人为引发河床演变对河流水位变化敏感性分析方法

摘要

人为引发河演对河流水位变化敏感性分析方法，收集待评估河道区域有水文记录以来的径流资料，确定造床流量，潮型选择造床径流发生日河口实测潮位过程；采集造床径流发生日前后天然河床实测地形图；采集天然河床地质资料，确定各断面沙层埋深，沙层宽度；通过土工试验确定推移质与悬移质的特征参数；依据上述基础数据，建立水沙计算数学模型；通过水位验证、悬移质含沙量验证、地形冲淤验证，律定天然河床糙率；基于天然河床河沙储量分布的河床区域划分为四区；预报不同区域人为挖沙对未来河道水位变化规律的影响。

说明书

【技术领域】

本发明涉及水利工程技术开发领域，具体的说是一种人为引发河演对河流水位变化敏感性分析方法。 

【背景技术】

天然河床在径流与海潮等自然水动力作用下，或由于挖沙、筑坝等人为干预发生变形的自然现象，称之为河床演变。天然河床的演变与河道砂石紧密相连。河道砂石有两个属性，首先河道砂石是河床的重要组成部分，事关河势的稳定、防洪和通航的安全、涉河工程的正常运用以及生态与环境保护。其次河道砂石是一种有限的资源。采砂是人为改变河床自然形态的一项活动，某些河流的一部分河段10年时间，挖掉了相当于200年的砂石资源沉积量，不少河流的采砂活动已经充分证明，缺乏规划指导的采砂活动必然处于盲目无序的失控状态，给河势稳定、防洪和通航安全等方面都带来了很大危害。河床演变的影响涉及面广，“牵一发而动全身”，因河床演变，福建省闽江上的华东地区最大水电站水口水电站、晋江上的金鸡大型水闸、九龙江上的北引大型水闸和西溪大型水闸等重要水利设施的部分功能丧失、或遭受严重破坏，甚至重建，造成巨大经济损失；不仅如此，由于河床演变，闽江和九龙江上有数百年历史的万寿桥、洪山古桥、江东古桥和十五户陂相继被毁，河床演变还使水动力条件发生变化，河口退缩、湿地消失、咸潮上溯，福建省省会城市福州的一些水源地取水口因河床演变导致水流条件改变，氯离子浓度一度超标十倍，漳州市宝新引水工程和漳州市第二自来水厂因水动力条件变化而报废，严重影响农田灌溉和城市饮用水安全。 

经济社会的发展对河道砂石的需求是必然的，而河道砂石的可利用量是有限的，超出了河道的承载能力将会带来不可逆转的影响，引发了诸多重大 的涉江涉水公共安全问题。如何处理好保护与利用、需要与可能、人与自然的三大关系，就非常需要能够预测在河道不同区域人为挖沙对天然河床演变方向及沿程水位变化规律的分析方法，以掌握人类活动对未来河流运动的变化规律的影响，指导科学、合理、适度地利用河道砂石资源，维护河流健康，充分保护和发挥河流的多功能作用，以更好地支撑经济社会的发展。 

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题在于提供了一种人为引发河床演变对河流水位变化敏感性预测分析方法，该方法能够对已探明的天然河沙分布规律进行概化分类，指导科学采砂，确定在各种人为干预条件下，天然河流各过水断面未来水位变化规律，以确保人水和谐发展。 

本发明是这样实现的： 

人为引发河演对河流水位变化敏感性分析方法，其特征在于:包括如下步骤: 

步骤1：收集待评估河道区域有水文记录以来的径流资料，确定造床流量，潮型选择造床径流发生日河口实测潮位过程； 

步骤2：采集造床径流发生日前后天然河床实测地形图； 

步骤3：采集天然河床地质资料，确定各断面沙层埋深，沙层宽度； 

步骤4：通过土工试验确定推移质与悬移质的特征参数； 

步骤5：依据上述基础数据，建立水沙计算数学模型； 

步骤6：通过水位验证、悬移质含沙量验证、地形冲淤验证，律定天然河床糙率； 

步骤7：基于天然河床河沙储量分布的河床区域划分为四区，具体包括： 

设天然河道总长度为Lt，实测河道断面数为m，实测河道断面沙层宽度为Wi，i＝1～m，实测河道断面积为Si，i＝1～m，河床各实测断面总平均沙层储量面积河床总平均当量下切深度则： 

A区： 

河长为LA＝(25％±1％)×Lt； 

区域河沙平均储量面积SAav＝(37％±3％)×Sav； 

区域河沙最大储量面积SAmax＝(70％±2％)×Sav； 

区域河沙平均当量埋深HAdl＝(80％±2％)×Hdl； 

区域河沙最大埋深HAdlmax＝(120％±10％)×Hdl； 

B区： 

河长为LB＝(25％±1％)×Lt； 

区域河沙平均储量面积SBav＝(74％±2％)×Sav； 

区域河沙最大储量面积SBmax＝(150％±10％)×Sav； 

区域河沙平均当量埋深HBdl＝(107％±10％)×Hdl； 

区域河沙最大埋深HBdlmax＝(130％±10％)×Hdl； 

C区： 

河长为LC＝(30％±1％)×Lt； 

区域河沙平均储量面积SCav＝(160％±5％)×Sav； 

区域河沙最大储量面积SCmax＝(260％±10％)×Sav； 

区域河沙平均当量埋深HCdl＝(108％±5％)×Hdl； 

区域河沙最大埋深HCdlmax＝(130％±5％)×Hdl； 

D区： 

河长为LD＝(20％±1％)×Lt； 

区域河沙平均储量面积SDav＝(140％±5％)×Sav； 

区域河沙最大储量面积SDmax＝(310％±10％)×Sav； 

区域河沙平均当量埋深HDdl＝(105％±5％)×Hdl； 

区域河沙最大埋深HDdlmax＝(140％±5％)×Hdl； 

步骤8：预报不同区域人为挖沙对未来河道水位变化规律的影响：根据已探明的四区河沙储量与分布，判断以A区区域LA河长下切HAdlmax，同时，保持B、C、D、区域为现状地形，通过已建立的数学模型计算可以预测A区域发生河床最大冲刷深度时，天然河床各个断面水位变化规律；以B区域LB河长下切HBdlmax，同时，保持A、C、D、区域为现状地形，通过已建立的数学模型计算可以预测B区域发生河床最大冲刷深度时，天然河床各个断面水位变化规律；以C区域LC河长下切HCdlmax，同时，保持A、B、D、区域为现状地形，通过已建立的数学模型计算可以预测C区域发生河床最大冲刷深度时，天然河床各个断面水位变化规律；以D区域LD河长下切HDdlmax，同时，保持A、B、C、区域为现状地形，通过已建立的数学模型计算可以预测D区域发生河床最大冲刷深度时，天然河床各个断面水位变化规律。 

本发明的优点在于：1、可明确在哪些区域挖沙，挖多少，对天然河道水流流动特性影响小，在哪些区域挖沙，挖多少，对天然河道水流流动特性影响大，从而制定出科学合理的河沙开采计划，既考虑经济建设对砂石资源必要的需求，又可避免天然河道遭受破坏性的滥采滥挖，量入而出，确保健康河流的自然生态；2、可预报不同区域人为挖沙条件下，未来河道水位、流速、河流分叉口、汇合口的分流比、潮流界、潮区界等水力要素的变化规律。 

【附图说明】

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的描述。 

图1是本发明具体实施例闽江下游造床径流发生前的天然河床实测数字化地形图。 

图2是本发明具体实施例闽江下游造床径流发生后的天然河床实测数字化地形图。 

图3是本发明具体实施例的对水沙计算数学模型进行水位验证图。 

图4是本发明具体实施例的对水沙计算数学模型进行悬移质含沙量验证 图。 

图5是本发明具体实施例的对水沙计算数学模型进行地形冲淤验证图。 

图6是本发明人为采砂引发河床演变四类分区图； 

图7是本发明A区人为采砂条件下水口水电站坝下断面枯季水位变化规律图； 

图8是本发明B区人为采砂条件下水口水电站坝下断面枯季水位变化规律图； 

图9是本发明C区人为采砂条件下水口水电站坝下断面枯季水位变化规律图； 

图10是本发明D区人为采砂条件下水口水电站坝下断面枯季水位变化规律图； 

【具体实施方式】

下面以一具体实施例来说明人为引发河床演变对河流水位变化敏感性预测分析方法，包括如下步骤: 

步骤1：收集福建省闽江上的华东地区最大水电站水口水电站建成后的1995年1月至2010年11月共计5750天径流资料，确定造床流量为2005年的洪峰流量30600m³/s和2006年的洪峰流量29400m³/s；潮型选择造床径流发生日闽江河口琯头水文站实测潮位过程。 

步骤2：采集闽江下游造床径流发生前的2003年(如图1所示)和造床径流发生后的2008天然河床实测数字化地形图(如图2所示)。 

步骤3：采集闽江下游天然河床93km，300个钻孔的地质资料；确定天然河床各断面沙层埋深、沙层宽度，计算沙层面积和沙层当量埋深。上边界为水口水电站实测下泄流量过程，下边界为闽江口琯头和梅花水文站实测水位过程线。 

步骤4：通过土工试验确定推移质与悬移质的特征参数。 

步骤5：依据上述基础数据，建立水沙计算数学模型。 

步骤6：对水沙计算数学模型进行水位验证(如图3所示)、悬移质含沙 量验证(如图4所示)、地形冲淤验证(如图5所示)。 

步骤7：基于天然河床河沙储量分布的河床区域划分： 

闽江下游天然河道总长度为L_t＝88.12km，实测河道断面数为93个，实测河道断面沙层宽度为W_i＝262～2839m，i＝1～93，实测河道断面积为S_i＝647～24596.3m²，i＝1～93，河床各实测断面总平均沙层储量面积S_av＝7966.6m²，河床总平均当量下切深度H_dl＝7.49m，则： 

A区： 

河长为L_A＝22.40km； 

区域河沙平均储量面积S_Aav＝2941.4m²； 

区域河沙最大储量面积S_Amax＝5620.6m²； 

区域河沙平均当量埋深H_Adl＝5.97m； 

区域河沙最大埋深H_Adlmax＝8.99m； 

B区： 

河长为L_B＝21.75km； 

区域河沙平均储量面积S_Bav＝5897.4m²； 

区域河沙最大储量面积S_Bmax＝12071.5m²； 

区域河沙平均当量埋深H_Bdl＝8.01m； 

区域河沙最大埋深H_Bdlmax＝10.01m； 

C区： 

河长为L_C＝25.81km； 

区域河沙平均储量面积S_Cav＝12582.7m²； 

区域河沙最大储量面积S_Cmax＝20726m²； 

区域河沙平均当量埋深H_Cdl＝8.11m； 

区域河沙最大埋深H_Cdlmax＝9.88m； 

D区： 

河长为L_D＝18.16km； 

区域河沙平均储量面积S_Dav＝10965.4m²； 

区域河沙最大储量面积S_Dmax＝24596.3m²； 

区域河沙平均当量埋深H_Ddl＝7.84m； 

区域河沙最大埋深H_Ddlmax＝10.28m； 

四区平面图见图6； 

步骤8：预报不同区域人为挖沙条件下，未来河道水位变化规律：具体包括： 

图7中正方形点曲线为现状典型日24小时天然河床水位过程线，菱形点曲线为A区22.40km河沙挖深8.99m，保持B、C、D、区域为现状地形时，24小时河床水位过程线。其中现状条件下，枯季典型日水口水电站坝下断面天然河床最低水位5.52m，A区挖深8.99m后，河床最低水位2.89m； 

图8中正方形点曲线为现状典型日24小时天然河床水位过程线，菱形点曲线为B区21.75km河沙挖深10.01m，保持A、C、D、区域为现状地形时，24小时河床水位过程线。其中现状条件下，枯季典型日水口水电站坝下断面天然河床最低水位5.52m，B区挖深10.01m后，河床最低水位5.52m； 

图9中正方形点曲线为现状典型日24小时天然河床水位过程线，菱形点曲线为C区25.81km河沙挖深9.88m，保持A、B、D、区域为现状地形时，24小时河床水位过程线。其中现状条件下，枯季典型日水口水电站坝下断面天然河床最低水位5.52m，C区挖深9.88m后，河床最低水位5.52m； 

图10中正方形点曲线为现状典型日24小时天然河床水位过程线，菱形点曲线为D区18.16km河沙挖深10.28m，保持A、B、C、区域为现状地形 时，24小时河床水位过程线。其中现状条件下，枯季典型日水口水电站坝下断面天然河床最低水位5.52m，D区挖深10.28m后，河床最低水位5.52m。 

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。