一种多沙河流干支流水沙全交互模拟方法及系统与流程

本发明涉及水利工程技术领域，特别是涉及一种多沙河流干支流水沙全交互模拟方法及系统。

背景技术：

水库库区干支流交汇处及附近河段的水流和泥沙运动复杂，入汇模式、入汇角度、干支流汇流比、含沙量、底坡坡降等均是影响干支流交汇处水沙运动和淤积形态的影响因素。多沙河流水库库坝区输沙流态和冲淤模式十分复杂，现有技术中大多按照支流沿程汇入干流的单一模式进行水库泥沙冲淤计算和河床变形预测，难以适应对高、超高和特高等不同含沙量水库进行冲淤模拟。

2002年起，小浪底库区支流畛水在入汇处淤积形成拦门沙坎，大峪河、石井河、西阳河、允西河、亳清河和板涧河等支流在河口均形成河床倒坡，究其原因，均由小浪底黄河干流倒灌引起支流口门淤积造成。刘家峡水库支流洮河含沙量较高，入汇黄河后形成异重流，自交汇处分别向黄河干流上、下游两个方向流动，向黄河上游倒灌使河床形成倒比降。还有一些类似于盲肠河道的支流，随着干流来沙，支流口门处会形成螺旋状泥沙淤积，以及水库水位涨落，支流口门泥沙落淤或冲刷，这些干支流交互的模式均不同于普通的支流入汇。采用常规的支流沿程汇入干流的处理方法无法体现出干支流交互作用，对库区泥沙冲淤预测不够准确，使河床高程变化的计算存在较大的误差。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种多沙河流干支流水沙全交互模拟方法及系统，能有效提高现有水库冲淤模拟的计算精度，减小河床高程变化的计算误差。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种河床高程变化的确定方法，所述确定方法包括：

根据河流干支交汇区支流的水流流态、干流流量、干流含沙量以及水位变化，确定干支流交汇模式，所述干支流交汇模式为沿程入汇模式、分层倒灌模式、侧向驱动模式或蓄泄吐纳模式；

根据河流干支交汇区的水力要素及所述干支流交汇模式确定交汇区河床断面冲淤变化面积；

根据所述冲淤变化面积确定河床高程变化。

可选的，当所述干支流交汇模式为侧向驱动模式时，所述侧向驱动模式的支流流量小于侧向驱动流量阈值，干流水位高于或者等于支流水位，且干流含沙量大于10kg/m³。

可选的，当所述干支流交汇模式为蓄泄吐纳模式时，所述蓄泄吐纳模式的干流来含沙量大于10kg/m³的高含沙洪水时，支流口门处的干流水位会发生变化。

可选的，当所述干支流交汇模式为分层倒灌模式时，所述根据河流干支交汇区的水力要素及所述干支流交汇模式确定交汇区河床断面冲淤变化面积，具体包括：

根据沙量平衡方程计算单位时间的沿程输沙率；

根据所述沿程输沙率计算异重流分层倒灌的淤积量；

根据异重流阻力系数、异重流潜入后的水深、异重流潜入后的修正弗汝德数及底坡比降确定异重流倒灌区域的长度；

根据分层倒灌的淤积量、异重流沿程倒灌断面的间距确定所述异重流倒灌区域内，各所述异重流沿程倒灌断面因淤积而增加的面积。

可选的，当所述干支流交汇模式为侧向驱动模式时，所述根据河流干支交汇区的水力要素及所述干支流交汇模式确定交汇区河床断面冲淤变化面积，具体包括：

根据公式：g＝0.0235f(θ)umb0h(sm-sr*)p，确定侧向驱动模式下支流的淤积量，其中，g表示侧向驱动模式下支流的淤积量，f(θ)表示干支流交角影响函数，θ表示干支流交角，um表示干流流速，b0表示口门宽度，h表示口门水深，sm表示干流含沙量，p表示小于分界粒径的泥沙百分比，sr*表示侧向驱动水流的饱和挟沙力；

根据支流水位及干支流交汇处的水位确定侧向驱动淤积区域的长度；

根据公式：确定侧向驱动淤积区域内，各侧向驱动淤积断面增加的面积，其中，δa表示断面增加的面积，l表示侧向驱动淤积区域的长度，ρ表示水的容重，li表示侧向驱动淤积断面距干支流交汇处的距离，li≤l。

可选的，当所述干支流交汇模式为蓄泄吐纳模式时，所述根据河流干支交汇区的水力要素及所述干支流交汇模式确定交汇区河床断面冲淤变化面积，具体包括：

根据公式：确定蓄泄吐纳模式下，干支流交汇处的输沙量，其中，g′表示输沙量，t表示水位升降过程的历时，φ表示泥沙落淤机率，a表示水面面积，s表示含沙量，s*表示挟沙力，h表示不同时刻的水深，t表示时间；

根据支流水位及干支流交汇处的水位确定蓄泄吐纳冲淤区域的长度；

根据公式：确定蓄泄吐纳冲淤区域内，各蓄泄吐纳冲淤断面增加的面积，其中，δa表示断面增加的面积，l′表示蓄泄吐纳冲淤区域的长度，ρ表示水的容重，li′表示蓄泄吐纳冲淤断面距干支流交汇处的距离，li′≤l′。

可选的，所述根据所述冲淤变化面积确定河床高程变化，具体包括：

根据公式：确定干支交汇区第i个子断面的河床高程变化，其中，δzbi表示第i个子断面的河床高程变化；a全为全断面过流面积；hi为第i个子断面的水深，1≤i≤n，n表示干支交汇区全断面包括的子断面的数量。

一种河床高程变化的确定系统，所述确定系统包括：

交汇模式确定模块，用于根据河流干支交汇区支流的水流流态、干流流量、干流含沙量以及水位变化，确定干支流交汇模式，所述干支流交汇模式为沿程入汇模式、分层倒灌模式、侧向驱动模式或蓄泄吐纳模式；

变化面积确定模块，用于根据河流干支交汇区的水力要素及所述干支流交汇模式确定交汇区河床断面冲淤变化面积；

河床高程变化确定模块，用于根据所述冲淤变化面积确定河床高程变化。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的河床高程变化的确定方法及确定系统，首先根据河流干支交汇区支流的水流流态、干流流量、干流含沙量以及水位变化，确定干支流交汇模式，将干支流交汇模式细分为沿程入汇模式、分层倒灌模式、侧向驱动模式和蓄泄吐纳模式。然后根据具体的干支流交汇模式及河流干支交汇区的水力要素确定交汇区河床断面冲淤变化面积，最后根据冲淤变化面积确定河床高程变化。可见，本发明根据干支流水沙交互作用机理将干支流交汇模式细分为四种模式，能有效提高现有水库冲淤模拟的计算精度，减小河床高程变化的计算误差。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种河床高程变化的确定方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的异重流倒灌示意图；

图3为本发明实施例提供的冲淤量断面分配示意图；

图4为本发明实施例提供的一种河床高程变化的确定系统的结构框图；

图5为本发明实施例提供的小浪底库区段年际冲淤验证成果对比图；

图6为本发明实施例提供的巴家嘴水库干流蒲河纵剖面高程验证图；

图7为本发明实施例提供的巴家嘴水库支流黑河纵剖面高程验证图；

图8为本发明实施例提供的小北干流冲淤验证成果图；

图9为本发明实施例提供的三门峡库区冲淤验证成果图；

图10为本发明实施例提供的渭河下游冲淤验证成果图；

图11为本发明实施例提供的刘家峡库区干流纵剖面对比图。

具体实施方式

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，显然，所描述的实施例仅仅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，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种多沙河流干支流水沙全交互模拟方法及系统，能有效提高现有水库冲淤模拟的计算精度，减小河床高程变化的计算误差。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例提供的一种河床高程变化的确定方法的流程图。如图1所示，所述确定方法包括：

步骤101：根据河流干支交汇区支流的水流流态、干流流量、干流含沙量以及水位变化，确定干支流交汇模式，所述干支流交汇模式为沿程入汇模式、分层倒灌模式、侧向驱动模式或蓄泄吐纳模式。

步骤102：根据河流干支交汇区的水力要素及所述干支流交汇模式确定交汇区河床断面冲淤变化面积。

步骤103：根据所述冲淤变化面积确定河床高程变化。

对于沿程入汇模式，不考虑干流对支流的影响，支流入汇干流后按照干支流叠加考虑。沿程入汇模式的发生条件为：支流含沙量小于干流含沙量，交汇处以上的支流河底高程高于干流河底高程。支流含沙量由泥沙运动方程计算得出，再通过求解河床变形方程即可求出冲淤量。

分层倒灌模式，在水库或河道的干支流交汇区，在重力和惯性作用下，高含沙异重流改变运行方向，由干流进入支流或由支流进入干流，形成“逆流而上”的泥沙输移方式。分层倒灌模式的发生条件为：支流含沙量s大于10kg/m³的高含沙洪水汇入干流时，干流蓄有清水；或者，干流含沙量s大于10kg/m³的高含沙洪水汇入支流时，支流蓄有清水，若高含沙水流在汇入点的弗汝德数fr0满足式(1)，且水深h满足式(2)，即可形成分层倒灌。

式中：u0为异重流的流速；δρ表示高含沙水流与清水的密度差；ρ′为高含沙水流的密度；γ为清水容重；g表示重力加速度；h0表示异重流在潜入清水处的水深。

式中：h为水深；λ′为异重流阻力系数；h为交汇处水深；i0为底坡比降；q为单宽流量；ηg为重力修正系数，ηg等于异重流容重γ′和清水容重γ0的容重差与异重流容重γ′的比值，ηg＝(γ′-γ0)/γ′。

侧向驱动模式，库区支流上游无水沙或流量很小，类似于盲肠河道，如果干流流量或流速较大，经过支流口门时由于边界脱离对支流来流产生紊动剪切力，形成侧向回流，干流扩散挟带的泥沙在回流区沉积落淤。侧向驱动模式的发生条件为：支流为盲肠河段，支流流量小于侧向驱动流量阈值，干流水位z干高于或者等于支流水位z干即z干≥z支，且干流含沙量大于10kg/m³。可选的，侧向驱动流量阈值小于或者等于0.5m³/s，本实施例中，侧向驱动流量阈值为0m³/s，支流基本为静水。

蓄泄吐纳模式，水库蓄泄过程中，支流口门外水位涨落，会引起干支流交汇处河床发生冲淤变化，会形成拦门沙坎或冲刷。蓄泄吐纳模式的发生条件为：干流来含沙量s大于10kg/m³的高含沙洪水时，水库蓄泄，坝前水位上升或降落，向上游逐步传递，到达支流口门处时，干流水位发生变化，即δz干≥0，则引起支流淤积或冲刷，δz干表示干流水位变化量。

沿程入汇模式不考虑干流对支流的影响，支流入汇干流后按照干支流叠加考虑，根据泥沙连续方程计算出断面含沙量后，再由河床变形方程即可求出交汇处河床冲淤量。当所述干支流交汇模式为沿程入汇模式时，所述根据河流干支交汇区的水力要素及所述干支流交汇模式确定交汇区河床断面冲淤变化面积，具体包括：

将悬移质泥沙分为m组，以sk表示第k组泥沙的含沙量，根据式(3)所示的悬移质泥沙的不平衡输沙方程求得含沙量sk。

式中：α表示恢复饱和系数；a′为支流断面过流面积；q为支流断面流量；x为支流断面沿河床方向的距离；ωk表示第k组泥沙颗粒的沉速；sk表示第k组泥沙含沙量；s*k表示第k组泥沙挟沙力；qls表示单位时间单位河长汇入或流出的沙量；b为支流河宽，t表示时间。

将含沙量sk带入公式(4)所示的河床变形方程，即可求出交汇处河床垂向断面冲淤面积δa。

式中：γs′为泥沙干容重；m为泥沙分组；b为支流河宽；qb为支流断面单宽流量；ωk表示第k组泥沙颗粒的沉速；sk表示第k组泥沙含沙量；s*k表示第k组泥沙挟沙力。

图2为本发明实施例提供的异重流倒灌示意图。如图2所示，异重流分层倒灌是三维两相流问题，属于超饱和输沙，沿程将不断淤积，异重流倒灌的范围是有限的，计算范围内的全断面淤积量，换算成面积，再分配给子断面。当所述干支流交汇模式为分层倒灌模式时，所述根据河流干支交汇区的水力要素及所述干支流交汇模式确定交汇区河床断面冲淤变化面积，具体包括：

根据沙量平衡方程计算单位时间的沿程输沙率，异重流输沙率沿程变化如式(5)所示。

根据所述沿程输沙率计算异重流分层倒灌的淤积量，异重流淤积量的计算公式如式(6)所示。

其中，q1为潜入断面的异重流流量；s1为潜入断面的异重流含沙量；α表示恢复饱和系数；ω表示泥沙沉速；u0为异重流上升速度；β为异重流宽度与流量之比；x为异重流沿程倒灌距离；t为异重流传播的时间。

根据异重流阻力系数、异重流潜入后的水深、异重流潜入后的修正弗汝德数及底坡比降确定异重流倒灌区域的长度，即异重流传播范围的长度，具体计算公式见式(7)。

式中：为潜入后的修正弗汝德数，本实施例中取值为0.247；λ0为异重流阻力系数，本实施例中取值为0.03；h为异重流潜入后的水深；i0为底坡比降。

根据分层倒灌的淤积量、异重流沿程倒灌断面的间距确定所述异重流倒灌区域内，各所述异重流沿程倒灌断面因淤积而增加的面积，计算公式见式(8)。

式中：g为异重流倒灌淤积量；δx为异重流沿程倒灌断面的间距；l为异重流倒灌区域的长度；δa为断面淤积而增加的面积；ρ为水的容重。

侧向驱动模式的支流泥沙主要来源于干流紊动扩散，因此不考虑泥沙在回流区内的复杂运动过程，假定泥沙全部落淤于支流口门，影响回流淤积的因素主要有支流口门宽、水深、含沙量、干流流速、淤积时间等，本发明将支流口门的水流运动近似看作沿垂线平均的二维运动，提出了侧向驱动模式下支流的淤积量计算公式。当所述干支流交汇模式为侧向驱动模式时，所述根据河流干支交汇区的水力要素及所述干支流交汇模式确定交汇区河床断面冲淤变化面积，具体包括：

根据公式：g＝0.0235f(θ)umb0h(sm-sr*)p，确定侧向驱动模式下支流的淤积量，其中，g表示侧向驱动模式下支流的淤积量；f(θ)为干支流交角影响函数，θ表示干支流交角；c1、c2为口门边界变化系数，本实施例中c1＝-0.219，c2＝0.548，um表示干流流速；b0表示口门宽度；h表示口门水深；sm表示干流含沙量；p表示小于分界粒径的泥沙百分比，本实施例中分界粒径d0值为1mm，ν为水流粘性系数，γs为泥沙的容重、γ为水的容重；sr*为侧向驱动水流的饱和挟沙力。

根据支流水位及干支流交汇处的水位确定侧向驱动淤积区域的长度。侧向驱动的传播范围为支流水位以下，淤积量随支流沿程线性分布，本实施例中，侧向驱动淤积区域的长度l为支流水位低于干支流交汇处水位的长度。

根据公式：确定侧向驱动淤积区域内，各侧向驱动淤积断面增加的面积，其中，δa表示断面增加的面积，l表示侧向驱动淤积区域的长度，ρ表示水的容重，li表示侧向驱动淤积断面与干支流交汇处的距离，li≤l。

本发明结合水位、含沙量、流量等采用非恒定流一维不平衡输沙方程提出了水库蓄、泄时干支流交汇处的输沙量计算公式。当所述干支流交汇模式为蓄泄吐纳模式时，所述根据河流干支交汇区的水力要素及所述干支流交汇模式确定交汇区河床断面冲淤变化面积，具体包括：

根据公式：确定蓄泄吐纳模式下，干支流交汇处的输沙量，其中，g′表示输沙量，t表示水位升降过程的历时，φ表示泥沙落淤机率，a表示水面面积，s表示含沙量，s*表示挟沙力，h表示不同时刻的水深，t表示时间。

根据支流水位及干支流交汇处的水位确定蓄泄吐纳冲淤区域的长度。蓄泄吐纳的传播范围为支流水位z交以下，冲淤量随支流沿程线性分布，蓄泄吐纳冲淤区域的长度l为支流水位低于干支流交汇处水位z交的长度。

根据公式：确定蓄泄吐纳冲淤区域内，各蓄泄吐纳冲淤断面增加的面积，其中，δa表示断面增加的面积，l′表示蓄泄吐纳冲淤区域的长度，ρ表示水的容重，l′i表示蓄泄吐纳冲淤断面与干支流交汇处的距离，li′≤l′。

图3为本发明实施例提供的冲淤量断面分配示意图。如图3所示，求出四种模式的断面冲淤面积变化后，通常将全断面分成i个子断面，根据垂向断面冲淤面积进行子断面分配，得出每个子断面的河底高程变化，即可得出河底形态变化。根据所述冲淤变化面积确定河床高程变化，具体包括：

根据公式：确定干支交汇区第i个子断面的河床高程变化，其中，δzbi表示第i个子断面的河床高程变化；a全为全断面过流面积；hi为第i个子断面的水深，1≤i≤n，n表示干支交汇区全断面包括的子断面的数量。

图4为本发明实施例提供的一种河床高程变化的确定系统的结构框图。如图4所示，所述确定系统包括：

交汇模式确定模块401，用于根据河流干支交汇区支流的水流流态、干流流量、干流含沙量以及水位变化，确定干支流交汇模式，所述干支流交汇模式为沿程入汇模式、分层倒灌模式、侧向驱动模式或蓄泄吐纳模式。

变化面积确定模块402，用于根据河流干支交汇区的水力要素及所述干支流交汇模式确定交汇区河床断面冲淤变化面积。

河床高程变化确定模块403，用于根据所述冲淤变化面积确定河床高程变化。

本发明通过干支流交互模式判别，构建了库坝区耦合水沙全交互模型，结合实测资料对小浪底水库、巴家嘴水库、渭河汇流段进行了计算，计算精度提高了10％以上。1999年11月至2016年10月，小浪底水库淤积泥沙32.09亿立方米，其中干流库区淤积25.90亿立方米，支流库区淤积6.19亿立方米。小浪底库区段年际冲淤验证成果对比见图5。由图5可见，若不采用本发明提供的干支流交互模式识别，仅基于常规的支流沿程汇入干流的单一模式进行冲淤计算，即采用交互模式前，1999年11月至2016年10月小浪底水库累计淤积29.87立方米，误差为6.9％，其中支流累计淤积5.45亿立方米，误差为12％。采用干支流交互模式识别后，1999年11月至2016年10月小浪底水库累计淤积30.77立方米，误差4.1％，支流累计淤积5.74亿立方米，误差为7.3％。

图6为本发明实施例提供的巴家嘴水库干流蒲河纵剖面高程验证图。图7为本发明实施例提供的巴家嘴水库支流黑河纵剖面高程验证图。干支流蒲河和黑河淤积库区淤积形态对比分别见图6和图7。由图6和图7可见，1982年5月～1992年10月，实测巴家嘴水库累计淤积量为6060万立方米。若不采用本发明提供的干支流交互模式识别，仅基于常规的支流沿程汇入干流的单一模式进行冲淤计算，累计淤积量为6280万立方米，误差3.63％。采用干支流交互模式识别后，累计淤积量为6252万立方米，误差3.17％。

图8为本发明实施例提供的小北干流冲淤验证成果图。图9为本发明实施例提供的三门峡库区冲淤验证成果图。图10为本发明实施例提供的渭河下游冲淤验证成果图。由图8～图10可见，1991年9月1日～2005年12月31日，渭河下游、小北干流、三门峡库区的实测冲淤量分别为3.52吨、-0.33吨和4.46亿吨。若不采用本发明提供的干支流交互模式识别，仅基于常规的支流沿程汇入干流的单一模式进行冲淤计算，一维水沙数学模型计算结果分别为4.06亿吨、-0.68亿吨和4.60亿吨。采用干支流交互模式识别的方法之后，计算结果分别为3.78亿吨、-0.49亿吨和4.52亿吨。考虑干支流交互作用后，小北干流河道考虑干支流交互作用的计算误差由15.30％减小到7.41％，渭河下游的计算误差由3.18％减小到1.77％，三门峡库区计算精度也得到了有效提高。

进一步以刘家峡水库为例，刘家峡水库主要由黄河干流、右岸支流洮河与大夏河库区三部分组成，洮河是一条多沙河流，在距刘家峡大坝仅1.5km处汇入黄河。图11为本发明实施例提供的刘家峡库区干流纵剖面对比图。由图11可见，支流洮河入汇后以异重流的模式向上游输沙，如果采用传统的支流沿程汇入干流的单一模式进行计算，不采用干支流交互模式识别，计算结果为洮河口淤积抬高，形成沙坎，而实际观测资料显示，洮河入汇后形成异重流潜入水下，以分层倒灌的形式向上游运动，最终形成的沙坎顶点不在洮河口，而是在上游约1km处，采用交互模式识别之后，计算的结果与实际相符。

发明人通过对40余座水库进行调查，深入研究了库坝区泥沙冲淤规律，识别出库区干支流水沙交互存在沿程入汇、分层倒灌、蓄泄吐纳、侧向驱动四种基本模式，并分别建立了冲淤量计算方法，进一步计算出河床变形，实现了干支流水沙全交互模拟，有效提高了多沙河流水库的计算精度。采用本发明提供的方法及系统对三门峡、小浪底、刘家峡和巴家嘴等水库进行计算，计算精度提高了10％以上。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。