一种可科学重现稀遇潮洪流动特性的水景观设计方法

摘要

本发明提供一种可科学重现稀遇潮洪流动特性的水景观设计方法，采集天然河道实测地形、地质资料和水文资料；通过相似性准则确定模型范围、断面板的数量、所采用的材料；在实测地形图上选取放样断面，制作与天然河床形态相同模型断面板；确定模型的控制导线、划定模型边墙线、制定水平控制网、制定高程控制网、设立水准基点，根据河道地形图进行模型的安装；进行天然河流水文站枯季典型日和洪水典型日的实测径流流量过程线和河口实测潮流潮位过程线验证；天然河床相应断面的流速验证；造床流量发生前后天然河道实测地形图与模型的冲淤验证；建立水循环系统，这样设计出来的水景观，有极高的学术价值和经济附加值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种可科学重现稀遇潮洪流动特性的水景观设计方法。

背景技术

伴随着经济的发展和社会进步，生态文明城市建设不断推进，城在水中， 城在林中的城市规划建设理念得到广泛的应用，景观建设作为城市室外环境 的主要营造手段。水是生命的源泉，水滋养着城市，孕育出无数文化古都和 历史名城，水维系着社会进步和人类文明，也正因为人类这种与生俱来的亲 水性，在城市景观设计中，总是与江河湖海紧密相连，目前水景观设计在全 国各地方兴未艾，一系列的景观建设项目极大地提升了城市的环境水准，为 市民创造了高品质的休闲场所，增强了城市的竞争力；

目前的城市景观设计大都停留在对城市生活环境改善的层面上，如何提 高城市景观设计的科技含量，赋予城市景观自身更高的利用价值，不为景观 而景观，如何让更多的人通过水景观了解水利工程师通过水力学物理模型进 行科学治水的方法，使人们在观赏城市景观的同时，对天然河流复杂运动规 律、水流与涉水建筑物的相互关系、水生态环境有所了解，唤醒人们尊重自 然、顺应自然、敬畏自然、保护自然的意识，这是水利工程师和园林工程师 尚待解决的难题。

目前城市景观设计只有观赏性和游览休闲性质，还没有能够在水力学意 义上科学重现天然河流流动属性的水景观设计技术，无法通过水景观解决复 杂水力条件下各种重大涉水技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题，在于提供一种可科学重现稀遇潮洪流动特性 的水景观设计方法，使水景观不但具有观赏性，而且赋予水景观极高的学术 价值和经济附加值。

本发明是这样实现的：一种可科学重现稀遇潮洪流动特性的水景观设计 方法，包括如下步骤：

步骤10：采集天然河道实测地形、地质资料和水文资料；

步骤20：通过相似性准则确定模型范围、断面板的数量、所采用的材 料；在实测地形图上选取放样断面，制作与天然河床形态相同模型断面板；

步骤30：确定模型的控制导线、划定模型边墙线、制定水平控制网、 制定高程控制网、设立水准基点，根据河道地形图进行模型的安装；

步骤40：进行天然河流水文站枯季典型日和洪水典型日的实测径流流 量过程线和河口实测潮流潮位过程线验证；天然河床相应断面的流速验证； 造床流量发生前后天然河道实测地形图与模型的冲淤验证；

步骤50：建立水循环系统。

进一步地，所述相似性准则为：

水平比尺为：其中，L_p为原型的水平尺寸，L_m为模型的水平 尺寸；

垂直比尺为：其中，H_p为原型的深度，H_m为模型的深度；

模型变率为：

流速比尺为：其中，V_p为原型的流速，V_m为模型的流速；

流速比尺为：其中，V_p为原型的流速，V_m为模型的流速；

重力相似条件，即佛汝德Fr相似条件为：其中和λ_Fr都 是表示佛汝德数比尺，是表示佛汝德数，V是表示流速，g为重力加速 度，L表示水平尺寸；

糙率比尺为：

同时满足重力相似和阻力相似条件为：

流量比尺为：λ_Q＝λ_Hλ_Lλ_V；

时间比尺为：

上式中，下脚标p和m分别代表原型和模型。

进一步地，所述步骤30进一步具体为：

确定模型的控制导线、划定模型边墙线、制定水平控制网、制定高程控 制网、设立水准基点，根据河道地形图，用经纬仪、水平仪、钢卷尺进行模 型的安装。

进一步地，所述水循环系统包括上下蓄水池、抽水泵站、进水管道，回 水管道。

本发明具有如下优点：本发明方法可以缩制任意一条天然河流，并可复 演河流的运动规律制，模型与原型的误差非常小，可以通过缩制的天然河道 水景观模型，测试各种可靠的技术数据，解决复杂水力条件下的各种重大涉 水涉江技术难题，以服务于经济建设，从而使水景观不但具有观赏性，而且 赋予水景观极高的学术价值和经济附加值。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1为本发明方法执行流程图；

图2是闽江天然河道闽清河段大箬断面典型地质剖面图；

图3是闽江天然河道闽候河段苏洋断面典型地质剖面图；

图4是闽江天然河道南港河段湾边大桥下游断面典型地质剖面图；

图5是闽江天然河道三江口下游河段典型地质剖面图；

图6是按相似率制造的闽江模型小河闽清段典型断面地形图；

图7是按相似率制造的闽江模型小河闽候段典型断面地形图；

图8是按相似率制造的闽江模型小河南港典型断面地形图；

图9是按相似率制造的闽江模型小河北港典型断面地形图；

图10是按相似率制造的闽江模型小河白岩潭典型断面地形图；

图11是按相似率制造的闽江模型小河入海通道北支琯头典型断面地形 图；

图12是按相似率制造的闽江模型小河入海通道南支梅花典型断面地形 图；

图13是洪季水口水电站坝下实测水位与模型小河水位过程验证图；

图14是洪季下浦水文站实测水位与模型小河水位过程验证图；

图15是洪季竹歧水文站与模型小河水位过程验证图；

图16是洪季文山里水文站与模型小河水位过程验证图；

图17是洪季解放大桥上水文站与模型小河水位过程验证图；

图18是洪季解放大桥下水文站与模型小河水位过程验证图；

图19是洪季白岩潭水文站与模型小河水位过程验证图；

图20是枯季水口水电站坝下实测水位与模型小河水位过程验证图；

图21是枯季下浦水文站实测水位与模型小河水位过程验证图；

图22是枯季竹歧水文站与模型小河水位过程验证图；

图23是枯季文山里水文站与模型小河水位过程验证图；

图24是枯季解放大桥上水文站与模型小河水位过程验证图；

图25是枯季解放大桥下水文站与模型小河水位过程验证图；

图26是枯季白岩潭水文站与模型小河水位过程验证图；

图27是小箬断面天然河流与模型小河流速验证图；

图28是竹歧断面天然河流与模型小河流速验证图；

图29是侯官断面天然河流与模型小河流速验证图；

图30是白岩潭断面天然河流与模型小河流速验证图；

图31是南港典型断面天然河流与模型小河地形验证图；

图32是北港典型断面天然河流与模型小河地形验证图；

图33是三江口典型断面天然河流与模型小河地形验证图。

具体实施方式

如图1所示，一种可科学重现稀遇潮洪流动特性的水景观设计方法，包 括如下步骤：

步骤10：采集天然河道实测地形、地质资料和水文资料；

步骤20：通过相似性准则确定模型范围、断面板的数量、所采用的材 料；在实测地形图上选取放样断面，制作与天然河床形态相同模型断面板, 所述相似性准则为：

水平比尺为：其中，L_p为原型的水平尺寸，L_m为模型的水平 尺寸；

垂直比尺为：其中，H_p为原型的深度，H_m为模型的深度；

模型变率为：

流速比尺为：其中，V_p为原型的流速，V_m为模型的流速；

重力相似条件，即佛汝德Fr相似条件为：其中和λ_Fr都 是表示佛汝德数比尺，是表示佛汝德数，V是表示流速，g为重力加速 度，L表示水平尺寸；

糙率比尺为：

同时满足重力相似和阻力相似条件为：

流量比尺为：λ_Q＝λ_Hλ_Lλ_V；

时间比尺为：

上式中，下脚标p和m分别代表原型和模型。；

步骤30：确定模型的控制导线、划定模型边墙线、制定水平控制网、 制定高程控制网、设立水准基点，根据河道地形图进行模型的安装：确定模 型的控制导线、划定模型边墙线、制定水平控制网、制定高程控制网、设立 水准基点，根据河道地形图，用经纬仪、水平仪、钢卷尺进行模型的安装；

步骤40：进行天然河流水文站枯季典型日和洪水典型日的实测径流流 量过程线和河口实测潮流潮位过程线验证；天然河床相应断面的流速验证； 造床流量发生前后天然河道实测地形图与模型的冲淤验证；

步骤50：建立水循环系统，所述水循环系统包括上下蓄水池、抽水泵 站、进水管道，回水管道。

实施例一

步骤1：采集天然河道实测地形、地质资料和水文资料，在此基础上， 对模型小河与天然河道进行相似性设计，使得模型小河能够科学重现天然河 流的流动特性；

所述步骤1具体包括：

地形、地质资料采集：闽江下游天然河道实测地形、闽清河段大箬断面 典型地质剖面图(如图2所示)、闽候河段苏洋断面典型地质剖面图(如图 3所示)、南港河段湾边大桥下游断面典型地质剖面图(如图4所示)、三 江口下游河段典型地质剖面图(如图5所示)；

水文资料采集：洪季典型日遭遇天文大潮时，闽江下游水口水电站坝下、 下浦、竹岐、文山里、解放大桥上、解放大桥下、峡南、白岩潭各水文站实 测水文过程线；枯季典型日遭遇天文大潮时，闽江下游各水文站实测水文过 程线；中水典型日遭遇天文大潮时，闽江下游各水文站实测水文过程线；

模型小河与天然河道进行相似性设计：天然河道与模型小河，是两个完 全不同的物质体系，存在着不同的物理变化过程，为了让实体景观模型小河 上物理体系的形态或其变化过程与天然河道体系同类相似，天然河流与人造 小河中的相应点上同各物理量之间，必需符合以下各式：

几何比尺

水平比尺${\lambda }_L=\frac{L_p}{L_m}=540$

垂直比尺：${\lambda }_H=\frac{H_p}{H_m}=80$

式中，下脚标p和m分别代表原型和模型

模型变率：${\lambda }_H=\frac{H_p}{H_m}=6.75$

流速比尺：${\lambda }_v=\frac{V_p}{V_m}=8.9443$

重力相似条件，即佛汝徳Fr相似条件：

同时满足重力相似和阻力相似条件：

糙率比尺：${\lambda }_n=\frac{{\lambda }_H^{\frac{2}{3}}}{{\lambda }_L^{\frac{1}{2}}}=0.7990$

流量比尺：λ_Q＝λ_Hλ_Lλ_V＝386393

时间比尺：${\lambda }_t=\frac{{\lambda }_L}{{\lambda }_V}=\frac{{\lambda }_L}{{\lambda }_H^{\frac{1}{2}}}=60.3738;$

步骤2：模型小河过水部分的制作。通过相似性准则确定模型小河景观 实体模型范围、断面板的数量、所采用的材料；在实测地形图上选取放样断 面，从中读取数据形成数据文件后，输入断面板制作数控机床，自动在三合 板上割制出与天然河床形态相同模型断面板；

所述步骤2具体包括：

模型范围：选定天然河道原型长度包括闽江下游闽清河段、闽侯河段和 福州南北港河段，其中水口水电站坝下1#断面至淮安分流口125#断面，河 道长度56.55km，闽江福州南港淮安分流口经南港至马尾白岩潭河道长度 35.03km，以及闽江福州北港淮安分流口经北港至马尾白岩潭河道长度 35.07km，变态物理模型模拟总河长126.65km，河床最深点高程达-39.5m。 物理模型总长度234m，河道最大模型宽度8.4m，河道最小模型宽度0.22m；

断面板的数量：闽江下游天然河道景观实体模型采用每隔0.5m设置一 个控制断面，在河床地形特别复杂多变的河段加密设置控制断面，间距为 0.08～0.3m。闽江下游河段自水口坝下～侯官河段布置了211个(1#-211#) 物理模型断面，北港河段布置了101个(212#-312#)物理模型断面，南港 河段布置了142个(313#-454#)物理模型断面，白岩潭～营前河段布置了 9个(455#-463#)物理模型断面，共布置了463个断面板，地形控制点约 39200个；

模型制作：将在闽江下游河床的实测地形图上所选取的463个断面板形 成数据文件后，输入杰臣-1325断面板制作数控机床，自动在三合板上割制 出模型安装断面板，选出具有代表性的模型小河断面(如图6至12所示)；

步骤3：模型小河过水部分的安装。确定景观实体模型的控制导线、划 定模型边墙线、制定水平控制网、制定高程控制网、设立水准基点，根据河 道地形图，用经纬仪、水平仪、钢卷尺进行景观实体模型的安装；

步骤4：模型小河与天然河道水流运动相似性验证。包括进行天然河流 水文站枯季典型日和洪水典型日的实测径流流量过程线和河口实测潮流潮 位过程线验证；进行天然河床相应断面的流速验证；进行造床流量发生前后 天然河道实测地形图与景观实体模型的冲淤验证；

所述步骤4具体包括：

洪季水位验证：采集天然河流洪季典型日水口水电站下泄28050m3/s 流量，下游恰好遭遇天文大潮时，各水文站与模型小河相应位置进行水位验 证(如图13至19所示)，24小时水位过程，水口坝下实测平均水位26.519m， 模型平均水位26.766m，模型值与实测值平均误差0.247m；下浦水文站实测 平均水位22.593m，模型平均水位22.548m，模型值与实测值平均误差 -0.046m；竹岐水文站实测平均水位14.119m，模型平均水14.061位m，模 型值与实测值平均误差-0.058m；文山里水文站实测平均水位10.333m，模 型平均水位10.171m，模型值与实测值平均误差-0.163m；解放大桥上水文 站实测平均水位7.613m，模型平均水位7.715m，模型值与实测值平均误差 0.102m；解放大桥下水文站实测平均水位7.014m，模型平均水位7.106m， 模型值与实测值平均误差0.091m；峡南水文站实测平均水位5.665m，模型 平均水位5.558m，模型值与实测值平均误差-0.107m；白岩潭水文站实测平 均水位4.820m，模型平均水位4.736m，模型值与实测值平均误差-0.085m；

枯季水位验证：采集天然河流枯季典型日水口水电站下泄341m3/s，且 下游恰好遭遇天文大潮时，各水文站与模型小河相应位置进行水位验证(如 图20至26所示)，24小时水位过程，水口坝下实测平均水位5.448m，模 型平均水位5.625m，模型值与实测值平均误差0.177m；下浦水文站实测平 均水位4.236m，模型平均水位3.991m，模型值与实测值平均误差-0.245m； 竹岐水文站实测平均水位3.430m，模型平均水位3.397m，模型值与实测值 平均误差-0.033m；文山里水文站实测平均水位3.311m，模型平均水位 3.219m，模型值与实测值平均误差-0.092m；解放大桥上水文站实测平均水 位3.220m，模型平均水位3.145m，模型值与实测值平均误差-0.075m；解放 大桥下水文站实测平均水位3.030m，模型平均水位3.045m，模型值与实测 值平均误差0.014m；峡南水文站实测平均水位2.803m，模型平均水位 2.801m，模型值与实测值平均误差-0.002m；白岩潭水文站实测平均水位 2.795m，模型平均水位2.775m，模型值与实测值平均误差-0.020m；

流速验证：采用水口水电站2010年5月26日至5月31日闽江实测大 断面流速资料，即下泄3570m³/s进行流速验证，选出4个典型断面：15#断 面(小箬乡)、101#断面(竹岐)、123#断面(侯官)、246#断面(白岩潭) 进行验证。详见表1，详见图27至30。

表1水口水电站下泄3570m³/s时，模型与原型各断面流速表

单位：m/s

冲淤验证：经过2010年洪水作用，南港典型断面天然河床与模型小河 冲淤见图31，北港典型断面天然河床与模型小河冲淤见图32，三江口典型 断面天然河床与模型小河冲淤见图33；

步骤5：非过水部分的景观实体模型布局，顺应河流蜿蜒曲折的天然状 态，对不过水洲岛、模型工作桥、模型小河其他不过水的空闲地方进行景观 处理或设置休闲处，植物分布高矮相间、错落有致，四季均有开花景观，并 注意颜色搭配；

步骤6：建立水循环系统，包括上下蓄水池、抽水泵站、进水管道，回 水管道，供水流量是通过水力学计算，其值取决于模型比尺和河流最大科研 流量，并留一定富余；

应用实例：目前该方法已开始应用于闽江河道景观实体模型小河与福州 市光明港城市景观整治工作中。

本发明具有如下优点：本发明方法可以缩制任意一条天然河流，并可复 演河流的运动规律制，模型与原型的误差非常小，可以通过缩制的天然河道 水景观模型，测试各种可靠的技术数据，解决复杂水力条件下的各种重大涉 水涉江技术难题，以服务于经济建设，从而使水景观不但具有观赏性，而且 赋予水景观极高的学术价值和经济附加值。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人 员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发 明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的 修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。