一种冲积河流深泓横向迁移预测模型的构建方法
阅读说明：本技术 一种冲积河流深泓横向迁移预测模型的构建方法 (Construction method of alluvial river deep body lateral migration prediction model ) 是由 李洁 褚明浩 于 2021-08-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种冲积河流深泓横向迁移预测模型的构建方法,包括：收集地形资料以及河段水文资料；利用河段平均策略,计算整个河段的深泓横向迁移距离和平滩河宽的平均值；利用平均值构建无量纲化参数,并将无量纲化参数作为冲积河流深泓横向迁移率；分析深泓横向迁移率、上游来水来沙条件以及下游侵蚀基准面变化值的相关关系,构建冲积河流深泓横向迁移的预测模型。本发明构建了河段深泓横向迁移率来表征冲积河流深泓横向迁移的幅度,可更好地反映整个河段的深泓横向迁移特点,弥补采用河势图粗略确定深泓横向迁移幅度的缺陷；预测模型可较好地预测冲积河流深泓横向迁移的调整趋势,对认识冲积河流河床演变规律和河道整治规划具有指导意义。(The invention discloses a construction method of a alluvial river deep body lateral migration prediction model, which comprises the following steps: collecting topographic data and river hydrological data; calculating the average value of the transverse migration distance of the deep body and the beach river width of the whole river reach by utilizing a river reach average strategy; constructing a dimensionless parameter by using the average value, and taking the dimensionless parameter as the transverse migration rate of the alluvial river deep body; analyzing the correlation among the lateral migration rate of the deep body, the upstream incoming water and sand conditions and the downstream erosion datum plane change value, and constructing a prediction model of the lateral migration of the alluvial river deep body. The invention constructs the lateral migration rate of the river segment deep body to represent the lateral migration amplitude of the alluvial river segment, can better reflect the lateral migration characteristics of the whole river segment deep body, and makes up the defect of roughly determining the lateral migration amplitude of the deep body by adopting a river situation diagram; the prediction model can better predict the adjustment trend of alluvial river deep body lateral migration, and has guiding significance for understanding the alluvial river bed evolution law and river regulation planning.)
技术领域
本发明涉及水利水电工程技术领域，尤其涉及一种冲积河流深泓横向迁移预测模型的构建方法。
背景技术
深泓是指冲积河流主槽区域内河床最低点的连线，其在河床上的横向摆动称为深泓横向迁移。深泓横向迁移是冲积河流横向变形的重要组成部分，其影响因素众多，因而冲积河流深泓横向迁移的预测十分困难。因此研究冲积河流深泓横向迁移预测模型对认识冲积河流河床演变规律和河道整治规划具有重要意义。
国内外关于冲积河流深泓横向迁移预测模型的研究，其研究方法主要可以分为两大类：第一类是以水沙动力学为基础的数值模拟，第二类以实测资料为基础的统计模型；以水沙动力学为基础的数值模拟主要通过将水-沙-河床运动的物理过程进行简化，通过二维水沙数学模型来模拟深泓的横向迁移过程。这种方法通常需要详细的河段河岸和河床土体特性资料，模型中参数取值尚未有统一的标准，且不适用于长时间段长河段的深泓横向迁移预测；以实测资料为基础的统计模型是河床演变分析中常用的方法，采用该方法来预测冲积河流深泓横向迁移相对较少，已有研究主要通过对比不同时间河段河势图来大致确定深泓横向迁移的幅度，且深泓横向迁移的预测方法未能充分考虑上游水沙及下游侵蚀基准面的协同影响。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明解决的技术问题是：以实测资料为基础的统计模型主要通过对比不同时间河段河势图无法确定冲积河流深泓横向迁移的距离，且其预测方法未能充分考虑上游水沙及下游侵蚀基准面的协同影响的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：收集地形资料以及河段水文资料；根据所述地形资料提取各淤积断面深泓横向迁移距离及平滩河宽，并利用河段平均策略，计算整个河段的深泓横向迁移距离和平滩河宽的平均值；利用所述平均值构建无量纲化参数，并将所述无量纲化参数作为冲积河流深泓横向迁移率；分析所述深泓横向迁移率、上游来水来沙条件以及下游侵蚀基准面变化值的相关关系，构建冲积河流深泓横向迁移的预测模型。
作为本发明所述的冲积河流深泓横向迁移预测模型的构建方法的一种优选方案，其中：所述地形资料包括河段各淤积断面的汛后实测地形资料，所述水位资料包括上游水文站日均含沙量和下游水文站水位。
作为本发明所述的冲积河流深泓横向迁移预测模型的构建方法的一种优选方案，其中：所述河段平均平滩河宽包括，
其中，L表示河段的总长度，K表示河段内实测断面数目，Δxj表示相邻两断面(j，j+1)的间距，表示河段平均平滩河宽，Bj、Bj+1分别表示第j、j+1断面的平滩河宽。
作为本发明所述的冲积河流深泓横向迁移预测模型的构建方法的一种优选方案，其中：所述河段平均深泓横向迁移距离包括，
其中，表示河段平均深泓横向迁移距离，ΔDj、ΔDj+1表示第j、j+1断面的深泓横向迁移距离。
作为本发明所述的冲积河流深泓横向迁移预测模型的构建方法的一种优选方案，其中：基于所述河段平均深泓横向迁移距离、当前年河段平均平滩河宽以及上一年河段平均平滩河宽，求所述河段深泓横向迁移率包括，
其中，分别表示当前年及上一年的河段平均平滩河宽，η表示河段深泓横向迁移率。
作为本发明所述的冲积河流深泓横向迁移预测模型的构建方法的一种优选方案，其中：所述构建冲积河流深泓横向迁移的预测模型包括，
根据所述上游水文站日均含沙量，计算水文站前4年平均含沙量
根据所述河段下游水文站的水位资料，计算下游侵蚀基准面年均变化值ΔZt；
分析所述前4年平均含沙量和下游侵蚀基准面年均变化值ΔZt的相关关系，建立冲积河流深泓横向迁移预测模型；
采用河段上下游水文站的水文数据及所述淤积观测断面的汛后实测地形数据，率定冲积河流深泓横向迁移预测模型的相关参数。
作为本发明所述的冲积河流深泓横向迁移预测模型的构建方法的一种优选方案，其中：基于所述前4年平均含沙量和所述下游侵蚀基准面年均变化值，获取冲积河流深泓横向迁移预测模型包括，
其中，k表示系数，α、β表示指数，η表示所述预测模型的河段深泓横向迁移率，表示前4年平均含沙量，ΔZt表示下游侵蚀基准面年均变化值。
作为本发明所述的冲积河流深泓横向迁移预测模型的构建方法的一种优选方案，其中：根据所述上游水文站含沙量数据、下游水文站水位数据以及由汛后实测地形资料得到的深泓迁移率数据，采用多元线性回归分析策略，对所述预测模型中的k、α及β参数进行率定和验证。
本发明的有益效果：本发明基于实测地形资料精确计算各淤积断面深泓逐年横向迁移距离，并采用河段平均的策略，构建了河段深泓横向迁移率来表征冲积河流深泓横向迁移的幅度，可更好地反映整个河段的深泓横向迁移特点，弥补了以往采用河势图粗略确定深泓横向迁移幅度的缺陷；考虑了上游水沙条件及下游侵蚀基准面的协同影响，所建立的预测模型可较好地预测冲积河流深泓横向迁移的调整趋势，对认识冲积河流河床演变规律和河道整治规划具有指导意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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它的附图。其中：
图1为本发明一个实施例提供的一种冲积河流深泓横向迁移预测模型的构建方法的基本流程图；
图2为本发明一个实施例提供的一种冲积河流深泓横向迁移预测模型的构建方法的断面深泓横向迁移距离和平滩宽度曲线图；
图3为本发明一个实施例提供的一种冲积河流深泓横向迁移预测模型的构建方法的黄河小北干流河段上游水文站(龙门)含沙量变化图；
图4为本发明一个实施例提供的一种冲积河流深泓横向迁移预测模型的构建方法的黄河小北干流河段下游侵蚀基准面(潼关高程)变化图；
图5为本发明一个实施例提供的一种冲积河流深泓横向迁移预测模型的构建方法的小北干流河段深泓横向迁移率与龙门前4年平均含沙量及潼关高程变化值的相关关系图；
图6为本发明一个实施例提供的一种冲积河流深泓横向迁移预测模型的构建方法的小北干流河段深泓横向迁移率的模型计算值与实测值的对比图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
参照图1～4，为本发明的一个实施例，提供了一种冲积河流深泓横向迁移预测模型的构建方法，包括：
S1：收集地形资料以及河段水文资料。需要说明的是：
地形资料包括河段各淤积断面的汛后实测地形资料，水位资料包括上游水文站日均含沙量和下游水文站水位；本实施例中，以黄河小北干流为研究河段，收集其持续淤积期(1986-2001年)内25个淤积观测断面的汛后实测地形资料，以及龙门水文站的日均含沙量和潼关水文站在流量为1000m3/s时的水位(潼关高程)，为本实施例中的下游侵蚀基准面。
S2：根据地形资料提取各淤积断面深泓横向迁移距离及平滩河宽，并利用河段平均策略，计算整个河段的深泓横向迁移距离和平滩河宽的平均值。需要说明的是：
本实施例中，如图2所示根据上述方法分别确定黄河小北干流河段25个淤积观测断面的深泓横向迁移距离及平滩河宽。1986-1987年花园口断面深泓横向迁移距离为241m，平滩河宽由1986年的1265m增加到1987年的1378m。
求黄河小北干流河段25个淤积断面的平均平滩河宽包括，
其中，L表示河段的总长度，K表示河段内实测断面数目，Δxj表示相邻两断面(j，j+1)的间距，表示河段平均平滩河宽，单位：m，Bj、Bj+1分别表示第j、j+1断面的平滩河宽，单位：m。
黄河小北干流河段25个淤积断面的河段平均深泓横向迁移距离包括，
其中，表示河段平均深泓横向迁移距离，单位：m，ΔDj、ΔDj+1表示第j、j+1断面的深泓横向迁移距离，单位：m。
S3：利用平均值构建无量纲化参数，并将无量纲化参数作为冲积河流深泓横向迁移率来反映河段深泓横向迁移的变化特点。需要说明的是：
基于河段平均深泓横向迁移距离、当前年河段平均平滩河宽以及上一年河段平均平滩河宽，求河段深泓横向迁移率包括，
其中，分别表示当前年及上一年的河段平均平滩河宽，单位：m，η表示河段深泓横向迁移率。
S4：分析深泓横向迁移率、龙门4年平均含沙量及潼关高程侵蚀基准面变化值的相关关系，构建冲积河流深泓横向迁移的预测模型。需要说明的是：
构建冲积河流深泓横向迁移的预测模型包括，
(1)根据上游水文站日均含沙量，计算龙门前4年平均含沙量
(2)根据河段下游水文站的水位资料，计算潼关高程侵蚀基准面年均变化值ΔZt；
(3)分析深泓横向迁移率对龙门前4年平均含沙量和潼关高程侵蚀基准面年均变化值ΔZt的相关关系，建立水沙及侵蚀基准面协同影响下冲积河流深泓横向迁移预测模型。需要说明的是：
以龙门前4年平均含沙量及潼关高程侵蚀基准面年均变化值为自变量，以小北干流河段深泓横向迁移率为因变量，构建水沙及侵蚀基准面协同影响下冲积河流深泓横向迁移预测模型包括，
其中，k表示系数，α、β表示指数，η表示预测模型的河段深泓横向迁移率，表示前4年平均含沙量，ΔZt表示下游侵蚀基准面年均变化值；
(4)采用河段上下游水文站的水文数据及淤积观测断面的汛后实测地形数据，率定冲积河流深泓横向迁移预测模型的相关参数。需要说明的是：
根据上游水文站含沙量数据、下游水文站水位数据以及由汛后实测地形资料得到的深泓迁移率数据，率定水沙及侵蚀基准面协同影响下冲积河流深泓横向迁移预测模型的参数；根据1986-2001年龙门含沙量数据、潼关高程侵蚀基准面年均变化数据及由实测地形资料得到的深泓横向迁移率数据，采用多元线性回归分析策略，对预测模型中的k、α及β参数进行率定和验证。
本发明基于实测地形资料精确计算各淤积断面深泓逐年横向迁移距离，并采用河段平均的策略，构建了河段深泓横向迁移率来表征冲积河流深泓横向迁移的幅度，可更好地反映整个河段的深泓横向迁移特点，弥补了以往采用河势图粗略确定深泓横向迁移幅度的缺陷；考虑了上游水沙条件及下游侵蚀基准面的协同影响，所建立的预测模型可较好地预测冲积河流深泓横向迁移的调整趋势，对认识冲积河流河床演变规律和河道整治规划具有指导意义。
实施例2
参照图5～6为本发明的第二个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是，提供了一种冲积河流深泓横向迁移预测模型的构建方法的验证测试，为对本方法中采用的技术效果加以验证说明，基于1986-1998年黄河小北干流河段龙门站含沙量数据、潼关高程变化值数据及由实测地形资料得到的深泓横向迁移率数据，对模型中的参数k、α及β进行率定，采用1999-2001年的数据对模型进行验证。
该模型率定及验证结果表明：图5给出了小北干流河段深泓横向迁移率与前期4年平均含沙量及潼关高程变化值的相关系数达到了0.65，故所构模型可较好地预测冲积河流深泓横向迁移的调整趋势。
表1：1987～2001年小北干流河段深泓横向迁移率实测值和计算值数据对比表。
年份
实测值
计算值
年份
实测值
计算值
1987
0.126
0.115
1995
0.221
0.298
1988
0.169
0.182
1996
0.300
0.274
1989
0.290
0.254
1997
0.168
0.154
1990
0.284
0.255
1998
0.220
0.212
1991
0.411
0.319
1999
0.216
0.169
1992
0.343
0.346
2000
0.146
0.195
1993
0.230
0.300
2001
0.227
0.230
1994
0.171
0.231
为了对经验公式进行验证，表1给出了自1987～2001年小北干流河段深泓横向迁移率实测值和计算值数据对比，从图6中可以看出，深泓横向迁移率的计算值与实测值的变化趋势基本一致。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。