专利名称：水库下游河道最低通航水位生成方法
技术领域：
本发明涉及水利航道技术领域，尤其是一种水库下游河道最低通航水位生成方法。
背景技术：
河道最低通航水位是航道规划设计的基本参数，也是航道整治工程的重要指标， 最低通航水位制定的正确与否直接关系着航道的航行安全和通航效益，因此对最低通航水位生成方法的研究显得极为重要。该水位的现有确定方法建立在河床冲淤变化不大条件下，利用河道水位资料统计方法直接推算。水库的修建蓄水改变坝下游各河段的水沙条件， 一方面水库对径流的调蓄作用改变了坝下游来水的年内过程，洪季大流量减小，枯水期水库补水使得下游河段流量增加；另一方面，水库的拦沙作用造成清水下泄，下游河床将发生自上而下的普遍冲刷，大范围的河床变形会造成河段水位流量关系调整，两者的综合作用使水库下游河段的枯水位长时期内处于变化调整状态，因此已有天然河流设计水位计算方法不再适用。发明内容
本发明针对上述技术状况及局限性，提供一种水库下游河道最低通航水位生成方法，分析水库蓄水后坝下游河段实际水位变化及冲淤规律，参考一维数学模型，能够更准确的预测未来某时期河段水位流量关系的调整，推求河段设计水位。
本发明的技术方案为一种水库下游河道最低通航水位确定方法，包括以下步骤
步骤1，确定水库下游各河段通航流量，具体步骤如下，步骤1. 1，基于水库运行前实测水文资料，将水库下游各河段的流量分解为水库代表水文站点来流与区间来流，实现方式如下，
设水库下游各河段中任一为目标河段，目标河段的流量Qm分解为水库代表水文站点来流Qd与区间来流Qq，Qq=Qm-Qd
步骤I. 2，计算目标河段设计通航流量，实现方式如下，
根据水库代表水文站点来流Qd进行水库径流调蓄计算，得到水库运行后水库代表水文站点的流量过程Q’ d;
根据区间来流Qq得到水库运行后目标河段的区间流量Q’ q，
计算水库运行后目标河段的流量Q’m = Q’ d+Q’ q，进行频率统计分析得到目标河段设计通航流量Qs ；
步骤2，推求水库下游各河段枯期同流量水位降幅，具体步骤如下，
步骤2. 1，基于水库运行后实测水文资料，采用河段水位下降趋势分析法，推求未来某时期水库下游各河段枯期同流量水位降幅；
所述河段水位下降趋势分析法实现方式为，点绘水库运行后水库下游各河段逐年枯期水位流量关系，计算河段枯期同流量水位逐年变幅，并分析水位变幅随水库蓄水年份3变化规律，推算未来某时期水库下游各河段枯期同流量水位变化，得到未来某时期水库下游各河段枯期同流量水位降幅；
步骤2. 2，基于水库运行后实测水文资料，采用河床冲刷趋势分析法，推求未来某时期水库下游各河段枯期同流量水位降幅；
所述河床冲刷趋势分析法实现方式为，点绘水库运行后水库下游沿程各河段枯期同流量水位累积降幅与河床上累积冲淤量的相互关系，通过分析河段的冲淤发展，由未来某时期目标河段冲淤量预测目标河段同流量水位变化，得到未来某时期水库下游各河段枯期同流量水位降幅；
步骤2. 3，基于一维水沙模型，通过模拟水库下游河床冲淤过程，推求未来某时期水库下游各河段枯期同流量水位降幅；
步骤2. 4，综合分析步骤2. 1,2. 2,2. 3，最终确定未来某时期水库下游各河段枯期同流量水位降幅；
步骤3，基于步骤2. 4所得水库下游各河段枯期同流量水位降幅，得出未来某时期各河段水位流量关系，结合步骤I所得水库下游各河段通航流量，计算得出未来某时期水库下游各河段最低通航水位。
与已有方法相比，本方法贴合水库下游河段实际冲淤过程，通过分析河段自身水位变化规律，以及引起水位变化的原因，针对不同河段采用与之适应的方法，能更为简单且准确的预测未来某时段河段的设计水位，而且，本方法所需资料较之已有方法更易收集，实用性更强。
图I为本发明实施例的水库下游河道最低通航水位生成流程示意图2为本发明实施例的河段水位流量关系示意图3为本发明实施例的河段枯期同流量水位累积降幅同水库蓄水年份相关关系示意图4为本发明实施例的河段逐年累积冲淤量与水库蓄水年份的相关关系示意图5为本发明实施例的相邻河段变化相同流量时水位变幅相关关系不意图6为本发明实施例的河段修正后逐年同流量水位累积变幅与河段累积冲淤量相关关系不意图。
具体实施方式
本发明技术方案提供的流程可采用计算机软件技术实现自动运行。以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。
参见附图1，本发明实施例是某水库下游某河段，结合水文资料按照以下步骤推求该河段未来时期的最低通航水位
步骤I,确定水库下游各河段通航流量,具体步骤如下，
步骤I. I，基于水库运行前实测水文资料，将水库下游各河段的流量分解为水库代表水文站点来流与区间来流，其中区间来流为水库下游各河段的流量与水库代表水文站点来流之差。
按照规范，典型系列年的选择应具有良好的一致性，取近期连续资料系列，且取用年限不短于20年，即取得水库代表水文站点日均流量系列和水库下游各河段日均流量系列。一般选择蓄水前的长系列流量资料；如果有合适的蓄水后的长系列流量资料，则可直接根据流量系列开展频率统计分析可得到目标河段设计通航流量Qs，代替执行步骤I. I和I.2，但对于水库蓄水初期，蓄水后资料显然不能满足要求。如果在取用年限内包括选择蓄水前后的两种资料，则可对前后的资料分别对应处理。
水库下游各河段即水库的坝下游沿程各河段。实施例中，设水库下游各河段中任一为目标河段，将目标河段的流量Qm分解为水库代表水文站点来流Qd与区间来流Qq， Qq=Qffl-QdO因为实测资料是逐曰测得的长系列，包括取用的典型系列年中每一天的曰均流量，实际上是计算每一天的区间来流，即求取目标河段逐日流量与水库代表水文站逐日流量之差。
步骤I. 2，水库运行后会由于蓄水引起流量变化，因此需要考虑蓄水因素计算目标河段设计通航流量，实现方式如下
根据水库代表水文站点来流Qd进行水库径流调蓄计算，即水库运行后水库代表水文站点的流量过程Q’ d，具体实现方式为现有技术，例如可根据水库调度规则演算得到；
根据区间来流Qq得到水库运行后目标河段的区间流量Q’ q，可基于分汇流及取水需求变化等因素而得到，具体实施时可根据实际情况进行流量修订实现；
两者之和得到水库运行后目标河段的流量，Q’ m=Q’ d+Q’ q，根据该流量系列开展频率统计分析可得到目标河段设计通航流量Qs。频率统计分析可根据要求采用现有的算术平均法、频率保证率法或者综合历时曲线法，本发明不予赘述。
以水库下游各河段为目标河段，计算目标河段设计通航流量，即确定出水库下游各河段通航流量。
步骤2，水库下游各河段枯期同流量水位降幅的推求，具体步骤如下，
步骤2. 1，基于水库运行后实测水文资料，采用河段水位下降趋势分析法，推求未来某时期水库下游各河段枯期同流量水位降幅。
水库下游某河段的枯期同流量水位即每一年枯期同一个流量对应的该河段实际水位。
本发明提出一种河段水位下降趋势分析法实现推求点绘水库运行后(即蓄水后) 水库下游各河段逐年枯期水位流量关系，计算河段枯期同流量水位逐年变幅，并分析水位变幅随水库蓄水年份变化规律，推算未来某时期水库下游各河段枯期同流量水位变化，得到未来某时期水库下游各河段枯期同流量水位降幅。
实施例采用河段水位下降趋势分析法，点绘水库蓄水后η年目标河段实测水位流量关系，如附图2，其中横坐标为流量Q，纵坐标为水位Ζ。由水位流量关系计算某目标河段S及下游相邻河段X枯期同流量水位逐年相比蓄水前累积变幅ΔΖ; ,ΔΖ；，(i为蓄水年份， i=l，2，…n，下同)，这里需要注意的是，枯期同流量的选择一般应在河段的通航流量附近， 点绘累积变幅与蓄水年份相关关系，如附图3，其中横坐标为蓄水年份1、2、3…n，纵坐标为水位累积变幅ΛΖ。由拟合关系推求未来某时期目标河段及下游河段同流量水位累积变幅 AZsl, AZxlo具体实施，基于水库运行后实测水文资料一般取不低于5个蓄水年份的日均流量，即η的建议取值为大于5的自然数。5
步骤2. 2，基于水库运行后实测水文资料，采用河床冲刷趋势分析法，推求未来某时期水库下游各河段枯期同流量水位降幅。
本发明还提出一种河床冲刷趋势分析法实现推求点绘水库运行后水库下游沿程各河段枯期同流量水位累积降幅与河床上累积冲淤量的相互关系，通过分析河段的冲淤发展，由未来某时期(目标时期)目标河段冲淤量预测目标河段同流量水位变化。
河床冲刷趋势分析法原理说明如下，
水库下游任一河段未来某时期的冲淤量可以通过点绘河段冲淤量与蓄水年份的相关关系，推知目标时期河段的冲淤量。
河段同流量水位降幅一般由河床冲刷以及下游河段水位下降两种因素引起，因此，若要通过分析河床冲淤量与河段同流量水位降幅相关关系来预测目标河段水位降幅， 就必须将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与河段冲淤量相关，得出的结果才是合理的。对于下游水位下降因素的消除，主要是利用同年同时段内相邻两个河段水位的增减是上下游传递的结果，与冲淤量无关的原理，通过拟合两站同时段水位下降相关关系，得到下游水位下降对上游的影响量。
通过上述河段同流量水位降幅与冲淤量拟合关系，由未来某时期河段冲淤量推求该时期河段同流量水位降幅，最后，加上目标时期下游河段水位降幅，即为该时期河段同流量水位总降幅。
实施例由于利用河床冲淤趋势分析法推求目标河段同流量累积变幅时，需要考虑下游水位变化的影响，因此实际推算过程中需要自下游至上游依次推求各河段累积变幅， 直至目标河段；水库蓄水后，河床冲刷自上而下发展，因此距离水库较近河段冲刷剧烈，同流量水位降幅明显，而较远的河段受水库影响较小，枯期同流量水位变幅不大。为简要说明河床冲淤趋势分析法的具体步骤，假设某目标河段S的下游河段X枯期同流量水位变幅较小，且与河段冲淤量关系不大，则其未来某时期同流量水位累计变幅应以步骤2. I中河段水位下降趋势分析法所得AZxl为准。而某目标河段S同流量水位变幅较大，且由于蓄水后冲刷发展至该段，因此同流量水位降幅与河段冲淤量关系较好，应采用步骤2. 2的河床冲刷趋势分析法。若实际情况中目标河段S下游相邻河段X水位变幅也较大，且与河段冲淤量关系较好，则可利用相同步骤(步骤2. 2)向下延伸，直至同流量水位变幅较小的河段。
实施例的河床冲刷趋势分析法包括以下具体步骤
首先，点绘目标河段逐年的累积冲淤量与蓄水年份的相关关系，如附图4，其中横坐标为蓄水年份1、2、3…n，纵坐标为河段累积冲淤量。从而预测未来某时期目标河段累积冲淤量W，
然后，分析同年同时段内目标河段S及相邻下游河段X在通航流量Qs附近变动相同流量时两段的水位变幅I、AZxx，分别以两站变幅为纵坐标和横坐标，点绘多年情况下两者拟合关系AZss = hAZxx，如附图5，纵坐标为目标河段S水位降幅AZss，横坐标为相邻下游河段X水位降幅AZxxtl所得比例h即为相邻下游河段站点水位变化对上游目标河段站点的影响，
按照上述比例关系，将目标河段S逐年同流量水位变化中的下游河段水位影响量减去风 - hhZ'x，再将所得修正后目标河段水位累积变幅ΔΖ!'—与目标河段累积冲淤量拟合，如附图6，横坐标为目标河段累计冲淤量，纵坐标为修正后目标河段水位累积变幅ΔΖ ’。则由未来某时期目标河段累计冲淤量W，可推求该时期枯期同流量水位累计变幅A Zs2。
最后，由于目标河段枯期同流量水位变幅由河段河床冲淤及下游河床变化两方面引起，因此最终结果应加上相邻下游河段未来相应时期同流量水位累积降幅，AZs2'= AZS2+AZX1。
步骤2. 3，基于一维水沙模型，通过模拟水库下游河床冲淤过程，推求未来某时期水库下游各河段枯期同流量水位降幅。设实施例基于一维水沙模型推求未来某时期目标河段S枯期同流量水位降幅azs3。一维水沙模型为现有技术，本发明不予赘述。
步骤2. 4，综合分析步骤2. 1，步骤2. 2，步骤2. 3中所得结果，最终给出未来某时期水库下游各河段枯期同流量水位降幅。分析方法如下，
对于水位变幅与冲淤量关系不明显的河段，如目标河段S相邻下游河段X，以考虑单站同流量水位变化规律的步骤2. I中河段水位下降趋势分析法所得结果为准，即取未来某时期枯期同流量水位累计降幅为ΛΖχ1。
对于水位变幅与冲淤量关系较明显的河段如目标河段S，以研究河段单站同流量水位变化诱因、综合考虑河段冲淤及下游水位影响的步骤2. 2中河床冲刷趋势分析法所得结果为准，即取目标河段未来同时期枯期同流量水位累积降幅为AZs2'。
步骤2. 3中数学模型方法推求未来某时期目标河段枯期同流量水位降幅△ Zs3，作为定性分析参考，判断所得结果定性上是否合理，最终结果以步骤2. 1、2.2为准。一般步骤2.3中数学模型方法计算结果在定性上是与步骤2. I或2. 2所得结果应当是相同的，如果出现步骤2. 1、2. 2的定性结果与数模结果不同，需要重新检查资料，或者数据的正确性，重新计算。
本领域技术人员可以根据实测数据及目标河段所处地形、河床条件，自行判断该河段未来某时期同流量水位累积降幅的推求应采取上述相应方法。或者采用计算机进行自动判断。判断时还可以根据推求结果所得同流量水位降幅与相应横坐标的拟合关系，取拟合精度高的结果。
步骤3，基于步骤2. 4所得水库下游各河段枯期同流量水位降幅，得出未来某时期各河段水位流量关系，结合步骤I所得水库下游各河段通航流量，计算得出未来某时期水库下游各河段最低通航水位。
设经过步骤2. 4判断，实施例对于目标河段S，由步骤2. 2中的河床冲刷趋势分析法得出的结果是最准确的，结论为目标河段枯期同流量水位累计降幅是AZs2'。实施例基于步骤2所得目标河段枯期同流量水位累积降幅AZs2'，得出未来某时期各河段水位流量关系，结合步骤I所得目标河段通航流量Qs，设目标河段通航流量Qs对应的水位为Z，计算得出未来某时期水库下游目标河段最低通航水位Zs=Z-AZs2'。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超过所附权利要求书所定义的范围。
权利要求
1.一种水库下游河道最低通航水位生成方法，其特征在于，包括以下步骤步骤1，确定水库下游各河段通航流量，具体步骤如下，步骤I. 1，基于水库运行前实测水文资料，将水库下游各河段的流量分解为水库代表水文站点来流与区间来流，实现方式如下，设水库下游各河段中任一为目标河段，目标河段的流量Qm分解为水库代表水文站点来流Qd与区间来流Q<j，Qq=Qm-Qd步骤I. 2，计算目标河段设计通航流量，实现方式如下，根据水库代表水文站点来流Qd进行水库径流调蓄计算，得到水库运行后水库代表水文站点的流量过程Q’ d;根据区间来流Qq得到水库运行后目标河段的区间流量Q’ q，计算水库运行后目标河段的流量Q’ m = Q’ d+Q’ q，进行频率统计分析得到目标河段设计通航流量Qs ；步骤2，推求水库下游各河段枯期同流量水位降幅，具体步骤如下，步骤2. 1，基于水库运行后实测水文资料，采用河段水位下降趋势分析法，推求未来某时期水库下游各河段枯期同流量水位降幅；所述河段水位下降趋势分析法实现方式为，点绘水库运行后水库下游各河段逐年枯期水位流量关系，计算河段枯期同流量水位逐年变幅，并分析水位变幅随水库蓄水年份变化规律，推算未来某时期水库下游各河段枯期同流量水位变化，得到未来某时期水库下游各河段枯期同流量水位降幅；步骤2. 2，基于水库运行后实测水文资料，采用河床冲刷趋势分析法，推求未来某时期水库下游各河段枯期同流量水位降幅；所述河床冲刷趋势分析法实现方式为，点绘水库运行后水库下游沿程各河段枯期同流量水位累积降幅与河床上累积冲淤量的相互关系，通过分析河段的冲淤发展，由未来某时期目标河段冲淤量预测目标河段同流量水位变化，得到未来某时期水库下游各河段枯期同流量水位降幅；步骤2. 3，基于一维水沙模型，通过模拟水库下游河床冲淤过程，推求未来某时期水库下游各河段枯期同流量水位降幅；步骤2. 4，综合分析步骤2. 1,2. 2,2. 3，最终确定未来某时期水库下游各河段枯期同流量水位降幅；步骤3，基于步骤2. 4所得水库下游各河段枯期同流量水位降幅，得出未来某时期各河段水位流量关系，结合步骤I所得水库下游各河段通航流量，计算得出未来某时期水库下游各河段最低通航水位。
全文摘要
本发明提出一种水库下游河道最低通航水位生成方法，包括水库下游河段设计通航流量确定步骤，河段枯期同流量水位降幅预测步骤，河段最低通航水位计算步骤。与已有方法相比，本方法贴合水库下游河段实际冲淤过程，通过分析河段自身水位变化规律，以及引起水位变化的原因，针对不同河段采用与之适应的方法，能更为简单且准确的预测未来某时段河段的设计水位，而且，本方法所需资料较之已有方法更易收集，实用性更强。
文档编号E02B1/02GK102912760SQ20121043990
公开日2013年2月6日 申请日期2012年11月7日 优先权日2012年11月7日
发明者李义天, 王冬 申请人:武汉大学