一种基于滩槽分区的河道综合糙率计算方法与流程

1.本发明涉及水利工程领域，具体涉及一种基于滩槽分区的河道综合糙率计算方法。


背景技术：

2.阻力研究历来是河流动力学领域里面的重点和难点。糙率系数是应用最为广泛的反映河道阻力的参数，对于河道动力学领域水沙数学模型计算、物理模型试验及基础理论研究等都具有重要的价值。
3.天然河道的阻力非常复杂，主要表现在三个方面：其一是组成单元非常复杂的，包括沙粒阻力、沙波阻力、大尺度淤积体阻力、河道形态阻力、植被阻力等，不同类型的阻力单元由于形态差异巨大且作用机理不尽相同，量化起来较为困难；其二是河床表面不同的区域其阻力系数是不一样的，滩区和槽区阻力系数差别非常明显，这主要是由于滩区和槽区阻力组成单元存在明显差异，滩区年内大部分时间裸露，适合植物生长，因此植被阻力是滩区阻力的重要组成单元，当然也还包括其它的阻力组成单元，而槽区则主要是沙粒阻力、沙波阻力、大尺度淤积体阻力等；其三阻力组成单元是动态变化的，植被在不停的生长，沙粒、沙波、大尺度淤积体也在不停的变化。
4.现阶段想要单独计算每个阻力组成单元的糙率系数值并精确分析出其在河床表面的作用区域是不太现实的。但从提高水沙数学模型计算及物理模型试验精度、加强理论认识水平的角度出发，有必要提出基于滩区和槽区的综合糙率系数计算模式，明确滩区和槽区糙率系数在综合糙率系数中的占比，并进一步分析研究河道综合糙率系数变化的主导因素。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的不足，本发明目的在于提供一种基于滩槽分区的河道综合糙率计算方法。该方法实现河道综合糙率系数的快速计算和评估，与实测糙率系数吻合度高，偏差小。
6.为实现上述目的，本发明通过下述技术方案实现：
7.一种基于滩槽分区的河道综合糙率计算方法，包括：
8.s1、建立河道的综合糙率系数与滩区糙率系数和槽区糙率系数的关系式：
[0009][0010]
式中，n为河道的综合糙率系数，a为河道的全面断面积，χ为总湿周参数，a
滩
、n
滩
、χ
滩
分别为滩区区域对应的过水面积、糙率系数和湿周参数，a
槽
、n
槽
、χ
槽
分别为槽区区域对应的过水面积、糙率系数和湿周参数；
[0011]
s2、获取关系式中a
槽
/a、a
滩
/a、χ
槽
/χ、χ
滩
/χ的比值，进而确定基于滩区糙率系数n
滩
和槽区糙率系数n
槽
的综合糙率系数n的数学计算模型。
[0012]
优选的，获取关系式中a
槽
/a、a
滩
/a、χ
槽
/χ、χ
滩
/χ的比值方法为：在一定长度河段内选取多个断面进行统计分析，采用直线拟合的方式得到相应的比值。
[0013]
优选的，步骤s1中关系式的构建过程为：
[0014]
根据恒定均匀流公式：
[0015][0016]
式中q为全断面的流量，单位m3/s；a为全断面的面积，单位为m2；u为全断面的平均流量，单位m/s；c为谢才系数，单位为m
1/2
/s；r为水力半径，单位为m；j为河道比降，谢才系数c按照如下公式进行计算：
[0017][0018]
式中n为河道的糙率系数，单位为s/m
1/3
，将(2)式代入(1)式可得：
[0019][0020]
根据流量守恒条件可知，全断面的流量q等于滩区的流量q
滩
加上槽区流量q
槽
，即：
[0021]
q＝q
滩
q
槽
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0022]
将(3)式代入(4)式可得：
[0023][0024]
式中a
滩
、n
滩
、r
滩
分别为滩区区域对应的过水面积、糙率系数和水力半径，a
槽
、n
槽
、r
槽
分别为槽区区域对应的过水面积、糙率系数和水力半径，水力半径r等于过水面积a除以湿周χ：
[0025][0026]
将式(6)代入式(5)，由于比降在滩区区域和槽区区域是相等的，可以从公式两边消去，得到河道综合糙率系数n与滩区糙率系数n
滩
和槽区糙率系数n
槽
的关系如下：
[0027][0028]
对式(7)进一步变形可得步骤s1中的关系式。
[0029]
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
[0030]
本发明与现有技术相比，提出了一种基于滩槽分区的综合糙率计算模式，为天然河道糙率组成单元的细化研究奠定了基础，有助于进一步加强理论认识的水平。同时利用本发明成果，可优化数学模型计算和物理模型试验的糙率计算模块，低水时仅主槽糙率起作用，高水时滩地糙率和主槽糙率联合起作用，提高数学模型计算、物理模型试验的水位、流速模拟计算的精度水平，以更好的服务生产实践，指导工程设计和施工。
附图说明
[0031]
图1为本发明河道断面示意图。
[0032]
图2为本发明槽区过水面积a
槽
与总面积a关系图。
[0033]
图3为本发明槽区湿周χ
槽
与总湿周χ关系图。
[0034]
图4为本发明计算糙率系数与实测糙率系数对比图。
具体实施方式
[0035]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。但并不作为对本发明限制的依据。
[0036]
本发明的目的是要提出基于滩区和槽区糙率系数的综合糙率系数计算方法。要达到此目的，需要两个步骤，第一步要推导基于滩区和槽区糙率系数的综合糙率系数的理论公式；第二步是要确定理论公式中的相关参数。
[0037]
(1)综合糙率系数理论推导
[0038]
如图1所示，两侧堤防以内河道断面一般为复式形态。两岸为滩区，高程相对较高，洪水时期过水，枯水期裸露，年内水淹时间一般不会太长、适合植物生长，根据实地调研情况来看，滩区表面植物生长一般较好。两侧滩区中间为槽区，槽区常年被水淹没，表面一般为直接裸露的沙粒或卵石。基于此可知，河床表面不同的区域阻力来源是不一样的，滩区表面阻力的来源主要是河道内的植被，而槽区表面阻力的来源则是沙粒、沙波、大尺度形态等。河道综合阻力应该是两者的组合，河道的综合糙率系数n可分解为滩区糙率系数n
滩
和槽区糙率系数n
槽
。由于两者的作用区域不同，因此断面上的总湿周参数χ也应该分解为滩区湿周χ
滩
和槽区湿周χ
槽
(见图1)。根据恒定均匀流公式：
[0039][0040]
式中q为全断面的流量，单位m3/s；a为全断面的面积，单位为m2；u为全断面的平均流量，单位m/s；c为谢才系数，单位为m
1/2
/s；r为水力半径，单位为m；j为河道比降。谢才系数c按照如下公式进行计算：
[0041][0042]
式中n为河道的糙率系数，单位为s/m
1/3
，将(2)式代入(1)式可得：
[0043][0044]
根据流量守恒条件可知，全断面的流量q等于滩区的流量q
滩
加上槽区流量q
槽
，即：
[0045]
q＝q
滩
q
槽
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0046]
将(3)式代入(4)式可得：
[0047][0048]
式中a
滩
、n
滩
、r
滩
分别为滩区区域对应的过水面积、糙率系数和水力半径，a
滩
、n
滩
、r
滩
分别为槽区区域对应的过水面积、糙率系数和水力半径。水力半径r等于过水面积a除以湿周χ：
[0049][0050]
将式(6)代入式(5)，由于比降在滩区区域和槽区区域是相等的，可以从公式两边消去，得到河道综合糙率系数n与滩区糙率系数n
滩
和槽区糙率系数n
槽
的关系如下：
[0051][0052]
进一步变形可得：
[0053][0054]
(2)综合糙率系数计算模式
[0055]
由式(8)可以看出，要确定综合糙率系数n与滩区糙率系数n
滩
和槽区糙率系数n
槽
的关系，需要确定四个比例关系：a
槽
/a、a
滩
/a、χ
槽
/χ、χ
滩
/χ的比值。
[0056]
由于天然河道断面形态差异比较大，上述各比例关系不存在理论上的固定比例，只能通过大量断面的统计规律来确定。可选取长江中下游宜昌～武汉600km河段的350个断面进行统计分析，结果见图2和图3所示。图2为槽区过水面积a
槽
与总过水面积a的关系图，图3为槽区湿周χ
槽
与总湿周χ的关系图。从图可以看出，a
槽
与a存在较为稳定的线型增长关系，χ
槽
与χ也存在稳定的线型增长关系。采用直线拟合可得a
槽
/a＝0.86、χ
槽
/χ＝0.85，两者的比例关系非常接近，实际上可以取为同一个值，本次统一取为0.85，同理可得到a
滩
/a、χ
滩
/χ的比值，带入式(8)可得：
[0057][0058][0059]
公式(10)即为最终确定的基于滩区糙率系数和槽区糙率系数的综合糙率系的数学计算模型。
[0060]
(3)公式验证
[0061]
天然河道糙率系数n是无法直接通过测量得到，一般通过实测的水面线来反推。本发明通过数学模型来反推河道糙率系数，建立长江中下游干流宜昌～大通的一维河网数学模型，依据宜昌、枝城、沙市、石首、监利、城陵矶、螺山、汉口、九江、湖口、安庆、大通等12个水文站点的实测水位数据。
[0062]
具体验证过程为：(1)第一步，依据12个站点的中枯水水位数据验证得到河道主槽的糙率系数n
槽
；(2)第二步，依据12个站点的洪水水位数据，按照公式(10)验证得到河道滩区的糙率系数n
滩
；(3)第三步，依据12个站点的洪水水位数据验证得到河道的实测糙率系数n
实
；(4)第四步，利用公式(10)、n
槽
、n
滩
，计算得到糙率系数n
计
，将n
计
与n
实
进行比较，验证公式(10)的可靠性。
[0063]
验证比较结果见表1和图4所示，可以看出计算糙率系数n
计
与实测糙率系数n
实
吻合较好，偏差在
±
10％以内，说明公式(10)是可靠的。
[0064]
表1计算糙率系数与实测糙率系数对比表
[0065]
序号河段计算n
计
实测n
实
误差1大通～安庆0.02550.02454％2安庆～彭泽0.02630.0278-5％3彭泽～湖口0.02630.0278-5％4湖口～九江0.02630.02515％5九江～武穴0.02630.02505％6武穴～黄石0.02600.02542％7黄石～汉口0.02530.0263-4％8汉口～石矶头0.02530.02386％9石矶头～螺山0.02530.02386％10螺山～城陵矶0.02530.02386％11城陵矶～监利0.02730.0293-7％12监利～调关0.02680.02517％13调关～石首0.02230.0246-9％14石首～新厂0.02630.02419％15新厂～沙市0.03030.0325-7％16沙市～马家店0.03330.0355-6％17马家店～宜昌0.02830.025210％
[0066]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。