專利名稱：水庫下游河道最低通航水位生成方法
技術領域：
本發明涉及水利航道技術領域，尤其是一種水庫下游河道最低通航水位生成方法。
背景技術：
河道最低通航水位是航道規劃設計的基本參數，也是航道整治工程的重要指標， 最低通航水位制定的正確與否直接關系著航道的航行安全和通航效益，因此對最低通航水位生成方法的研究顯得極為重要。該水位的現有確定方法建立在河床沖淤變化不大條件下，利用河道水位資料統計方法直接推算。水庫的修建蓄水改變壩下游各河段的水沙條件， 一方面水庫對徑流的調蓄作用改變了壩下游來水的年內過程，洪季大流量減小，枯水期水庫補水使得下游河段流量增加；另一方面，水庫的攔沙作用造成清水下泄，下游河床將發生自上而下的普遍沖刷，大范圍的河床變形會造成河段水位流量關系調整，兩者的綜合作用使水庫下游河段的枯水位長時期內處于變化調整狀態，因此已有天然河流設計水位計算方法不再適用。發明內容
本發明針對上述技術狀況及局限性，提供一種水庫下游河道最低通航水位生成方法，分析水庫蓄水后壩下游河段實際水位變化及沖淤規律，參考一維數學模型，能夠更準確的預測未來某時期河段水位流量關系的調整，推求河段設計水位。
本發明的技術方案為一種水庫下游河道最低通航水位確定方法，包括以下步驟
步驟1，確定水庫下游各河段通航流量，具體步驟如下，步驟1. 1，基于水庫運行前實測水文資料，將水庫下游各河段的流量分解為水庫代表水文站點來流與區間來流，實現方式如下，
設水庫下游各河段中任一為目標河段，目標河段的流量Qm分解為水庫代表水文站點來流Qd與區間來流Qq，Qq=Qm-Qd
步驟I. 2，計算目標河段設計通航流量，實現方式如下，
根據水庫代表水文站點來流Qd進行水庫徑流調蓄計算，得到水庫運行后水庫代表水文站點的流量過程Q’ d;
根據區間來流Qq得到水庫運行后目標河段的區間流量Q’ q，
計算水庫運行后目標河段的流量Q’m = Q’ d+Q’ q，進行頻率統計分析得到目標河段設計通航流量Qs ；
步驟2，推求水庫下游各河段枯期同流量水位降幅，具體步驟如下，
步驟2. 1，基于水庫運行后實測水文資料，采用河段水位下降趨勢分析法，推求未來某時期水庫下游各河段枯期同流量水位降幅；
所述河段水位下降趨勢分析法實現方式為，點繪水庫運行后水庫下游各河段逐年枯期水位流量關系，計算河段枯期同流量水位逐年變幅，并分析水位變幅隨水庫蓄水年份3變化規律，推算未來某時期水庫下游各河段枯期同流量水位變化，得到未來某時期水庫下游各河段枯期同流量水位降幅；
步驟2. 2，基于水庫運行后實測水文資料，采用河床沖刷趨勢分析法，推求未來某時期水庫下游各河段枯期同流量水位降幅；
所述河床沖刷趨勢分析法實現方式為，點繪水庫運行后水庫下游沿程各河段枯期同流量水位累積降幅與河床上累積沖淤量的相互關系，通過分析河段的沖淤發展，由未來某時期目標河段沖淤量預測目標河段同流量水位變化，得到未來某時期水庫下游各河段枯期同流量水位降幅；
步驟2. 3，基于一維水沙模型，通過模擬水庫下游河床沖淤過程，推求未來某時期水庫下游各河段枯期同流量水位降幅；
步驟2. 4，綜合分析步驟2. 1,2. 2,2. 3，最終確定未來某時期水庫下游各河段枯期同流量水位降幅；
步驟3，基于步驟2. 4所得水庫下游各河段枯期同流量水位降幅，得出未來某時期各河段水位流量關系，結合步驟I所得水庫下游各河段通航流量，計算得出未來某時期水庫下游各河段最低通航水位。
與已有方法相比，本方法貼合水庫下游河段實際沖淤過程，通過分析河段自身水位變化規律，以及引起水位變化的原因，針對不同河段采用與之適應的方法，能更為簡單且準確的預測未來某時段河段的設計水位，而且，本方法所需資料較之已有方法更易收集，實用性更強。


圖I為本發明實施例的水庫下游河道最低通航水位生成流程示意圖2為本發明實施例的河段水位流量關系示意圖3為本發明實施例的河段枯期同流量水位累積降幅同水庫蓄水年份相關關系示意圖4為本發明實施例的河段逐年累積沖淤量與水庫蓄水年份的相關關系示意圖5為本發明實施例的相鄰河段變化相同流量時水位變幅相關關系不意圖6為本發明實施例的河段修正后逐年同流量水位累積變幅與河段累積沖淤量相關關系不意圖。
具體實施方式
本發明技術方案提供的流程可采用計算機軟件技術實現自動運行。以下結合附圖和實施例詳細說明本發明技術方案。
參見附圖1，本發明實施例是某水庫下游某河段，結合水文資料按照以下步驟推求該河段未來時期的最低通航水位
步驟I,確定水庫下游各河段通航流量,具體步驟如下，
步驟I. I，基于水庫運行前實測水文資料，將水庫下游各河段的流量分解為水庫代表水文站點來流與區間來流，其中區間來流為水庫下游各河段的流量與水庫代表水文站點來流之差。
按照規范，典型系列年的選擇應具有良好的一致性，取近期連續資料系列，且取用年限不短于20年，即取得水庫代表水文站點日均流量系列和水庫下游各河段日均流量系列。一般選擇蓄水前的長系列流量資料；如果有合適的蓄水后的長系列流量資料，則可直接根據流量系列開展頻率統計分析可得到目標河段設計通航流量Qs，代替執行步驟I. I和I.2，但對于水庫蓄水初期，蓄水后資料顯然不能滿足要求。如果在取用年限內包括選擇蓄水前后的兩種資料，則可對前后的資料分別對應處理。
水庫下游各河段即水庫的壩下游沿程各河段。實施例中，設水庫下游各河段中任一為目標河段，將目標河段的流量Qm分解為水庫代表水文站點來流Qd與區間來流Qq， Qq=Qffl-QdO因為實測資料是逐曰測得的長系列，包括取用的典型系列年中每一天的曰均流量，實際上是計算每一天的區間來流，即求取目標河段逐日流量與水庫代表水文站逐日流量之差。
步驟I. 2，水庫運行后會由于蓄水引起流量變化，因此需要考慮蓄水因素計算目標河段設計通航流量，實現方式如下
根據水庫代表水文站點來流Qd進行水庫徑流調蓄計算，即水庫運行后水庫代表水文站點的流量過程Q’ d，具體實現方式為現有技術，例如可根據水庫調度規則演算得到；
根據區間來流Qq得到水庫運行后目標河段的區間流量Q’ q，可基于分匯流及取水需求變化等因素而得到，具體實施時可根據實際情況進行流量修訂實現；
兩者之和得到水庫運行后目標河段的流量，Q’ m=Q’ d+Q’ q，根據該流量系列開展頻率統計分析可得到目標河段設計通航流量Qs。頻率統計分析可根據要求采用現有的算術平均法、頻率保證率法或者綜合歷時曲線法，本發明不予贅述。
以水庫下游各河段為目標河段，計算目標河段設計通航流量，即確定出水庫下游各河段通航流量。
步驟2，水庫下游各河段枯期同流量水位降幅的推求，具體步驟如下，
步驟2. 1，基于水庫運行后實測水文資料，采用河段水位下降趨勢分析法，推求未來某時期水庫下游各河段枯期同流量水位降幅。
水庫下游某河段的枯期同流量水位即每一年枯期同一個流量對應的該河段實際水位。
本發明提出一種河段水位下降趨勢分析法實現推求點繪水庫運行后(即蓄水后) 水庫下游各河段逐年枯期水位流量關系，計算河段枯期同流量水位逐年變幅，并分析水位變幅隨水庫蓄水年份變化規律，推算未來某時期水庫下游各河段枯期同流量水位變化，得到未來某時期水庫下游各河段枯期同流量水位降幅。
實施例采用河段水位下降趨勢分析法，點繪水庫蓄水后η年目標河段實測水位流量關系，如附圖2，其中橫坐標為流量Q，縱坐標為水位Ζ。由水位流量關系計算某目標河段S及下游相鄰河段X枯期同流量水位逐年相比蓄水前累積變幅ΔΖ; ,ΔΖ；，(i為蓄水年份， i=l，2，…n，下同)，這里需要注意的是，枯期同流量的選擇一般應在河段的通航流量附近， 點繪累積變幅與蓄水年份相關關系，如附圖3，其中橫坐標為蓄水年份1、2、3…n，縱坐標為水位累積變幅ΛΖ。由擬合關系推求未來某時期目標河段及下游河段同流量水位累積變幅 AZsl, AZxlo具體實施，基于水庫運行后實測水文資料一般取不低于5個蓄水年份的日均流量，即η的建議取值為大于5的自然數。5
步驟2. 2，基于水庫運行后實測水文資料，采用河床沖刷趨勢分析法，推求未來某時期水庫下游各河段枯期同流量水位降幅。
本發明還提出一種河床沖刷趨勢分析法實現推求點繪水庫運行后水庫下游沿程各河段枯期同流量水位累積降幅與河床上累積沖淤量的相互關系，通過分析河段的沖淤發展，由未來某時期(目標時期)目標河段沖淤量預測目標河段同流量水位變化。
河床沖刷趨勢分析法原理說明如下，
水庫下游任一河段未來某時期的沖淤量可以通過點繪河段沖淤量與蓄水年份的相關關系，推知目標時期河段的沖淤量。
河段同流量水位降幅一般由河床沖刷以及下游河段水位下降兩種因素引起，因此，若要通過分析河床沖淤量與河段同流量水位降幅相關關系來預測目標河段水位降幅， 就必須將同流量水位降幅中的下游水位下降因素消除，用修正后的河段同流量水位降幅與河段沖淤量相關，得出的結果才是合理的。對于下游水位下降因素的消除，主要是利用同年同時段內相鄰兩個河段水位的增減是上下游傳遞的結果，與沖淤量無關的原理，通過擬合兩站同時段水位下降相關關系，得到下游水位下降對上游的影響量。
通過上述河段同流量水位降幅與沖淤量擬合關系，由未來某時期河段沖淤量推求該時期河段同流量水位降幅，最后，加上目標時期下游河段水位降幅，即為該時期河段同流量水位總降幅。
實施例由于利用河床沖淤趨勢分析法推求目標河段同流量累積變幅時，需要考慮下游水位變化的影響，因此實際推算過程中需要自下游至上游依次推求各河段累積變幅， 直至目標河段；水庫蓄水后，河床沖刷自上而下發展，因此距離水庫較近河段沖刷劇烈，同流量水位降幅明顯，而較遠的河段受水庫影響較小，枯期同流量水位變幅不大。為簡要說明河床沖淤趨勢分析法的具體步驟，假設某目標河段S的下游河段X枯期同流量水位變幅較小，且與河段沖淤量關系不大，則其未來某時期同流量水位累計變幅應以步驟2. I中河段水位下降趨勢分析法所得AZxl為準。而某目標河段S同流量水位變幅較大，且由于蓄水后沖刷發展至該段，因此同流量水位降幅與河段沖淤量關系較好，應采用步驟2. 2的河床沖刷趨勢分析法。若實際情況中目標河段S下游相鄰河段X水位變幅也較大，且與河段沖淤量關系較好，則可利用相同步驟(步驟2. 2)向下延伸，直至同流量水位變幅較小的河段。
實施例的河床沖刷趨勢分析法包括以下具體步驟
首先，點繪目標河段逐年的累積沖淤量與蓄水年份的相關關系，如附圖4，其中橫坐標為蓄水年份1、2、3…n，縱坐標為河段累積沖淤量。從而預測未來某時期目標河段累積沖淤量W，
然后，分析同年同時段內目標河段S及相鄰下游河段X在通航流量Qs附近變動相同流量時兩段的水位變幅I、AZxx，分別以兩站變幅為縱坐標和橫坐標，點繪多年情況下兩者擬合關系AZss = hAZxx，如附圖5，縱坐標為目標河段S水位降幅AZss，橫坐標為相鄰下游河段X水位降幅AZxxtl所得比例h即為相鄰下游河段站點水位變化對上游目標河段站點的影響，
按照上述比例關系，將目標河段S逐年同流量水位變化中的下游河段水位影響量減去風 - hhZ'x，再將所得修正后目標河段水位累積變幅ΔΖ!'—與目標河段累積沖淤量擬合，如附圖6，橫坐標為目標河段累計沖淤量，縱坐標為修正后目標河段水位累積變幅ΔΖ ’。則由未來某時期目標河段累計沖淤量W，可推求該時期枯期同流量水位累計變幅A Zs2。
最后，由于目標河段枯期同流量水位變幅由河段河床沖淤及下游河床變化兩方面引起，因此最終結果應加上相鄰下游河段未來相應時期同流量水位累積降幅，AZs2'= AZS2+AZX1。
步驟2. 3，基于一維水沙模型，通過模擬水庫下游河床沖淤過程，推求未來某時期水庫下游各河段枯期同流量水位降幅。設實施例基于一維水沙模型推求未來某時期目標河段S枯期同流量水位降幅azs3。一維水沙模型為現有技術，本發明不予贅述。
步驟2. 4，綜合分析步驟2. 1，步驟2. 2，步驟2. 3中所得結果，最終給出未來某時期水庫下游各河段枯期同流量水位降幅。分析方法如下，
對于水位變幅與沖淤量關系不明顯的河段，如目標河段S相鄰下游河段X，以考慮單站同流量水位變化規律的步驟2. I中河段水位下降趨勢分析法所得結果為準，即取未來某時期枯期同流量水位累計降幅為ΛΖχ1。
對于水位變幅與沖淤量關系較明顯的河段如目標河段S，以研究河段單站同流量水位變化誘因、綜合考慮河段沖淤及下游水位影響的步驟2. 2中河床沖刷趨勢分析法所得結果為準，即取目標河段未來同時期枯期同流量水位累積降幅為AZs2'。
步驟2. 3中數學模型方法推求未來某時期目標河段枯期同流量水位降幅△ Zs3，作為定性分析參考，判斷所得結果定性上是否合理，最終結果以步驟2. 1、2.2為準。一般步驟2.3中數學模型方法計算結果在定性上是與步驟2. I或2. 2所得結果應當是相同的，如果出現步驟2. 1、2. 2的定性結果與數模結果不同，需要重新檢查資料，或者數據的正確性，重新計算。
本領域技術人員可以根據實測數據及目標河段所處地形、河床條件，自行判斷該河段未來某時期同流量水位累積降幅的推求應采取上述相應方法?；蛘卟捎糜嬎銠C進行自動判斷。判斷時還可以根據推求結果所得同流量水位降幅與相應橫坐標的擬合關系，取擬合精度高的結果。
步驟3，基于步驟2. 4所得水庫下游各河段枯期同流量水位降幅，得出未來某時期各河段水位流量關系，結合步驟I所得水庫下游各河段通航流量，計算得出未來某時期水庫下游各河段最低通航水位。
設經過步驟2. 4判斷，實施例對于目標河段S，由步驟2. 2中的河床沖刷趨勢分析法得出的結果是最準確的，結論為目標河段枯期同流量水位累計降幅是AZs2'。實施例基于步驟2所得目標河段枯期同流量水位累積降幅AZs2'，得出未來某時期各河段水位流量關系，結合步驟I所得目標河段通航流量Qs，設目標河段通航流量Qs對應的水位為Z，計算得出未來某時期水庫下游目標河段最低通航水位Zs=Z-AZs2'。
本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發明的精神或者超過所附權利要求書所定義的范圍。
權利要求
1.一種水庫下游河道最低通航水位生成方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1，確定水庫下游各河段通航流量，具體步驟如下，步驟I. 1，基于水庫運行前實測水文資料，將水庫下游各河段的流量分解為水庫代表水文站點來流與區間來流，實現方式如下，設水庫下游各河段中任一為目標河段，目標河段的流量Qm分解為水庫代表水文站點來流Qd與區間來流Q<j，Qq=Qm-Qd步驟I. 2，計算目標河段設計通航流量，實現方式如下，根據水庫代表水文站點來流Qd進行水庫徑流調蓄計算，得到水庫運行后水庫代表水文站點的流量過程Q’ d;根據區間來流Qq得到水庫運行后目標河段的區間流量Q’ q，計算水庫運行后目標河段的流量Q’ m = Q’ d+Q’ q，進行頻率統計分析得到目標河段設計通航流量Qs ；步驟2，推求水庫下游各河段枯期同流量水位降幅，具體步驟如下，步驟2. 1，基于水庫運行后實測水文資料，采用河段水位下降趨勢分析法，推求未來某時期水庫下游各河段枯期同流量水位降幅；所述河段水位下降趨勢分析法實現方式為，點繪水庫運行后水庫下游各河段逐年枯期水位流量關系，計算河段枯期同流量水位逐年變幅，并分析水位變幅隨水庫蓄水年份變化規律，推算未來某時期水庫下游各河段枯期同流量水位變化，得到未來某時期水庫下游各河段枯期同流量水位降幅；步驟2. 2，基于水庫運行后實測水文資料，采用河床沖刷趨勢分析法，推求未來某時期水庫下游各河段枯期同流量水位降幅；所述河床沖刷趨勢分析法實現方式為，點繪水庫運行后水庫下游沿程各河段枯期同流量水位累積降幅與河床上累積沖淤量的相互關系，通過分析河段的沖淤發展，由未來某時期目標河段沖淤量預測目標河段同流量水位變化，得到未來某時期水庫下游各河段枯期同流量水位降幅；步驟2. 3，基于一維水沙模型，通過模擬水庫下游河床沖淤過程，推求未來某時期水庫下游各河段枯期同流量水位降幅；步驟2. 4，綜合分析步驟2. 1,2. 2,2. 3，最終確定未來某時期水庫下游各河段枯期同流量水位降幅；步驟3，基于步驟2. 4所得水庫下游各河段枯期同流量水位降幅，得出未來某時期各河段水位流量關系，結合步驟I所得水庫下游各河段通航流量，計算得出未來某時期水庫下游各河段最低通航水位。
全文摘要
本發明提出一種水庫下游河道最低通航水位生成方法，包括水庫下游河段設計通航流量確定步驟，河段枯期同流量水位降幅預測步驟，河段最低通航水位計算步驟。與已有方法相比，本方法貼合水庫下游河段實際沖淤過程，通過分析河段自身水位變化規律，以及引起水位變化的原因，針對不同河段采用與之適應的方法，能更為簡單且準確的預測未來某時段河段的設計水位，而且，本方法所需資料較之已有方法更易收集，實用性更強。
文檔編號E02B1/02GK102912760SQ20121043990
公開日2013年2月6日 申請日期2012年11月7日 優先權日2012年11月7日
發明者李義天, 王冬 申請人:武漢大學