一種天然河道斷面水位流量關系的確定方法

一種天然河道斷面水位流量關系的確定方法
【專利摘要】本發明公開了一種天然河道斷面水位流量關系的確定方法，包括以下步驟：步驟1，獲取目標斷面的實測斷面數據(xi,zi)，將橫斷面x1和xN之間等分為M個分段(xni,xni+1)；求得各分段節點對應的高程值；步驟2，確定不同斷面曼寧糙率系數n；步驟3，將斷面最低高程和最高高程之間等分為Nz層，計算任一高程等分層每一分段的流量值Qij，并對所有分段的流量值Qij求和，得到該層所對應的總斷面流量值Qj；根據每層的總斷面流量值Qj和該層所對應的水位得到水位流量關系。本發明的方法采用分段計算水位流量關系的思想，將河道斷面按照糙率進行分割計算其對應的流量，從而求出整個斷面對應的水位流量關系，可以避免傳統水位流量關系確定時遇到的雙值問題。
【專利說明】
-種天然河道斷面水位流量關系的確定方法
技術領域
[0001] 本發明屬于水利工程技術領域，具體設及一種天然河道斷面水位流量關系的確定 方法。
【背景技術】
[0002] 天然河道內控制斷面水位流量關系的確定，是估算河道防洪能力及制定相關災害 防治措施的主要依據，在山洪災害調查評價等方面有著廣泛地應用。
[0003] 采用曼寧公式來確定斷面的水位流量關系是一種常用的簡單有效的方法。但是， 該方法通常將河道的阻力概化為單一的綜合阻力系數，又稱為曼寧系數，直接求解得到河 道斷面的水位流量關系。因此，在一些特殊斷面(如復式河道)的水位流量關系確定時得到 了 "雙值"現象，運與實際情況不符。出現運種現象的主要原因在于復式河道斷面在某些水 位處會出現斷面瞬間擴大的現象W及天然河道斷面不同位置的阻力系數不同（如長有不同 植被），而在上述方法中對復式河道的運種現象并無特殊處理，對阻力系數也是將其概化為 單一的經驗系數值。因此，克服上述問題，提出一種天然河道斷面水位流量關系的合理確定 方法，具有十分重要的理論意義和工程應用價值。

【發明內容】

[0004] 本發明的目的是提供一種天然河道斷面水位流量關系的確定方法，解決直接采用 曼寧公式法求天然河道斷面水位流量關系時出現的"雙值"現象。
[0005] 本發明所采用的技術方案是，一種天然河道斷面水位流量關系的確定方法，包括 W下步驟：
[0006] 步驟1，天然河道斷面測量數據的分析；
[0007] 獲取目標斷面的實測斷面數據(Xl，Zl)，其中i = l，…，N，Xl代表第i點距橫斷面起 點Xl的距離，Zi代表該點的高程值;將橫斷面Xl和XN之間等分為M個分段(Xni，Xni+l)，每個分 段的長度為;求得各分段節點對應的高程值(Xnk，Znk)，其中，k= 1，…，M+1 ; M
[000引步驟2,確定不同斷面曼寧糖率系數n;
[0009] 步驟3,確定水位流量關系Q-Z;
[0010] 將斷面垂直方向最低高程和最高高程之間等分為Nz層，各層的高程記為&。結合步 驟2的曼寧糖率系數n，計算每一分段、每一等分高程對應的流量值9。，其中，i = 為分段 編號，j = I-Nz為等分垂直高程層，對于每一等分高程（即給定j值），對所有分段的流量值 .!/ 求和S ，得到該層所對應的總斷面流量值如根據每層的總斷面流量值A和該層所對 i=l 應的水位&得到水位流量關系A-Zj。
[ocm]本發明的特點還在于：
[0012]步驟1中各分段節點對應的高程值(Xnk，Znk)采用線性插值法求取，線性插值公式 為
[0013]
其中，Xi<Xni<Xi+l。
[0014] 步驟2中曼寧糖率系數n根據不同分段區域河道床面組成情況取值，各分段的n可 W采用一個能反映整體區域河道床面組成情況的綜合糖率系數，也可W按照不同分段區域 河道床面組成情況取不同的值。
[0015] 步驟3中，目標斷面的實測斷面數據出現斷面兩側最大高程不一致情況時，選取高 程較低一側的斷面最大高程作為斷面最高高程，并獲得等分為Nz層的斷面地形。
[0016] 步驟3具體包括W下步驟：
[0017] 步驟3-1，將斷面垂直方向最低高程和最高高程之間等分為Nz層，各層的高程記為 Zj。對由步驟1等分好的每一小分段(Xni，XnW)，判斷其最低水位是否大于Z"若否，則表明該 小分段內沒有流量，即Qu = O;若是，則根據曼寧公式計算該分段的流量化J，
[001 引
[0019] 其中，4代表過水斷面該分段的面積，^表示其水力半徑，9為過水斷面該分段 的實際濕周，J表示河道斷面該分段縱向比降，n為步驟2確定的該分段的曼寧糖率系數；
[0020] 步驟3-2,按照步驟3-1方法對任一高程等分層句的所有分段進行遍歷，得到每一 分段的流量化對該高程等分層所有分段的流量化J進行求和，得到該高程對應的總斷面流 量值如根據每層的總斷面流量值Q麻該層所對應的水位Z漏到水位流量關系QrZj。
[0021] 本發明的有益效果是，本發明的天然河道水位流量關系的確定方法，依據水力學 及河流動力學的相關原理，采用分段思想，考慮河道斷面糖率的不均勻分布特性，結合了斷 面測量數據。首先對斷面測量數據進行插值處理，將斷面數據進行標準化，在此基礎上采用 糖率分割的辦法，將河道斷面按照糖率進行分割計算其對應的流量，從而求出整個斷面對 應的水位流量關系。本方法對傳統的采用曼寧公式確定斷面水位流量關系的方法進行了改 進，可W避免傳統水位流量關系確定時遇到的雙值問題。
【附圖說明】
[0022] 圖1是某天然河流實測斷面形狀圖；
[0023] 圖2是傳統曼寧公式法和本發明方法確定的斷面Q-Z曲線對照圖（實線表示傳統曼 寧公式法的斷面Q-Z曲線，虛線表示本發明方法的斷面Q-Z曲線）。
【具體實施方式】
[0024] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步的詳細說明，但本發明并不限于 運些實施方式。
[0025] 本發明提供了一種天然河道斷面水位流量關系的確定方法，具體按照W下步驟實 施。
[0026] 步驟1:天然河道斷面測量數據的分析和修正。
[0027]獲取目標斷面A處的實測斷面數據(或地形圖提取數據）（xi，zi)，其中i = l，…，N， Xi代表第i點距過水斷面起點Xl的距離，Zi代表該點的高程值。為了便于后續計算水位流量 關系，將橫斷面Xl和XN之間等分為M個小單元，即等分為M個分段Ui, XnW),每個分段的長度 為采用線性插值法求得各單元節點對應的高程值，即得到Unk, Znk),其中，k = M
[002引線性插值公式如下所示。
[0029]
>.其中，Xi<Xnk<Xi+l。
[0030] 步驟2:確定斷面不同區域曼寧糖率系數n。
[0031] 根據相關手冊或專家經驗，并結合河道床面組成等確定研究河道斷面的曼寧糖率 系數n。曼寧糖率系數n根據不同分段區域河道床面組成情況取值，各分段的n可W統一采用 一個能反映整體區域河道床面組成情況的綜合糖率系數，即各分段的n相等，也就是采用傳 統的計算斷面水位流量關系的方法一般采用的綜合糖率系數。各分段的n也可W不相等，即 按照不同分段區域河道床面組成情況取不同的值。本發明方法為了對傳統方法進行改進， 結果更符合實際情況，采用分段計算水位流量的方法，并且可W實現曼寧糖率系數n按照不 同分段區域河道床面組成情況取不同的數值。
[0032] 步驟3:確定水位流量關系Q-Z。
[0033] 將斷面垂直方向最低高程和最高高程之間等分化層。由于實際斷面地形復雜多 變，測量數據往往會出現斷面兩側最大高程不一致情況，此時選取高程較低一側的斷面最 大高程作為斷面最高高程，獲得最終等分的斷面地形。
[0034] 要想計算天然河道斷面某水位句〇 = 1，…，化)對應的流量值，也就是要計算其對 應的高程等分層Nz所對應的流量值如，根據各Q^Z游制水位流量曲線。由于步驟1中將過 水斷面等分為M個分段，則任一高程等分層Z非片對應的流量值A由該層所有分段的流量值 化J求和而來。每一分段的流量值化北勺計算都采用曼寧公式。
[0035] 其具體計算過程如下：
[0036] 步驟3-1，對由步驟1等分好的每一小分段(Xni，Xni + l)，判斷其最低水位是否大于 Zj。若否，貝懐明該小分段內沒有流量，即如=0;若是，則根據曼寧公式計算該分段的流量 QdJ ,
[0037]
[0038] 其中，4代表過水斷面該分段的面積，^^=^表示其水力半徑，口為過水斷面該分段 巧 的實際濕周，J表示河道斷面該分段縱向比降，n為步驟2確定的曼寧糖率系數。
[0039] 由于n既可W為該分段斷面的綜合糖率系數，也可W根據不同區域河道床面組成 情況取不同的數值，其取值更加貼合實際，使得計算出的化J更準確。
[0040] 步驟3-2,按照上述方法對任一高程等分層的所有分段進行遍歷，得到每一分段的 流量Qu。采用公式
巧該等分層所有分段的流量化J進行求和，即得到該水位下對 應的總斷面流量值。
[0041] 采用同樣的辦法，即可得到不同水位對應的總斷面流量值如，從而得到最終斷面 的Qj-Zj曲線。
[0042] 由于本發明將斷面最低高程和最高高程之間等分Nz層，相鄰兩層之間的高程差為 A Z。實際工程計算中往往需要根據計算所得斷面水位流量關系曲線插值計算得到給定流 量所對應的水位值。因此，在將斷面進行等分時可W根據具體工程要求確定Nz的取值，W保 證計算精確。
[0043] 本發明的方法考慮到了河道斷面糖率的不均勻分布特性，結合斷面測量數據，將 河道斷面按照糖率進行分割計算其對應的流量，從而求出整個斷面對應的水位流量關系， 可W避免傳統水位流量關系確定時遇到的雙值問題。
[0044] 為了驗證本發明方法的可行性，對某天然河流實測斷面分別采用傳統方法和本方 法進行了計算，并對所得結果進行了比較。實測斷面形狀如圖1所示，圖中點代表測量數據。 測量得到河道縱斷面比降測量值為J=IAOOO,采用傳統方法計算時，估算出斷面綜合糖率 系數為n = 0.035。采用本專利提出的分段方法時，由于該區域各段的河道床面組成情況相 似，各段仍采用了相同的綜合糖率系數值n = 0.035。分別采用傳統曼寧公式法和本專利提 出的分段計算方法求得該斷面的水位流量關系曲線如圖2所示。從圖中可W看出，采用傳統 曼寧公式法所得結果呈現出流量隨水深增加而減小的現象(又稱"雙值"現象），運顯然和實 際情況不符。而采用本專利提出的分段計算方法，所得結果沒有出現上述現象，所得結果更 合理。
[0045] 由于各分段的糖率系數n值的確定有很大的經驗性，上述方法驗證中，仍采用相同 的取值。由于采用了分段計算流量水位關系的思想，最終所得水位流量關系曲線已經得到 明顯改善。
[0046] 本發明W上描述只是部分實施例，但是本發明并不局限于上述的【具體實施方式】。 上述的【具體實施方式】是示意性的，并不是限制性的。凡是采用本發明的材料和方法，在不脫 離本發明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，所有具體拓展均屬本發明的保護范圍之 內。
【主權項】
1. 一種天然河道斷面水位流量關系的確定方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1，天然河道斷面測量數據的分析； 獲取目標斷面的實測斷面數據(Xl，Zl)，其中1 = 1，一，111代表第1點距橫斷面起點11的 距離，Z1代表該點的高程值;將橫斷面XdPXN之間等分為M個分段(Χηι，χηι+1)，每個分段的長 度長得各分段節點對應的高程值(Xnk，Znk)，其中，k=l，…，M+1 ; 步驟2,確定不同斷面曼寧糙率系數η; 步驟3，確定水位流量關系Q-z; 將斷面垂直方向最低高程和最高高程之間等分為Nz層，各層的高程記為^;結合步驟2 的曼寧糙率系數η，計算每一分段、每一等分高程對應的流量值Qu，其中，? = 1···Μ為分段編 號，j = 1…隊為等分垂直高程層;并對所有分段的流量值Qlj求和，得到該層所對應的總斷面 流量值根據每層的總斷面流量值Q j和該層所對應的水位得到水位流量關系仏-Zj。2. 根據權利要求1所述的天然河道斷面水位流量關系的確定方法，其特征在于，步驟1 所述各分段節點對應的高程值(Xnk，Znk)采用線性插值法求取，線性插值公式為3. 根據權利要求1所述的天然河道斷面水位流量關系的確定方法，其特征在于，步驟2 所述曼寧糙率系數η根據不同分段區域河道床面組成情況取值，各分段的η可以采用一個能 反映整體區域河道床面組成情況的綜合糙率系數，也可以按照不同分段區域河道床面組成 情況取不同的值。4. 根據權利要求1所述的天然河道斷面水位流量關系的確定方法，其特征在于，所述目 標斷面的實測斷面數據出現斷面兩側最大高程不一致情況時，選取高程較低一側的斷面最 大高程作為步驟3所述的斷面最高高程，并獲得等分為NJl的斷面地形。5. 根據權利要求1或4所述的天然河道斷面水位流量關系的確定方法，其特征在于，所 述步驟3包括以下步驟： 步驟3-1，將斷面垂直方向最低高程和最高高程之間等分為Nz層，各層的高程記為&;對 由步驟1等分好的每一小分段(Χηι，Χηι+1)，判斷其最低水位是否大于若否，則表明該小分 段內沒有流量，即Qu = O;若是，則根據曼寧公式計算該分段的流量Qlj，其中，A代表過水斷面該分段的面積，=^·表示其水力半徑，ρ為過水斷面該分段的實 P 際濕周，J表示河道斷面該分段縱向比降，η為步驟2確定的該分段的曼寧糙率系數； 步驟3-2,按照步驟3-1方法對任一高程等分層的所有分段進行遍歷，得到每一分段的 流量Qu，對該等分層所有分段的流量Qu進行求和，得到該等分層對應的總斷面流量值Qj;根 據每層的總斷面流量值仏和該層所對應的水位得到水位流量關系Q j-Zjt3
【文檔編號】G06F19/00GK106021854SQ201610297993
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月6日
【發明人】荊海曉, 王雯, 魏炳乾, 李國棟
【申請人】西安理工大學