水库下游砂卵石河道冲刷稳定历时计算方法及系统

本申请涉及水力学及河流动力学，特别涉及水库下游砂卵石河道冲刷稳定历时计算方法及系统。

背景技术：

1、随着对清洁替代型能源开发需求的不断增长，各大流域大规模建设了水利枢纽工程以充分开发利用水能资源，水库建设运行后，调节径流过程、拦截上游来沙，不可避免地造成下游河道再造与调整。且目前已开发建设的大型拦蓄型水库主要集中在流域的上中游地区，冲积平原区的开发相对较少，因而水库下游一般为山区河段或砂卵石至沙质河床的过渡段，其河床冲刷发展较为迅速，但冲刷稳定历时仍然会因工程或河道自身属性而有较大差异。以往关于砂卵石河段冲刷的研究，大多集中在重要水库下游河段，一方面关注河床冲刷的极限稳定状态，另一方面也关心因为河床冲刷造成的枯水位下降和取水、航运等问题。砂卵石因沙质覆盖层较薄，可冲物储量较小，同时卵石顶板高程较高，河道比降调整的幅度有限，因而达到稳定状态的历时一般不长，根据河道冲刷发展的进程、河床组成的粗化状态，判断河床达到稳定的历时是可行的。

2、为简单、准确判断出水库下游砂卵石河段达到冲刷稳定状态的历时，需从河道的基本属性出发，细致梳理河道河床冲刷、断面形态的变化过程，认清紧邻水库下游的砂卵石河道，在没有泥沙补给来源的背景下，河床冲刷必然会呈现变形速率逐渐趋缓与河床细颗粒泥沙冲走后逐渐粗化的基本事实，提出表征冲刷发展速率与河床粗化程度的参数与计算方法，基于阈值变化分析，定量识别河床的冲刷稳定状态，为水库下游砂卵石河道保护与治理规划提供技术支撑。

技术实现思路

1、本申请实施例的目的在于提供一种水库下游砂卵石河道冲刷稳定历时计算方法及系统，可应用于确定水库下游砂卵石河道河床冲刷达到稳定状态的历时等，为水库下游河道的保护、规划和治理提供基础依据与技术支撑。

2、为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

3、第一方面，本申请实施例提供一种水库下游砂卵石河道冲刷稳定历时计算方法，包括以下步骤：

4、步骤1. 计算砂卵石河段不同水位级的沿程水面线；

5、步骤2. 计算河床的冲淤与形变速率；

6、步骤3. 计算河床床沙粗化度；

7、步骤4. 确定砂卵石河段冲刷稳定历时；

8、所述步骤1的实现方式如下，

9、步骤11. 收集水库下游砂卵石河道控制性水文站流量、水位及河道断面与河床组成观测资料；

10、步骤12. 采用圣维南方程组，推求砂卵石河道枯水、平均及平滩三级流量对应的沿程水面线，确定不同流量级下各固定断面的水位；

11、所述步骤2的实现方式如下，

12、步骤21. 计算河床冲淤速率，收集库群蓄水后砂卵石河道历年的断面观测数据，结合不同流量级对应的断面水位，计算河道槽蓄容积，得到逐年砂卵石河道的河床冲淤量，对冲淤量进行逐年累加得到累计冲淤量，并计算本时段的累计冲淤量占时段末的累计冲淤量的比例的变化；以河床冲淤变形滞后于水沙条件变化5年为依据，计算河床5年时间尺度的滚动平均冲淤速率，冲淤速率接近或超过0值，且累计冲淤量占比稳定在100附近的5年为初筛的河床稳定时期；

13、步骤22. 计算河床形变率，针对步骤21计算初筛的河床稳定时期，计算不同水位级下的断面过水面积，逐年对比过水面积的变化幅度，定义河床形变率的计算公式为：，式中，为所计算断面中，过水面积增幅超过1%的断面数量，为参与计算过水面积的断面总数；

14、步骤23. 初筛河床稳定历时，基于步骤22计算的河床形变率值，定义当河床形变率小于0.1，则认为河床处于稳定状态，当河床形变率在0.1～0.3之间，则认为河床处于低速冲刷变形状态，当河床形变率大于0.3，则认为河床处于高速冲刷变形状态，初步筛选出河床稳定的年份。

15、所述步骤3的实现方式如下，

16、步骤31. 统计断面床沙组成资料，依据床沙颗粒级配，对断面进行分类，床沙中d<0.50mm颗粒沙量百分数超过50%的断面称为沙质断面，在30%～50%之间的为砂夹卵石断面，小于30%的为卵石夹沙或卵石断面，统计各年卵石夹沙或卵石断面的占比；

17、步骤32. 计算河床粗化度，基于步骤31的断面分类结果，定义河床粗化度为卵石夹沙或卵石断面数量占断面总数的比例与床沙组成中大于0.5mm颗粒沙量百分数均值的乘积，计算式为，式中，为卵石夹沙或卵石断面数量，n为参与统计床沙特征的断面数量，为参与统计断面床沙组成中大于0.5mm颗粒沙量百分数的平均值。

18、所述步骤4的实现方式如下，

19、步骤41. 绘制河床粗化度变化曲线，当值超过70，则认为河床基本形成粗化层，河床进入相对稳定状态；

20、步骤42. 结合步骤23和步骤41，取二者确定的稳定年份的较晚者为最终的河床稳定年份，与初始统计年份进行求差，即可得到砂卵石河床的冲刷稳定历时。

21、所述计算河道槽蓄容积，得到逐年砂卵石河道的河床冲淤量具体为，

22、根据本底和计算时期内泥沙淤积状态的断面数据，采用计算出一定水位下的断面面积，式中，为某水位下第i个测次第j个断面的断面面积，为断面上第k和k+1两个测点之间的距离，为测点k的水深，为断面上测点的数量，

23、根据断面面积，计算出某水位下某个测次的河道槽蓄容积，河道槽蓄容积采用棱台体积公式进行计算，式中，为某水位下第i个测次第j个断面与第j+1断面之间的河道槽蓄容积，为第j个断面至第j+1个断面的距离，为断面数量，

24、根据相邻两个测次的河道槽蓄容积之差，得到两次测量时间间隔内的冲淤量为，式中，为第i个测次至第i+1个测次间隔内的河道冲淤量，大于0代表淤积，小于0代表冲刷，为断面数据的测次数。

25、第二方面，本申请实施例提供一种水库下游砂卵石河道冲刷稳定历时计算系统，包括，

26、资料收集模块，用以收集水库下游河道水文及河道原型观测资料；

27、稳定期初筛模块，用以计算河床的冲淤与变形速率；

28、河床粗化度计算模块，用以计算河床床沙组成粗化程度；

29、稳定历时校核模块，用以校核水库下游砂卵石河道河床冲刷稳定历时。

30、第三方面，本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有程序代码，所述程序代码被处理器执行时，实现如上所述的水库下游砂卵石河道冲刷稳定历时计算方法的步骤。

31、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

32、本申请贴合水库蓄水拦沙作用下坝下游砂卵石河道河床较快冲刷粗化至稳定的实际，根据其不同水位级的河床冲淤量、河道断面形态特征值的计算，提出河床的冲淤与形变速率，初筛河道河床冲刷至稳定状态的历时，计算河床床沙粗化度，印证和确定砂卵石河段冲刷至稳定状态的历时，为掌握水库下游河道砂卵石河床冲刷发展过程和变化趋势预测等提供技术支撑。计算数据依据充分，方法机理明确，实施过程清楚，技术手段可行。

技术特征：

1.一种水库下游砂卵石河道冲刷稳定历时计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的水库下游砂卵石河道冲刷稳定历时计算方法，其特征在于，所述步骤3的实现方式如下，

3.根据权利要求2所述的水库下游砂卵石河道冲刷稳定历时计算方法，其特征在于，所述步骤4的实现方式如下，

4.根据权利要求3所述的水库下游砂卵石河道冲刷稳定历时计算方法，其特征在于，所述计算河道槽蓄容积，得到逐年砂卵石河道的河床冲淤量具体为，

5.一种水库下游砂卵石河道冲刷稳定历时计算系统，实现如权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于，包括，

6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有程序代码，所述程序代码被处理器执行时，实现如权利要求1至4任一项所述的水库下游砂卵石河道冲刷稳定历时计算方法的步骤。

技术总结
本申请涉及水库下游砂卵石河道冲刷稳定历时计算方法及系统，方法包括以下步骤：步骤1.计算砂卵石河段不同水位级的沿程水面线；步骤2.计算河床的冲淤与形变速率；步骤3.计算河床床沙粗化度；步骤4.确定砂卵石河段冲刷稳定历时。本申请贴合水库蓄水拦沙作用下坝下游砂卵石河道河床较快冲刷粗化至稳定的实际情况，根据其不同水位级的河床冲淤量、河道断面形态特征值的计算，提出河床的冲淤与形变速率，初筛河道河床冲刷至稳定状态的历时，计算河床床沙粗化度，印证和确定砂卵石河段冲刷至稳定状态的历时，为掌握水库下游河道砂卵石河床冲刷发展过程和变化趋势预测等提供技术支撑。

技术研发人员：葛华,朱玲玲,白亮,毛冰,董炳江,罗春燕,刘亚,樊咏阳,鄢丽丽,肖潇,张杰,李昶,王悦,杨成刚,方娟娟
受保护的技术使用者：长江水利委员会长江科学院
技术研发日：
技术公布日：2024/5/19