[發明專利]一種具有可重復性的基于河段尺度的平灘水位確定方法

有效

• 申請號: 201811201610.2
• 申請日: 2018-10-16
• 公開（公告）號: CN109360271B
• 公開（公告）日: 2022-03-22
• 發明（設計）人: 劉亞;鄭力;姚仕明;朱勇輝;汪飛
• 申請（專利權）人: 長江水利委員會長江科學院
• 主分類號: G06T17/05
• 分類號: G06T17/05;G06F17/13
• 代理公司: 武漢楚天專利事務所 42113
• 代理人: 胡盛登

本發明提供一種具有可重復性的基于河段尺度的平灘水位確定方法，包括步驟：收集整個河段的數字化實測地形資料；讀取整個河段的最低點、最高點高程，并以此為范圍，以水位為橫坐標、槽蓄量為縱坐標繪制河段槽蓄量與水位的關系曲線；利用二階導數確定曲線的拐點，該點對應的橫坐標值即為平灘水位。本發明依據平灘水位下河段槽蓄量急劇增加的基本原理，并賦予其明確的數學涵義，克服了傳統方法中通過選取典型斷面、分析幾何特征帶來的代表性不強、主觀性較大等不利因素，具有可重復性的優點，為河道平灘水位的獲取提供了一種更為精確的途徑。

技術領域

本發明涉及水利工程技術領域，特別是涉及一種具有可重復性的基于河段尺度的平灘水位確定方法。

背景技術

平灘水位是指與河道河漫灘表面高程相齊平的水位。通常情況下此水位相應水流的流速大、輸沙能力高，造床作用強，因此平灘水位對應的流量—平灘流量也被用來估算造床流量。從幾何意義上看，平灘水位通常是斷面形態發生突然擴寬的轉折點；從動力學意義上看，平灘水位是來水來沙的動力作用從塑造主槽到塑造灘地的轉折點，因而在平灘水位這一概念在河床演變學上有重要意義。

確定平灘水位目前主要有以下幾種方法：一種是野外觀測法，主要是根據斷面的地貌特征判斷，包括邊灘的尾部、岸坡坡度的突變點、根據岸邊植物的變化判斷、侵蝕的最高線、岸坡的頂部等地貌特征確定；一種是基于河床橫斷面形態，采用一定的幾何標準進行估算：如斷面寬深比極值法、采用過水面積與水面寬關系中的重要變化點，或者是由高至矮、第一個最大岸坡值對應的水位等。上述第一種方法雖然有長河段的概念，但估算主觀性較大，且在河漫灘不是很明顯的河流上應用受限。第二種方法雖然在主觀性上得到了一定改善，但受限于典型斷面的選擇；對于沿程河床形態變化較大的河段，代表斷面的位置、以及斷面的多少將直接影響平灘水位確定的精度。

發明內容

針對上述問題，本發明旨在提供一種具有可重復性的基于河段尺度的平灘水位確定方法，能夠解決現有技術主觀性較強、計算精度較低方面的問題。

本發明的技術方案：

一種具有可重復性的基于河段尺度的平灘水位確定方法，包括以下步驟：

步驟1，收集河段的數字化地形資料；

步驟2，讀取整個河段的最低點高程Z_min及最高點高程Z_max；

步驟3，以水位Z為橫坐標、槽蓄量Q為縱坐標繪制槽蓄量與水位的關系曲線；

步驟4，采用數值解法求解槽蓄量與水位關系曲線的二階導數；

步驟5，步驟4中求解得到的槽蓄量與水位關系曲線的二階導數的最大值即為平灘水位。

所述步驟3中，根據收集的數字化地形資料的類型選取不同的方法計算河段槽蓄量：若地形資料為斷面類型，則采取斷面法計算槽蓄量；若地形資料為連續的散點類型或者DEM數據類型，則采取surfer、techplot、ArcGIS三維繪圖軟件計算槽蓄量。

所述步驟3中橫坐標的范圍為河段的最低點Z_min至最高點Z_max，選定n個等距高程值Z_i(i＝1～n)，n的大小根據高程的范圍及所需精度決定，分別計算Z_i(i＝1～n)對應的槽蓄量Q_i(i＝1～n)，并繪制曲線Q＝f(Z)。

所述步驟4中求解槽蓄量Q與水位Z關系曲線二階導數的步驟如下：

(1)采用中心差分法求解曲線Q＝f(Z)的一階導數：

f′(Z_i)＝(Q_i+1-Q_i-1)/(Z_i+1-Z_i-1)(i＝2～n-1)，并繪制曲線Q′＝f′(Z)；