[發明專利]一種推求多級復式斷面水位流量關系的方法

有效

• 申請號: 201710994864.3
• 申請日: 2017-10-23
• 公開（公告）號: CN107816009B
• 公開（公告）日: 2019-10-25
• 發明（設計）人: 陳剛;趙紹熙;顧世祥;浦承松;張天力;梅偉;蘇建廣;謝波;蔡昕;張天浩;陳金明
• 申請（專利權）人: 云南省水利水電勘測設計研究院
• 主分類號: E02B1/00
• 分類號: E02B1/00;E02B3/02
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 肖珍

本發明提出一種推求多級復式斷面水位流量關系的通用方法，包括以下步驟：獲取目標斷面的測量數據，將斷面劃分為M+N+1個子斷面，并進一步歸為7類組成元素；對各子斷面進行阻力劃分f_k＝f_bk+f_vk，其中f_vk＝4λ_kC_DD_km_kh_k為植被拖曳產生的阻力系數，計算各子斷面的曼寧系數計算各元素的表觀切應力，建立各子斷面的動量平衡關系，從而得到三對角系數矩陣的矩陣方程；采用“追趕法”求解矩陣方程，得到各子斷面的斷面平均流速，進而得到該斷面的水位流量關系。本發明提出的方法具有統一的表達式，便于采用Excel或編程進行計算，可應用于包括二級復式斷面在內的所有的多級復式斷面的水位流量關系的推求，是一種計算簡便但精度高的計算方法。

技術領域

本發明屬于水利工程技術領域，具體的說是一種推求多級復式斷面水位流量關系的方法。

背景技術

為適應不同流量的造床作用，天然河流多為二級或多級的復式斷面。此外，城區河流也常設計成二級或多級的復式斷面，以減輕防洪措施對河流廊道景觀的影響，并增加沿岸居民的親水空間。復式斷面通常由一個較深的主槽和相對較淺的一個或多個灘地組成，主槽作為枯水期的輸運通道，灘地僅在洪水期發生漫灘水流時才作為行洪通道。由于斷面不連續，加之灘地通常被植被覆蓋，糙率較主槽大，因而主槽的流速往往較灘地大，導致灘槽間存在動量交換。灘槽間的動量交換會增加水流阻力，進而減少斷面過流能力。因此，單一斷面法、斷面分割法等未考慮灘槽間動量交換的計算方法均不能準確地推求復式斷面的水位流量關系。為此，許多科技工作者致力于復式斷面水位流量關系計算方法的研究，提出了許多精度高的計算方法，大致分為水力學方法(如表觀應力法、零應力界面法等)、統計學方法(如多元回歸模型等)和人工智能方法(如人工神經網絡、遺傳算法等)三大類。然而，這些方法都是針對二級復式斷面提出的，很少關注多級復式斷面水位流量關系的計算方法。

在天然河流的防洪管理中，快速準確地建立水位流量關系，預報洪峰流量下的洪水位及相應的洪泛區，才能采取合理有效的洪水防御策略。在城區河流整治的工程設計中，建立水位流量關系是進行斷面設計，尤其是比選確定主槽槽深、灘地寬度、綠化方案(如樹徑、植被密度等)等關鍵參數的基礎。因此，為了合理地對河流進行管理，迫切需要一種推求多級復式斷面水位流量關系的計算方法。

發明內容

本發明的目的是提出一種推求多級復式斷面水位流量關系的方法，能夠簡便、快速、精確地推求包括二級復式斷面在內的多級復式斷面水位流量關系。通過下列技術方案實現。

本發明提供這樣一種計算方法，一種推求多級復式斷面水位流量關系的方法，為解決上述技術問題，本發明所采取的技術方案如下：

步驟1：目標斷面的幾何尺寸分析。獲取目標斷面的斷面測量數據(X_i，Z_i)(i＝1,2,…，K)，X_i為第i點到目標橫斷面起點X₁的距離，Z_i為該點的高程，K為斷面測量點的數量；選取高程變化較明顯的點，由通過這些點的垂線將斷面劃分為M+N+1個子斷面(如圖1所示)，其中水深最大的子斷面稱為主槽，其余的稱為灘地，M為主槽左側灘地(子斷面)的數量，N為主槽右側灘地(子斷面)的數量，M，N均為自然數，且M+N≥1。自起點側依次標記為子斷面k(1≤k≤K-1)。緊鄰主槽的子斷面(k＝M，M+2)稱為一級灘地，其床面高程稱為一級平灘水深，緊鄰一級灘地的子斷面(k＝M-1，M+3)稱為二級灘地，其床面高程稱為二級平灘水深，以此類推。分別讀取各子斷面的寬度b_k、階地高度d_k、灘地邊坡的坡度、主槽左邊坡坡度S_Lk和主槽右邊坡坡度S_Rk，如圖1。

步驟2：確定各部分的曼寧糙率系數。采用下式計算子斷面k的曼寧糙率系數：