一種天然河道斷面水位流量關(guān)系的確定方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種天然河道斷面水位流量關(guān)系的確定方法，包括以下步驟：步驟1，獲取目標(biāo)斷面的實測斷面數(shù)據(jù)(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(jié)點對應(yīng)的高程值；步驟2，確定不同斷面曼寧糙率系數(shù)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(yīng)的總斷面流量值Qj；根據(jù)每層的總斷面流量值Qj和該層所對應(yīng)的水位得到水位流量關(guān)系。本發(fā)明的方法采用分段計算水位流量關(guān)系的思想，將河道斷面按照糙率進(jìn)行分割計算其對應(yīng)的流量，從而求出整個斷面對應(yīng)的水位流量關(guān)系，可以避免傳統(tǒng)水位流量關(guān)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(guān)系的確定方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于水利工程技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種天然河道斷面水位流量關(guān)系的確定 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 天然河道內(nèi)控制斷面水位流量關(guān)系的確定，是估算河道防洪能力及制定相關(guān)災(zāi)害 防治措施的主要依據(jù)，在山洪災(zāi)害調(diào)查評價等方面有著廣泛地應(yīng)用。
[0003] 采用曼寧公式來確定斷面的水位流量關(guān)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(shù)，又稱為曼寧系數(shù)，直接求解得到河 道斷面的水位流量關(guān)系。因此，在一些特殊斷面(如復(fù)式河道)的水位流量關(guān)系確定時得到 了 "雙值"現(xiàn)象，運與實際情況不符。出現(xiàn)運種現(xiàn)象的主要原因在于復(fù)式河道斷面在某些水 位處會出現(xiàn)斷面瞬間擴大的現(xiàn)象W及天然河道斷面不同位置的阻力系數(shù)不同（如長有不同 植被），而在上述方法中對復(fù)式河道的運種現(xiàn)象并無特殊處理，對阻力系數(shù)也是將其概化為 單一的經(jīng)驗系數(shù)值。因此，克服上述問題，提出一種天然河道斷面水位流量關(guān)系的合理確定 方法，具有十分重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種天然河道斷面水位流量關(guān)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(guān)系時出現(xiàn)的"雙值"現(xiàn)象。
[0005] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種天然河道斷面水位流量關(guān)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(shù)據(jù)的分析；
[0007] 獲取目標(biāo)斷面的實測斷面數(shù)據(jù)(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(jié)點對應(yīng)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(shù)n;
[0009] 步驟3,確定水位流量關(guān)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(jié)合步 驟2的曼寧糖率系數(shù)n，計算每一分段、每一等分高程對應(yīng)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(yīng)的總斷面流量值如根據(jù)每層的總斷面流量值A(chǔ)和該層所對 i=l 應(yīng)的水位&得到水位流量關(guān)系A(chǔ)-Zj。
[ocm]本發(fā)明的特點還在于：
[0012]步驟1中各分段節(jié)點對應(yīng)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(shù)n根據(jù)不同分段區(qū)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(qū)域河道床面組成情況的綜合糖率系數(shù)，也可W按照不同分段區(qū)域 河道床面組成情況取不同的值。
[0015] 步驟3中，目標(biāo)斷面的實測斷面數(shù)據(jù)出現(xiàn)斷面兩側(cè)最大高程不一致情況時，選取高 程較低一側(cè)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(nèi)沒有流量，即Qu = O;若是，則根據(jù)曼寧公式計算該分段的流量化J，
[001 引
[0019] 其中，4代表過水?dāng)嗝嬖摲侄蔚拿娣e，^表示其水力半徑，9為過水?dāng)嗝嬖摲侄?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(shù)；
[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(jìn)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(jìn)行求和，得到該高程對應(yīng)的總斷面流 量值如根據(jù)每層的總斷面流量值Q麻該層所對應(yīng)的水位Z漏到水位流量關(guān)系QrZj。
[0021] 本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明的天然河道水位流量關(guān)系的確定方法，依據(jù)水力學(xué) 及河流動力學(xué)的相關(guān)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(jié)合了斷 面測量數(shù)據(jù)。首先對斷面測量數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，將斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，在此基礎(chǔ)上采用 糖率分割的辦法，將河道斷面按照糖率進(jìn)行分割計算其對應(yīng)的流量，從而求出整個斷面對 應(yīng)的水位流量關(guān)系。本方法對傳統(tǒng)的采用曼寧公式確定斷面水位流量關(guān)系的方法進(jìn)行了改 進(jìn)，可W避免傳統(tǒng)水位流量關(guān)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(tǒng)曼寧公式法和本發(fā)明方法確定的斷面Q-Z曲線對照圖（實線表示傳統(tǒng)曼 寧公式法的斷面Q-Z曲線，虛線表示本發(fā)明方法的斷面Q-Z曲線）。
【具體實施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但本發(fā)明并不限于 運些實施方式。
[0025] 本發(fā)明提供了一種天然河道斷面水位流量關(guān)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(shù)據(jù)的分析和修正。
[0027]獲取目標(biāo)斷面A處的實測斷面數(shù)據(jù)(或地形圖提取數(shù)據(jù)）（xi，zi)，其中i = l，…，N， Xi代表第i點距過水?dāng)嗝嫫瘘cXl的距離，Zi代表該點的高程值。為了便于后續(xù)計算水位流量 關(guān)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(jié)點對應(yīng)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(qū)域曼寧糖率系數(shù)n。
[0031] 根據(jù)相關(guān)手冊或?qū)＜医?jīng)驗，并結(jié)合河道床面組成等確定研究河道斷面的曼寧糖率 系數(shù)n。曼寧糖率系數(shù)n根據(jù)不同分段區(qū)域河道床面組成情況取值，各分段的n可W統(tǒng)一采用 一個能反映整體區(qū)域河道床面組成情況的綜合糖率系數(shù)，即各分段的n相等，也就是采用傳 統(tǒng)的計算斷面水位流量關(guān)系的方法一般采用的綜合糖率系數(shù)。各分段的n也可W不相等，即 按照不同分段區(qū)域河道床面組成情況取不同的值。本發(fā)明方法為了對傳統(tǒng)方法進(jìn)行改進(jìn)， 結(jié)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(xiàn)曼寧糖率系數(shù)n按照不 同分段區(qū)域河道床面組成情況取不同的數(shù)值。
[0032] 步驟3:確定水位流量關(guān)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(fù)雜多 變，測量數(shù)據(jù)往往會出現(xiàn)斷面兩側(cè)最大高程不一致情況，此時選取高程較低一側(cè)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(yīng)的流量值，也就是要計算其對 應(yīng)的高程等分層Nz所對應(yīng)的流量值如，根據(jù)各Q^Z游制水位流量曲線。由于步驟1中將過 水?dāng)嗝娴确譃镸個分段，則任一高程等分層Z非片對應(yīng)的流量值A(chǔ)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(nèi)沒有流量，即如=0;若是，則根據(jù)曼寧公式計算該分段的流量 QdJ ,
[0037]
[0038] 其中，4代表過水?dāng)嗝嬖摲侄蔚拿娣e，^^=^表示其水力半徑，口為過水?dāng)嗝嬖摲侄?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(shù)。
[0039] 由于n既可W為該分段斷面的綜合糖率系數(shù)，也可W根據(jù)不同區(qū)域河道床面組成 情況取不同的數(shù)值，其取值更加貼合實際，使得計算出的化J更準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)行求和，即得到該水位下對 應(yīng)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(yīng)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(fā)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(jù)計算所得斷面水位流量關(guān)系曲線插值計算得到給定流 量所對應(yīng)的水位值。因此，在將斷面進(jìn)行等分時可W根據(jù)具體工程要求確定Nz的取值，W保 證計算精確。
[0043] 本發(fā)明的方法考慮到了河道斷面糖率的不均勻分布特性，結(jié)合斷面測量數(shù)據(jù)，將 河道斷面按照糖率進(jìn)行分割計算其對應(yīng)的流量，從而求出整個斷面對應(yīng)的水位流量關(guān)系， 可W避免傳統(tǒng)水位流量關(guān)系確定時遇到的雙值問題。
[0044] 為了驗證本發(fā)明方法的可行性，對某天然河流實測斷面分別采用傳統(tǒng)方法和本方 法進(jìn)行了計算，并對所得結(jié)果進(jìn)行了比較。實測斷面形狀如圖1所示，圖中點代表測量數(shù)據(jù)。 測量得到河道縱斷面比降測量值為J=IAOOO,采用傳統(tǒng)方法計算時，估算出斷面綜合糖率 系數(shù)為n = 0.035。采用本專利提出的分段方法時，由于該區(qū)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(shù)值n = 0.035。分別采用傳統(tǒng)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(guān)系曲線如圖2所示。從圖中可W看出，采用傳統(tǒng) 曼寧公式法所得結(jié)果呈現(xiàn)出流量隨水深增加而減小的現(xiàn)象(又稱"雙值"現(xiàn)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(jié)果沒有出現(xiàn)上述現(xiàn)象，所得結(jié)果更 合理。
[0045] 由于各分段的糖率系數(shù)n值的確定有很大的經(jīng)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(guān)系的思想，最終所得水位流量關(guān)系曲線已經(jīng)得到 明顯改善。
[0046] 本發(fā)明W上描述只是部分實施例，但是本發(fā)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(fā)明的材料和方法，在不脫 離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，所有具體拓展均屬本發(fā)明的保護(hù)范圍之 內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種天然河道斷面水位流量關(guān)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(shù)據(jù)的分析； 獲取目標(biāo)斷面的實測斷面數(shù)據(jù)(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(jié)點對應(yīng)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(shù)η; 步驟3，確定水位流量關(guān)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(jié)合步驟2 的曼寧糙率系數(shù)η，計算每一分段、每一等分高程對應(yīng)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(yīng)的總斷面 流量值根據(jù)每層的總斷面流量值Q j和該層所對應(yīng)的水位得到水位流量關(guān)系仏-Zj。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然河道斷面水位流量關(guān)系的確定方法，其特征在于，步驟1 所述各分段節(jié)點對應(yīng)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(jù)權(quán)利要求1所述的天然河道斷面水位流量關(guān)系的確定方法，其特征在于，步驟2 所述曼寧糙率系數(shù)η根據(jù)不同分段區(qū)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(qū)域河道床面組成情況的綜合糙率系數(shù)，也可以按照不同分段區(qū)域河道床面組成 情況取不同的值。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然河道斷面水位流量關(guān)系的確定方法，其特征在于，所述目 標(biāo)斷面的實測斷面數(shù)據(jù)出現(xiàn)斷面兩側(cè)最大高程不一致情況時，選取高程較低一側(cè)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(jù)權(quán)利要求1或4所述的天然河道斷面水位流量關(guān)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(nèi)沒有流量，即Qu = O;若是，則根據(jù)曼寧公式計算該分段的流量Qlj，其中，A代表過水?dāng)嗝嬖摲侄蔚拿娣e，=^·表示其水力半徑，ρ為過水?dāng)嗝嬖摲侄蔚膶? 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(shù)； 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(jìn)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(jìn)行求和，得到該等分層對應(yīng)的總斷面流量值Qj;根 據(jù)每層的總斷面流量值仏和該層所對應(yīng)的水位得到水位流量關(guān)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(fā)明人】荊海曉, 王雯, 魏炳乾, 李國棟
【申請人】西安理工大學(xué)