基于水沙过程的平原河流航槽塑造流量确定方法及系统

本发明属于水利水运工程，尤其涉及一种基于水沙过程的平原河流航槽塑造流量确定方法及系统。

背景技术：

1、浅滩是平原河流航道整治的重点对象，浅滩整治需利用一定高度的整治建筑物来调控水流、增加汛后退水期的冲刷动力，从而增大枯水期航道水深。根据相关规范，浅滩整治建筑物的高程需要用航槽塑造流量或者浅滩整治水位来确定，它们是航道整治工程设计的重要参数。如果该参数确定的偏高，将使工程成本成倍增大，并且会因壅高洪水位而对防洪产生不利影响；如果定的偏低，工程又难以起到提高航槽水深的效果。

2、在水位流量关系稳定的准平衡河流，航槽塑造流量与浅滩整治水位具有等价意义，工程实践中可以先确定航槽塑造流量，再依据航槽塑造流量确定浅滩整治水位，也可以直接参考优良河段的边滩高程，根据经验方法直接确定浅滩整治水位。然而，这两种方法在工程应用中都存在一些局限：一是航槽塑造流量在理论上被认为等价于枯水造床流量，但枯水造床流量本身也缺少确定方法，比如传统的马卡维耶夫法在许多河流上仅能得到洪水造床流量而无法得到枯水造床流量，导致航槽塑造流量难以量化；二是许多浅滩河段缺乏明显边滩或者边滩发育不完整，导致浅滩整治水位难以借助边滩高程来确定。这些技术缺陷给航道整治工程实践带来不少困难，需要提出更客观、更具操作性的新方法。

3、另一方面，随着越来越多河流的上游修建大型水库群，河流的水沙过程被人为调控，不仅边滩高程与水沙过程之间的适应性被打破，而且水位流量关系也变得不稳定，原本适用于天然准平衡河流的经验性浅滩整治水位确定方法更是无法使用。在此情况下，迫切需要提出能根据坝下游新水沙过程确定航槽塑造流量的新方法。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的是提出一种基于水沙过程的平原河流航槽塑造流量的确定方法，该方法以冲积河道与水沙过程之间的自调整、自适应关系为出发点，采用水文站长系列流量、含沙量和水位观测资料，从水沙过程的统计特征中辨识汛、枯造床作用发生转换的临界流量，以该特征流量作为航槽塑造流量，并以此为基础确定浅滩整治水位。这种方法同时适用于平衡河流与非平衡河流，其特点是数据易获取，应用简便且可靠度高，便于推广。

2、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于水沙过程的平原河流航槽塑造流量确定方法，包括如下步骤：

4、获取代表水文站的水沙序列，判断来水来沙过程的年周期性和汛枯差异性，并据此确定汛枯交界流量；

5、基于流量序列的变幅相对标准差随流量级的变化特征，确定流量过程稳定性最差的流量级；

6、基于流输沙率序列的变幅相对标准差随流量级的变化特征，确定输沙率过程稳定性最差的流量级；

7、综合所述汛枯交界流量、所述流量过程稳定性最差的流量级和所述输沙率过程稳定性最差的流量级，确定航槽塑造流量；

8、利用目标河段的地形与水位流量关系，依据河宽与水深关系曲线的拐点流量，对所述航槽塑造流量进行校核，以确定最终航槽塑造流量。

9、进一步地，所述判断来水来沙过程的年周期性和汛枯差异性的步骤包括：

10、选取与目标河段之间无超过1%分流比或汇流比的支流汇流或分流的水文站作为代表水文站；

11、收集所述代表水文站连续多年的日均流量、含沙量或输沙率观测资料获取流量序列和输沙率序列；

12、分别对流量序列和输沙率序列进行自相关分析，计算以日为单位逐次滞后时的自相关系数；

13、绘制滞后天数与自相关系数的关系曲线，若曲线呈现先减小后增大的年周期性特征，且自相关系数最小值对应的滞后天数在182±10天范围内且自相关系数最小值小于0，则判定具备年周期性和汛枯差异性。

14、进一步地，所述确定汛枯交界流量的步骤包括：

15、针对流量序列的滞后天数与自相关系数曲线，计算自相关系数曲线上各点的变化率，取变化率最小值对应的滞后天数作为特征滞后天数；

16、计算代表水文站的多年平均逐日流量序列，绘制年内逐日流量变化过程线；

17、在所述过程线上查取所述特征滞后天数对应的流量，作为汛枯交界流量。

18、进一步地，所述基于流量序列的变幅相对标准差确定流量过程稳定性最差的流量级的步骤包括：

19、以固定日数为时间窗口，将长系列逐日流量序列平均划分为多个连续时段；

20、计算每个时段内的平均流量和流量变幅标准差；

21、以各个时段的平均流量为对象，在最小流量与最大流量之间划分出若干流量级区间，统计各流量级区间内平均流量的出现个数，计算各流量级区间的代表流量、平均变幅标准差以及流量变幅相对标准差；

22、绘制流量变幅相对标准差随代表流量变化的关系曲线，取流量变幅相对标准差随代表流量变化关系曲线由上升趋势转为平稳或下降趋势的转折点所对应的流量，作为流量过程稳定性最差的流量级。

23、进一步地，所述基于输沙率序列的变幅相对标准差确定输沙率过程稳定性最差的流量级的步骤包括：

24、采用与流量序列相同的固定日数时间窗口，将长系列逐日输沙率序列平均划分为多个连续时段；计算每个时段内的平均输沙率和输沙率变幅标准差；

25、按照与流量序列相同的流量级区间，统计各流量级区间内的平均输沙率、平均输沙率变幅标准差以及输沙率变幅相对标准差；

26、绘制输沙率变幅相对标准差随代表流量变化的关系曲线，取输沙率变幅相对标准差随代表流量变化关系曲线由上升趋势转为平稳或下降趋势的转折点所对应的流量，作为输沙率过程稳定性最差的流量级。

27、进一步地，所述综合确定航槽塑造流量的步骤包括：

28、分别对所述汛枯交界流量、所述流量过程稳定性最差的流量级和所述输沙率过程稳定性最差的流量级，赋予相同的相对浮动变化范围，从而将三个流量值扩展为三个流量变动区间；

29、若三个流量变动区间存在共同的重叠区间，则取重叠区间的流量均值作为航槽塑造流量，如果是两个重叠区间，取偏小流量一侧的重叠区间内流量均值作为航槽塑造流量。

30、进一步地，所述校核步骤包括：

31、在目标河段内选取若干具有边滩或江心滩的特征断面，确定各特征断面距代表水文站的距离；

32、在历年最小流量与最大流量之间等距选取多个代表流量级，分别计算各代表流量级下代表水文站的水位，并结合河段平均比降及各特征断面距代表水文站的距离，推算各特征断面在各流量级下的相应水位；

33、结合各断面实测地形，计算各级流量下各特征断面的平均水深和河宽；

34、对同一流量级下所有断面的水深和河宽分别取平均，得到各代表流量级下河段平均水深和河段平均河宽。

35、进一步地，所述校核步骤还包括：

36、绘制各代表流量级下河段平均河宽随河段平均水深变化的关系曲线，取曲线中首次出现河宽持续增加而水深基本保持不变时的拐点流量，作为低滩淹没临界流量。

37、进一步地，所述校核步骤还包括：

38、比较所述低滩淹没临界流量与所述航槽塑造流量，若二者差值在航槽塑造流量的合理范围内，则判定所述航槽塑造流量合理，并将其确定为最终航槽塑造流量；否则，判定所述航槽塑造流量不合理，需重新调整计算或重新选取参数。

39、另一方面，本发明提供一种基于水沙过程的平原河流航槽塑造流量确定系统，包括：

40、汛枯交界流量确定模块，其用于获取代表水文站的水沙序列，判断来水来沙过程的年周期性和汛枯差异性，并据此确定汛枯交界流量；

41、流量过程稳定性最差的流量级确定模块，其用于基于流量序列的变幅相对标准差随流量级的变化特征，确定流量过程稳定性最差的流量级；

42、输沙率过程稳定性最差的流量级确定模块，其用于基于流输沙率序列的变幅相对标准差随流量级的变化特征，确定输沙率过程稳定性最差的流量级；

43、航槽塑造流量综合模块，其用于综合所述汛枯交界流量、所述流量过程稳定性最差的流量级和所述输沙率过程稳定性最差的流量级，确定航槽塑造流量；

44、航槽塑造流量校核模块，其用于利用目标河段的地形与水位流量关系，依据河宽与水深关系曲线的拐点流量，对所述航槽塑造流量进行校核，以确定最终航槽塑造流量。

45、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

46、本发明提出一种基于水文资料的平原河流航槽塑造流量的确定方法，具体体现为：在目标河段冲淤平衡时期，利用水文站长系列日均流量和日均输沙率观测资料，通过自相关分析识别水沙过程的年周期性与汛枯期差异特征；在此基础上，通过建立自相关系数与时间序列滞后时间之间的关系，提取自相关系数变化率最大的特征点，并将其映射至多年平均流量过程线，得到汛枯转换临界流量；进一步，采用对时间序列进行分段统计的方法，计算固定时段长度之内的流量变幅相对标准差和输沙率变幅相对标准差，从不同流量级下的径流波动强度和输沙波动强度两个维度，识别出水沙输移最不稳定、河道调整最剧烈、主流摆动最频繁的特征流量级；最后，综合上述多个角度的流量指标结果，确定航槽塑造流量和浅滩整治水位；同时，对处于准平衡状态的河流，结合河段实测地形资料，通过河宽—水深曲线验证该流量的合理性。通过前述方式，不仅能够解决传统马卡维耶夫法无法获取枯水造床流量的技术难题，还能在边滩缺失条件下根据水文站的水沙观测资料定量确定浅滩整治水位，该方法同样适用于上游水库建成后水沙过程被调控的非平衡河流。该方法克服了传统方法经验性强的缺点，具有物理意义清晰、操作简便、成本低、效率高的优点，且多指标相互印证、结果客观可靠，为平原河流航道整治工程设计提供了新的技术工具。