)或上部砂層厚<5m，下部黏性土的二元結(jié)構(gòu)情況下，m可取80～90；巖石山體或單一黏性土層情況下，m可取90～100。

上述公式(1)、公式(2)和公式(3)的推導(dǎo)論證請參考2017年5月《地理學(xué)報》第72卷第5期817-29頁發(fā)表的文章“長江中下游阻隔性河段作用機理初步研究”。

上述參數(shù)中，q為河段進口流量，是河段進口處的不同時段流量，是變量；qmax為河段進口處最大流量；qmin為河段進口處最小流量。

進一步地，所述步驟c-1可繼續(xù)細分，其分步驟可為：

步驟c-1-1，規(guī)劃目標(biāo)河型和理想航路：對于需要聯(lián)動治理的河段，可參考天然河流幾何形態(tài)規(guī)律確定目標(biāo)河型和理想航路；

步驟c-1-2，可建立河勢穩(wěn)定指標(biāo)函數(shù)，將河床邊界、水流、泥沙等參數(shù)代入函數(shù)表達式，求得治理前后的河勢穩(wěn)定指標(biāo)，并進行比較，可結(jié)合目標(biāo)航道尺度，預(yù)估評價工程效果。

進一步地，可通過統(tǒng)計分析國內(nèi)外多條自然河流形態(tài)，得到天然河流幾何形態(tài)規(guī)律：

c＝7～11b(4)

公式(4)中：c為河流曲線長度；b為平灘河寬。

進一步地，可將河勢穩(wěn)定指標(biāo)設(shè)為ψ，可將邊界條件綜合指標(biāo)設(shè)為γ，可將水流條件綜合指標(biāo)設(shè)為λ，則河勢穩(wěn)定指標(biāo)ψ的值可由以下公式求得：

ψ＝γ^0.1λ^0.05(5)，

公式(5)、公式(6)和公式(7)中，各參數(shù)定義如下：

m為河岸地質(zhì)評分，根據(jù)土層分類，可取值60～100。比如：上部黏性土與砂層互層、夾砂類透鏡體，下部為砂層的多元結(jié)構(gòu)單一砂層情況下，m可取60～70；上部黏性土層厚<5m，下部為砂層的二元結(jié)構(gòu)或上部黏性土與砂層互層、夾砂類透鏡體等，下部為黏性土的多元結(jié)構(gòu)情況下，m可取70～80；上部黏性土層厚>5m，下部砂層的二元結(jié)構(gòu)或上部砂層厚<5m，下部黏性土的二元結(jié)構(gòu)情況下，m可取80～90；巖石山體或單一黏性土層情況下，m可取90～100。

dl1為河段左岸進口磯頭或節(jié)點附近沖刷坑平均水深，單位為m；

dl2為河段左岸出口磯頭或節(jié)點附近沖刷坑平均水深，單位為m；

dr1為河段右岸進口磯頭或節(jié)點附近沖刷坑平均水深，單位為m；

dr2為河段右岸出口磯頭或節(jié)點附近沖刷坑平均水深，單位為m；

l′為磯頭之間或節(jié)點之間的縱向距離，單位為m；

k為整治河段特征流量流量級，其中，當(dāng)整治河段特征為單一河型時，k可取值為1；當(dāng)整治河段特征為分汊河型時，k可取值為3；

為平灘流量，單位為m³/s；

q1為起擺流量，單位為m³/s；

q2為止擺流量，單位為m³/s；

t為水流起擺到止擺對應(yīng)的持續(xù)天數(shù)，單位為天；

t為水流起擺到止擺對應(yīng)的周期，單位為天；

l為水流起擺到止擺期間主流的平均擺動幅度，單位為m；

lmax為主流的最大擺動幅度，單位為m。

上述公式(5)、公式(6)和公式(7)是通過長江中、下游大量的實測資料分析，通過建模及擬合等方法取得的表達式。

以下現(xiàn)結(jié)合長江中游藕石蹍河段和龍口河段作為實例，具體說明本發(fā)明的具體實施步驟。

步驟a，將水流擺動力指標(biāo)與河道約束力指標(biāo)的比值λ，作為河段上下游聯(lián)動治理評價指標(biāo)，并設(shè)定評價基準(zhǔn)指標(biāo)數(shù)值λe；λe經(jīng)過專家經(jīng)驗等方法，確定λe為1。

步驟b，求得實際航道的水流擺動力指標(biāo)與河道約束力指標(biāo)的實際比值λs；

對于長江中游的藕石蹍河段，利用2014年測圖，藕石蹍河段中的石首彎道局部河段發(fā)生崩岸，使得4m線航槽彎曲半徑不滿足航道規(guī)劃目標(biāo)(4m航槽規(guī)劃的彎曲半徑為1000m)，通過分析，該現(xiàn)象主要受上游主流擺動引起。根據(jù)2014年實測資料，按公式(1)、公式(2)和公式(3)計算，得到實際航道的水流擺動力指標(biāo)與河道約束力指標(biāo)的實際比值λs＝1.15。

對于長江中游的龍口河段，其上接陸溪口河段，下連嘉魚河段。利用實測資料，經(jīng)計算，龍口河段，其實際航道的水流擺動力指標(biāo)與河道約束力指標(biāo)的實際比值λs＜0.5。

步驟c,將λs與λe進行比較，根據(jù)比較結(jié)果分別實施如下步驟：

步驟c-1，當(dāng)λs≥λe時，將上下游河段作為整體，從上至下進行聯(lián)動整治；

步驟c-2，當(dāng)λs<λe時，采取單灘治理措施。

對于龍口河段，其λs＜λe，即龍口河段與上下游河段之間不具有聯(lián)動關(guān)系，實施步驟c-2，其治理主要采取單灘治理措施。從歷史河床演變來看，自20世紀(jì)30年代以來，其上游陸溪口河段經(jīng)歷了5個演變周期，其下游嘉魚河段僅有2個演變周期，也可以看出，龍口河段阻隔了陸溪口河段的河勢調(diào)整，沒有向下游的嘉魚河段傳遞。對于原河段有阻隔特征的，應(yīng)采取護岸等工程措施防止其阻隔性消失或減弱。近年來，隨著三峽水庫蓄水運行，龍口河段凸岸邊灘有所沖刷，河寬變大，該河段的阻隔特征有所減弱，為增強或維持其阻隔特征，防止上下游河勢之間的傳遞，需要對龍口河段凸岸邊灘及時實施守護工程。

對于藕石蹍河段，其λs＞λe，即藕石蹍河段與上下游河段之間具有聯(lián)動關(guān)系，實施步驟c-1，需要將上下游河段作為整體，從上至下進行聯(lián)動整治。即為維持石首彎道彎曲半徑，不僅需要在石首彎道左岸崩岸處實施護岸工程，還應(yīng)考慮上游河段主流擺動對其影響，需在上游倒口窯心灘和藕池口心灘左下側(cè)實施相應(yīng)守護工程防止主流進一步擺動。

對于藕石蹍河段的治理，從上至下進行聯(lián)動整治方法可進一步細化為兩步：

步驟c-1-1，規(guī)劃目標(biāo)河型和理想航路：對于需要聯(lián)動治理的河段，參考天然河流幾何形態(tài)規(guī)律確定目標(biāo)河型和理想航路；

步驟c-1-2，可建立河勢穩(wěn)定指標(biāo)函數(shù)，將藕石蹍河段的河床邊界、水流、泥沙等參數(shù)代入函數(shù)表達式，求得治理前后的河勢穩(wěn)定指標(biāo)，并進行比較，可結(jié)合目標(biāo)航道尺度，預(yù)估評價工程效果。

其中，步驟c-1-1，對于藕石蹍河段，在設(shè)計主航道線路時，盡量使航道形態(tài)符合天然河流形態(tài)，通過過統(tǒng)計分析國內(nèi)外多條自然河流形態(tài)，得到天然河流幾何形態(tài)規(guī)律：

c＝7～11b(4)，

公式(4)中：c為河流曲線長度；b為平灘河寬。

按照該規(guī)律，藕石蹍河段設(shè)計航槽，請見圖2，設(shè)計航槽上接上游周天河段，新廠以下至陀陽樹位于河道左側(cè)，陀陽樹以下向右過渡，至倒口窯心灘頭部左側(cè)進入水道左槽下行，直至左汊出口進入石首彎道段，出石首彎道后到魚尾洲尾，自右岸側(cè)向左岸側(cè)過渡進入碾子灣水道。

步驟c-1-2，對于藕石蹍河段，航道整治工程實施后，石首彎道彎曲半徑穩(wěn)定在1000m以內(nèi)，可達到航道尺度規(guī)劃目標(biāo)?？蓪⒑觿莘€(wěn)定指標(biāo)設(shè)為ψ，可將邊界條件綜合指標(biāo)設(shè)為γ，可將水流條件綜合指標(biāo)設(shè)為λ，則河勢穩(wěn)定指標(biāo)ψ的值可由以下公式求得：

ψ＝γ^0.1λ^0.05(5)，

航道整治工程實施前后，可認(rèn)為邊界綜合參數(shù)是一樣的，整治工程的實施改變了水流條件綜合參數(shù)λ的數(shù)值。根據(jù)水流條件綜合參數(shù)λ的計算公式(7)，該公式(7)中工程前后變化的值主要是主流的最大擺動幅度lmax，將相關(guān)參數(shù)代入數(shù)學(xué)模型，根據(jù)數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果，可知航道整治工程實施后，藕石蹍河段的主流最大擺動幅度降低，代入公式(5)中，可知，航道整治工程實施后，河勢穩(wěn)定指標(biāo)增大，工程效果良好。

以上所述的實施例僅用于說明本發(fā)明的技術(shù)思想及特點，其目的在于使本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員能夠理解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，不能僅以本實施例來限定本發(fā)明的專利范圍，即凡本發(fā)明所揭示的精神所作的同等變化或修飾，仍落在本發(fā)明的專利范圍內(nèi)。