强涌潮河段洪潮共同作用下古海塘堤脚冲刷高程预测方法与流程

本发明涉及堤防工程冲刷高程监测，具体是关于一种强涌潮河段洪潮共同作用下古海塘堤脚冲刷高程预测方法。

背景技术：

1、堤防是河口海岸防御洪水、风暴潮等侵袭最重要的工程措施和屏障。在洪潮共同作用下，堤脚冲刷对海塘的安全威胁极大，是堤防整体失稳的重要原因之一。

2、强涌潮河段既有一般河口洪潮双向流的特征，又有强涌潮河口的特殊性，特殊的动力结构决定强涌潮河段堤防堤脚冲刷剧烈复杂，钱塘江河口强涌潮河段水动力强劲致古海塘堤脚冲刷严重、年内堤防堤脚冲刷幅度最大可达7m以上，堤防堤脚冲刷剧烈且规律复杂，对堤防结构的稳定造成极大的影响。精确预测强涌潮河段洪潮共同作用下古海塘堤脚冲刷高程有助于堤防的安全运维和健康评价。

3、目前，对于堤脚冲刷高程的预测计算方法，主要是堤防工程设计规范中经验公式包括d2.1-5、d2.2-1、d2.2-2和河道整治设计规范中b.2.2公式等。但以上公式主要适用于洪水单向冲刷，在洪潮共同作用的强涌潮河段计算结果普遍小于实测值，误差较大，尚无法准确地获取强涌潮河段洪潮共同作用下的堤脚冲刷高程。

4、前述背景技术知识的记载旨在帮助本领域普通技术人员理解与本发明较为接近的现有技术，同时便于对本发明的发明构思及技术方案的理解，应当明确的是，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日前已公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本技术技术方案的新创性。

技术实现思路

1、技术问题

2、为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种强涌潮河段洪潮共同作用下古海塘堤脚冲刷高程预测方法，获取和计算强涌潮河段地形资料同期的河口径流潮汐相关数据，建立堤脚冲刷高程与不同洪潮动力组合之间的多元回归模型，可精确预测洪潮共同作用下强涌潮河段堤脚冲刷高程。

3、技术方案

4、为了实现上述目的，本技术发明人进行了深入研究，提出了一种堤脚冲刷高程预测方法，该方法对于拥有长系列实测近堤地形资料的强涌潮河段，获取和计算地形资料同期的河口径流潮汐相关数据，通过洪潮冲刷过程的动力机制的判断，建立堤脚冲刷高程与不同洪潮动力组合之间的多元回归模型，据此推求堤脚冲刷高程，提高了洪潮共同作用下强涌潮河段堤脚冲刷高程的预测精准度。

5、即，本发明具体包括下述方案。

6、强涌潮河段洪潮共同作用下古海塘堤脚冲刷高程预测模型，包括依据公式(8)计算古海塘堤脚冲刷高程，

7、(8)

8、其中，s为冲刷高程(m)；s0为前一测次30m范围内最低高程(m)；qm为测次间最大日均流量(m3/s)；hm为测次间临近潮位站的最大潮差(m)； a、b、c、d均为系数； e为常数项，介于-3.0～2.0之间；若古海塘堤脚为洪水为主、潮水为辅塘段，则ql为测次前6个月河口上游月平均流量(m3/s)；若古海塘堤脚为潮水为主、洪水为辅塘段，则ql为测次间临近潮位站的平均低潮位(m)。

9、作为对本发明技术方案的进一步优选，若古海塘堤脚为洪水为主、潮水为辅塘段，则各系数取值如下：a取值0.3～0.7；b取值0.0003～0.002；c取值0.01～0.12；d取值0.12～0.25；e为常数项，取值2.0～4.5。

10、作为对本发明技术方案的进一步优选，若古海塘堤脚为潮水为主、洪水为辅塘段，则各系数取值如下：a取值0.05～0.9；b取值-0.06～0.7；c取值-0.02～0.08；d取值0.10～0.35；e为常数项，取值-3.0～2.0。

11、强涌潮河段洪潮共同作用下古海塘堤脚冲刷高程预测方法，包括：

12、步骤一、获取和计算相关数据：获取堤前30m范围内每月一次的最低高程，计算获得塘前地形观测期的河口上游在过去i个月内的日均流量和测次间最大日均流量；采集海塘临近长期验潮站的逐时潮位数据并计算获得涨潮潮差、落潮潮差、测次间最大潮差及测次间平均低潮位；

13、步骤二、判断堤脚冲刷的洪潮动力条件：通过步骤一获取的每月一次的最低高程，逐年统计计算各年内4至7月的梅汛期冲刷深度和7至11月的秋季大潮冲刷深度，依据梅汛期冲刷深度和秋季大潮冲刷深度判断堤脚冲刷的洪潮动力；

14、步骤三、建立洪水为主、潮水为辅塘段的堤脚冲刷高程预测模型：若步骤二中冲刷动力判定为洪水为主、潮水为辅塘段，构建堤脚冲刷预测公式(8a)：

15、(8a)

16、其中，s为冲刷高程(m)；s0为前一测次30m范围内最低高程(m)；q6为测次前6个月河口上游月平均流量(m3/s)；qm为测次间最大日均流量(m3/s)；hm为测次间临近潮位站的最大潮差(m)；a、b、c、d均为系数：a取值0.3～0.7；b取值0.0003～0.002；c取值0.01～0.12；d取值0.12～0.25；e为常数项，取值2.0～4.5；

17、步骤四、建立潮水为主、洪水为辅塘段的堤脚冲刷高程预测模型：作为对步骤三的替代，若步骤二判定为潮水冲刷为主、洪水冲刷为辅河段，构建堤脚冲刷预测公式(8b)：

18、(8b)

19、其中，s为冲刷高程(m)；s0为前一测次30m范围内最低高程(m)；yl为测次间临近潮位站的平均低潮位(m)；qm为测次间最大日均流量(m3/s)；hm为测次间临近潮位站的最大潮差(m)；a、b、c、d均为系数：a取值0.05～0.9；b取值-0.06～0.7；c取值-0.02～0.08；d取值0.10～0.35；e为常数项，取值-3.0～2.0；依据预测模型对冲刷高程进行预测。

20、作为对本发明技术方案的进一步优选，所述步骤一中，计算获得塘前地形观测期的河口上游在过去i个月内的日均流量和测次间最大日均流量的步骤具体包括：

21、采集塘前地形观测期的河口上游径流站位的每日的日均径流量q(m3/s)，按公式(1)进一步计算测次前i个月河口上游月平均流量qi，其计算公式为：

22、(1)

23、其中，qi为测次前i个月河口上游平均流量，单位为m3/s，指的是前i个月内日均流量的平均值；n为前i个月的总天数；

24、计算获得测次间最大日均流量qm，单位为m3/s。

25、作为对本发明技术方案的进一步优选，所述步骤一中，计算获得涨潮潮差、落潮潮差、测次间最大潮差及测次间平均低潮位的步骤具体包括：

26、采集海塘临近长期验潮站的逐时潮位数据l(m)，然后在逐时潮位数据中提取测次当月每日的高潮位lh和低潮位ll，并按公式(2)和公式(3)逐潮计算涨潮潮差hr和落潮潮差hf，进而按公式(4)求得测次间最大潮差hm，单位均为m；

27、(2)

28、(3)

29、(4)

30、按公式(5)进一步计算测次间的平均低潮位yl，其计算公式为：

31、(5)

32、其中，yl为测次间逐潮低潮位ll的平均值，单位为m；j为测次间逐潮低潮位的总数。

33、作为对本发明技术方案的进一步优选，所述步骤二中，依据梅汛期冲刷深度和秋季大潮冲刷深度判断堤脚冲刷的洪潮动力的步骤具体包括：

34、通过步骤一获取的每月一次的最低高程sl(m)，分别按公式(6)逐年统计计算各年内4至7月梅汛期的冲刷幅度d梅，按公式(7)逐年统计计算各年内7至11月秋季大潮的冲刷深度d潮，

35、(6)

36、(7)

37、其中，sl4、sl7、sl11分别为4月、7月和11月的堤前30m范围的最低高程(m)；

38、建立判别条件如下：

39、若d梅大于d潮，且发生典型洪水事件年份的d梅大于d潮的2倍以上，则判定为洪水为主、潮水为辅塘段；

40、若d梅小于d潮，且发生典型洪水事件年份的d潮大于d梅的2倍以上，则判定为潮水为主、洪水为辅塘段。

41、作为对本发明技术方案的进一步优选，所述步骤三及步骤四中，堤脚冲刷高程预测模型的具体公式计算的系数选取时，经多次系数率定，当样本实测值与预测值散点相关系数r大于等于0.8显著相关时，可进行预报计算。进行预测时，根据预测公式，只需要给定前一测次30m范围内最低高程s0(m)；测次前i个月河口上游月平均流量qi(m3/s)、测次间最大日均流量qm(m3/s)、测次间临近潮位站的最大潮差hm(m)以及测次间平均低潮位yl(m)等测量统计值，即可快速预测计算堤脚30m范围内的最低高程。

42、通过堤脚洪潮冲刷过程的动力机制的判断，建立洪水为主，潮水为辅河段和潮水冲刷为主，洪水冲刷为辅两种情况下堤脚冲刷高程预测的定量关系，充分考虑冲淤变化的差异性，使得预测模型更加完善，有效提高堤脚冲刷的预测精准度；在使用堤脚冲刷高程预测方法进行预测时，只需要根据前一测次高程、前6个月平均流量、测次间最大日均流量、测次间最大潮差以及测次间平均低潮位等测量统计值，即可快速预测堤脚冲刷高程变化，具有显著的简便性。

43、一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器、处理器、通信接口以及通信总线；其中，所述存储器、处理器、通信接口通过所述通信总线进行相互间的通信；所述存储器，用于存放计算机程序；所述处理器，用于执行所述存储器上所存放的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现前述所述强涌潮河段洪潮共同作用下古海塘堤脚冲刷高程预测方法的至少一个步骤。

44、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述所述强涌潮河段洪潮共同作用下古海塘堤脚冲刷高程预测方法的至少一个步骤。

45、在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可以相互组合，得到具体实施方式。

46、有益效果

47、根据本发明，通过获取和计算地形资料同期的河口径流潮汐相关数据，过堤脚洪潮冲刷过程的动力机制的判断，建立洪水为主、潮水为辅河段和潮水为主、洪水为辅两种情况下堤脚冲刷高程预测的定量关系，在使用堤脚冲刷高程预测方法进行预测时，只需要根据前一测次高程、前6个月平均流量、测次间最大日均流量、测次间最大潮差以及测次间平均低潮位等测量统计值，即可快速预测堤脚冲刷高程变化，具有显著的简便性。方法充分考虑冲淤变化的差异性，使得预测模型更加完善，据此推求堤脚冲刷高程，有效提高了洪潮共同作用下强涌潮河段堤脚冲刷的预测精准度，验证可知实测值与公式预测值基本一致，两者相关性不低于0.8。

48、本发明为实现上述目的而采用了上述技术方案，弥补了现有技术的不足，设计合理，操作方便。