枢纽下游径流与潮流过渡河段设计最低通航水位生成方法

摘要

本发明提供一种枢纽下游径流与潮流过渡河段设计最低通航水位生成方法，包括：一)确定基本站设计最小通航流量和支流入汇流量；二)平面二维水流数学模型的建立与验证；三)确定基本站通航特征水位及河段沿程通航特征水位；四)选择典型潮汐过程并计算潮汐影响范围及对沿程设计最低通航水位的影响；五)选择枢纽下泄的典型非恒定流流量过程并计算非恒定流影响范围及对沿程设计最低通航水位的影响；六)确定河段沿程设计最低通航水位。本发明可以解决径流与潮流过渡河段设计最低通航水位计算方式不一致的问题，同时为实测资料不完整情况下设计最低通航水位生成提供了一种新途径，并可以得到潮汐、枢纽下泄非恒定流沿程影响和范围。

说明书

技术领域

本发明属于航道工程技术领域，具体涉及到枢纽下游径流与潮流过渡河段设计最低通航水位生成方法。

背景技术

设计最低通航水位是标准船舶或船队正常通航的最低水位，是航道工程中的关键技术参数之一。根据规范，内河航道设计最低通航水位一般采用频率法或保证率法进行计算，但这两种方法主要基于日均系列资料，对于日内水位做周期性不规则变化的潮汐河段及受调峰影响明显的枢纽下游近坝河段并不适用，在这些河段，若采用日均系列资料，需要进一步考虑潮汐、枢纽下泄非恒定流等因素对于设计最低通航水位的影响。在目前工程实践中，为消除日均系列资料中的日内波动因素，一般采取低潮位或是日最低水位系列进行计算，例如，在珠江三角洲感潮河段，广东省航道局主要采用按低潮位计算的保证率98％的五年一遇的潮水位作为设计最低通航水位，在汀江青溪电站下游，因受电站日内调峰影响较大，主要采用基本站的日最低水位系列进行设计最低通航水位计算。但上述方法一般需要连续多年的逐时观测数据，且仅能对基本站进行计算分析，无法反映潮汐、枢纽下泄非恒定流等因素对于河道沿程设计最低通航水位的影响，当枢纽下游河道在河床冲刷等因素作用下枯水位发生明显变化时，计算的设计最低通航水位也会因水文情势的变异而出现偏差。

武汉大学申请的专利“水库下游河道最低通航水位生成方法”(专利申请号201210439901.1，公开号CN 102912760 A)主要针对水量调蓄能力较强、河床冲刷持续时间较长的枢纽水库下游河道的设计最低通航水位进行计算，提供了一种水文变异环境下设计最低通航水位生成方法，但该方法无法反映潮汐和枢纽电站日调峰对设计最低通航水位的影响，故仅适用下泄流量较为稳定的枢纽下游非潮汐河段，对于日调节枢纽下游径流与潮流过渡河段并不适用。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供枢纽下游径流与潮流过渡河段设计最低通航水位生成方法，该方法采用因素分析的思想，以日均流量、日均水位资料为基础计算设计最小通航流量和通航特征水位，再进一步考虑潮汐、枢纽下泄非恒定流的传播规律及影响，可以确定河段沿程设计最低通航水位。

本发明技术方案提供一种枢纽下游径流与潮流过渡河段设计最低通航水位生成方法，包括以下步骤：

一)确定基本站设计最小通航流量和支流入汇流量；

二)建立全河段平面二维水流数学模型，并用实测水文资料进行验证，验证通过后进入步骤三)；

三)确定基本站通航特征水位及河段沿程通航特征水位，实现如下，

根据河段水文特性，计算确定基本站通航特征水位，对两个基本站之间的河段，设上游站、下游站通航特征水位分别为Y_上、Y_下；

采用全河段平面二维水流数学模型，以枢纽下游设计最小通航流量、各基本站设计最小通航流量及支流入汇流量、模型出口附近基本站的通航特征水位作为边界条件，计算上游站、下游站对应的数学模型水位分别为X_上、X_下，并计算两站间某断面的数学模型水位为X，则该断面的通航特征水位Y由下式计算，

四)选择典型潮汐过程并计算潮汐影响范围及对沿程设计最低通航水位的影响；

根据模型出口附近基本站的历史最低潮位及潮差情况，选择低潮位、潮差特征接近的实测逐时潮汐水位资料作为典型潮汐过程；采用全河段平面二维水流数学模型，以枢纽下游设计最小通航流量、各基本站设计最小通航流量及支流入汇流量、模型出口附近基本站的典型潮汐过程作为边界条件，计算潮汐影响下的沿程水位日内变化过程；设典型潮汐过程影响当天某分析断面的逐时水位为Z_i，i＝0，1，2…23，日最低水位为Z_m，以算术平均法按下式计算日均水位

潮汐影响值

在以潮汐影响临界处的ΔZ＝α作为判别指标，确定潮汐影响范围，包括当ΔZ≥α，确定该分析断面受潮汐影响，当ΔZ＜α，确定该分析断面不受潮汐影响；

五)选择枢纽下泄的典型非恒定流流量过程并计算非恒定流影响范围及对沿程设计最低通航水位的影响；

根据枯水期枢纽调峰运行情况，选择基流与设计最小通航流量接近的实测逐时流量资料作为枢纽下泄的典型非恒定流流量过程；采用全河段平面二维水流数学模型，以枢纽下泄的典型非恒定流流量过程，各支流入汇流量、模型出口附近基本站的通航特征水位作为边界条件，计算枢纽下泄典型非恒定流影响下的沿程水位日内变化过程；设典型非恒定流过程影响当天某分析断面的逐时水位为H_i，i＝0，1，2…23，日最低水位为H_m，以算术平均法按下式计算日均水位

非恒定流影响值

在以非恒定流影响临界处的ΔH＝β作为判别指标，确定枢纽下泄的该典型非恒定流影响范围，包括当ΔH≥β，确定该分析断面受非恒定流影响，当ΔH＜β，确定该分析断面不受非恒定流影响；

六)确定枢纽下游径流与潮流过渡河段沿程设计最低通航水位；

根据步骤三)所得基本站的通航特征水位及河段沿程通航特征水位，步骤四)所得潮汐影响范围及影响值、步骤五)所得非恒定流影响范围及影响值，由下式计算并确定河段沿程设计最低通航水位，

其中，D为沿程某分析断面的设计最低通航水位。

而且，步骤一)中，在分析河段基本站的年径流量、年最小流量变化特征的基础上，将日均流量资料划分为不同的系列年，计算各站不同系列年的通航特征流量，并选择能反映未来水文情势变化趋势的系列年，根据其通航特征流量来确定基本站设计最小通航流量。

而且，步骤一)中，支流入汇流量确定方式如下，

对两个基本站之间的河段，设上游站设计最小通航流量为Q_上，下游站设计最小通航流量为Q_下，则两站之间支流入汇流量Q_支＝Q_下-Q_上，当有多个支流入汇时，根据多年平均径流量比例计算各支流入汇流量。

而且，步骤三)中，对位于河段下游属潮汐影响不明显河段的基本站，以日均水位系列计算通航特征水位；对位于枢纽下游近坝段的基本站，根据近期水位流量关系拟合函数计算设计最小通航流量对应的通航特征水位。

而且，步骤三)涉及的潮汐影响不明显河段通过多年月平均潮位年变幅与多年平均潮差的比值来判断，包括当大于1时，为潮汐影响不明显河段。

而且，潮汐影响范围判别参数α取0.05m，非恒定流影响范围判别参数β也取0.05m。

本发明具有的优点和积极效果是：

(1)本发明采用因素分析的思想，在以日均系列资料计算通航特征水位的基础上，采用平面二维水流数学模型计算潮汐、枢纽下泄非恒定流对于设计最低通航水位的影响，可以解决径流与潮流过渡河段设计最低通航水位生成方法不一致的问题，实现天然河流设计最低通航水位生成方法的统一。

(2)本发明提供的方法无需长系列年的逐时资料来推求低潮位或日最低水位系列，仅需要典型潮汐水位过程、枢纽下泄的典型非恒定流流量过程和基本站日均资料，可以解决实测资料不完整情况下设计最低通航水位计算问题。

(3)本发明提供了一种通过数学模型计算和确定潮汐、枢纽下泄非恒定流沿程影响及范围的方法，可以解决目前完全依赖实测资料进行分析的问题，节约人力物力，具有重要市场价值。

附图说明

图1是本发明的原理框图；

图2是本发明实施例的西江界首至肇庆河段河势图；

图3是本发明实施例的典型潮汐过程图；

图4是本发明实施例的潮汐沿程影响图；

图5是本发明实施例的枢纽下泄典型非恒定流过程图；

图6是本发明实施例的枢纽下泄典型非恒定流沿程影响图；

图7是本发明实施例的设计最低通航水位沿程变化图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

请参见图1，本发明实施例提供一种枢纽下游径流与潮流过渡河段设计最低通航水位生成方法，所述河段处于枢纽下游径流与潮流的过渡段，上段位于枢纽下游，受枢纽下泄非恒定流影响，下段感潮，属潮汐影响不明显河段，包括以下步骤：

一)根据河段水文情势特征，计算并确定基本站设计通航流量和支流入汇流量。

具体实施时，在分析河段基本站的年径流量、年最小流量变化特征的基础上，将日均流量资料划分为不同的系列年，计算各站不同系列年的通航特征流量，并选择能较好反映未来水文情势变化趋势的系列年，根据其通航特征流量来确定基本站设计最小通航流量。

本发明所述通航特征流量和通航特征水位是指与航道等级相适应、具有特定保证率的流量及水位。

优选地，系列年根据资料的一致性和代表性原则进行划分，当资料一致性较好时，系列年长度不短于20年，当资料不具有较好的一致性时，根据变化原因及发展趋势，确定资料的取用年限。

进一步地，支流入汇流量确定方式如下，

对两个基本站之间的河段，设上游站设计最小通航流量为Q_上，下游站设计最小通航流量为Q_下，则两站之间支流入汇流量Q_支＝Q_下-Q_上，当有多个支流入汇时，根据多年平均径流量比例计算各支流入汇流量。

参见图2，实施例中，西江界首至肇庆河段概况为，西江界首至肇庆全长171km，其中在界首至都城37km河段内，自上而下分布有界首、蟠龙、新滩和都乐4个滩险，也称四滩河段。该河段主要支流有贺江、罗定江、新兴江等，控制性水文站有梧州站和高要站。因新兴江在高要站下游入汇，因此梧州站和高要站间主要支流只有贺江和罗定江，桂江在界首上游长洲枢纽至梧州站间入汇。该河段径流主要来自梧州站上游，根据多年平均径流量统计，梧州站约占高要站的93％，贺江来流约占高要站的4.1％。

该河段下游为季节性感潮河段，根据高要站多年水位观测资料，枯季多年平均潮差0.40m，洪季潮差基本为零，多年月平均潮位的年变幅约为6m，多年月平均潮位年变幅明显大于多年平均潮差，属潮汐影响不明显河段。

长洲枢纽是西江干流最下游的梯级，在界首上游约21km。枢纽于2003年开工，2007年双线船闸建成通航。船闸下游设计最小通航流量为1090m³/s。

以梧州站、高要站作为基本站，因高要站径流主要来自梧州站，故仅以梧州站为例进行分析。梧州站水文情势主要特征为，1986～2013年，年径流量总体相对平稳，受枯季来流偏少和长洲枢纽压咸补淡影响，近年来的年最小流量略有偏枯，2009～2012年连续4年的日均流量最小值低于航运基流1140m³/s，2009年的最小值仅为706m³/s，但总体来看，年最小流量并没有明显的趋势性变化。

将梧州站、高要站日均流量资料划分为1981～2006、1996～2006、1994～2013、2007～2013等系列年，根据不同系列年统计，与航道等级对应的综合历时98％保证率的流量，梧州站各系列年的统计值为1130～1160m³/s，各系列年间的变化较小；高要站1981～2006、1996～2006、1994～2013系列年的统计值为1260～1290m³/s，2007～2013系列年统计值为1160m³/s，长洲枢纽运行后有所减少。考虑到长洲枢纽运行后近期系列年数据更能代表未来变化趋势，以2007～2013年作为设计最小通航流量计算系列，高要站设计最小通航流量为1160m³/s，梧州站设计最小通航流量为1140m³/s，对应的长洲枢纽船闸下游设计最小通航流量为1090m³/s。

对两个基本站之间的河段，设上游站设计最小通航流量为Q_上，下游站设计最小通航流量为Q_下，则两站之间支流入汇流量Q_支＝Q_下-Q_上，当有多个支流入汇时，可根据多年平均径流量比例计算各支流入汇流量。据此，可以计算长洲枢纽至梧州站间的桂江入汇流量为50m³/s，梧州站至高要站间的贺江、罗定江主要支流入汇流量为20m³/s，根据贺江与罗定江径流量比例，推算贺江、罗定江入汇流量分别为12m³/s、8m³/s。

二)建立全河段平面二维水流数学模型，并进行验证，验证通过后进行后续步骤。

建立长洲枢纽至肇庆高要水文站间全河段平面二维水流数学模型，并用2011年4月枯水期水文资料对模型进行验证，在数学模型验证精度满足规范要求后，进行水流数学模型计算。

三)确定基本站通航特征水位及河段沿程通航特征水位

本发明提出，确定基本站通航特征水位实现方式如下：

对位于河段下游属潮汐影响不明显河段的基本站，以日均水位系列计算通航特征水位；对位于枢纽下游近坝段的基本站，根据近期水位流量关系拟合函数计算设计最小通航流量对应的通航特征水位。

进一步地，本发明提出，潮汐影响不明显河段主要通过多年月平均潮位年变幅与多年平均潮差的比值来判断；当大于1时，为潮汐影响不明显河段。

实施例中，高要站位于潮汐影响不明显河段，将其日均水位资料划分为1981～2006、1996～2006、2007～2013等系列年，根据不同系列年统计，与航道等级对应的综合历时98％保证率的水位，各系列年的统计值为0.82～0.88m，各系列年间的变化较小。以2007～2013年作为计算系列，高要站通航特征水位为0.83m。

梧州站位于长洲枢纽下游近坝河段，在长洲枢纽建成运行后，受采砂、枢纽运行、航道整治等因素影响，同流量下的水位在经过大幅下降后，2011～2013年同流量的水位流量关系逐渐趋于稳定，从偏安全角度考虑，以设计最小通航流量1140m³/s对应的2012年水位1.87m作为通航特征水位。

本发明提出，确定河段沿程通航特征水位实现方式如下：

根据河段水文特性，计算确定基本站通航特征水位，对两个基本站之间的河段，设上游站、下游站通航特征水位分别为Y_上、Y_下；

采用全河段平面二维水流数学模型，以枢纽下游设计最小通航流量、各基本站设计最小通航流量及支流入汇流量、模型出口附近基本站的通航特征水位作为边界条件，计算上游站、下游站对应的数学模型水位分别为X_上、X_下，并计算两站间某断面的数学模型水位为X，则该断面的通航特征水位Y由下式计算，

实施例中，对于梧州站至高要站间的河段，Y_上、Y_下分别为1.87m、0.83m。

四)选择典型潮汐过程并计算潮汐影响范围及对沿程设计最低通航水位的影响

本发明提出，根据模型出口附近基本站的历史最低潮位及潮差情况，选择低潮位、潮差特征接近的实测逐时潮汐水位资料作为典型潮汐过程；采用全河段平面二维水流数学模型，以枢纽下游设计最小通航流量、各基本站设计最小通航流量及支流入汇流量、模型出口附近基本站的典型潮汐过程作为边界条件，计算潮汐影响下的沿程水位日内变化过程；设典型潮汐过程影响当天某分析断面的逐时水位为Z_i，i＝0，1，2…23，日最低水位为Z_m，以算术平均法按下式计算日均水位

潮汐影响值

在以潮汐影响临界处的ΔZ＝α作为判别指标，确定潮汐影响范围，包括当ΔZ≥α，确定该分析断面受潮汐影响，当ΔZ＜α，确定该分析断面不受潮汐影响。

参见图3，实施例中，根据高要站的历史最低潮位及潮差情况，选择低潮位、潮差等特征与其接近的2013年2月13日实测逐时潮汐水位资料作为典型潮汐过程，当天平均水位为1.07m，最低潮水位为0.68m，两者差值0.39m。

采用平面二维水流数学模型计算潮汐对河段沿程设计最低通航水位的影响，长洲枢纽、桂江、贺江、罗定江等模型进口的流量为设计最小通航流量或入汇流量，模型出口高要站水位选择2013年2月13日的实测潮汐过程。设典型潮汐过程影响当天某分析断面的逐时水位为Z_i(i＝0，1，2…23)，日最低水位为Z_m，以算术平均法按下式计算日均水位

潮汐影响值

在以潮汐影响临界处的ΔZ＝α作为判别指标，可以确定潮汐影响范围，当ΔZ≥α，受潮汐影响，当ΔZ＜α，不受潮汐影响。

请参见图4，当潮汐影响范围判别参数α取经验值0.05m时，当天潮汐影响最远到A点，大概在界首滩附近。西江肇庆至界首河段，越往上游，潮汐影响越弱，都乐滩处的潮汐影响约为0.13m。

五)选择枢纽下泄的典型非恒定流流量过程并计算非恒定流影响范围及对沿程设计最低通航水位的影响

本发明提出，根据枯水期枢纽调峰运行情况，选择基流与设计最小通航流量接近的实测逐时流量资料作为枢纽下泄的典型非恒定流流量过程；采用全河段平面二维水流数学模型，以枢纽下泄的典型非恒定流流量过程，各支流入汇流量、模型出口附近基本站的通航特征水位作为边界条件，计算枢纽下泄典型非恒定流影响下的沿程水位日内变化过程；设典型非恒定流过程影响当天某分析断面的逐时水位为H_i，i＝0，1，2…23，日最低水位为H_m，以算术平均法按下式计算日均水位

非恒定流影响值

在以非恒定流影响临界处的ΔH＝β作为判别指标，确定枢纽下泄的该典型非恒定流影响范围，包括当ΔH≥β，确定该分析断面受非恒定流影响，当ΔH＜β，确定该分析断面不受非恒定流影响。

参见图5，实施例中根据枯水期枢纽调峰运行情况，选择基流与设计最小通航流量接近的2013年2月13日梧州站实测逐时流量资料作为枢纽下泄的典型非恒定流过程。当天梧州站逐时流量在1540～2050m³/s间，流量变幅510m³/s。

采用平面二维水流数学模型计算枢纽下泄非恒定流对河段沿程设计最低通航水位的影响，桂江、贺江、罗定江等模型进口的流量为设计最低通航流量情况下各支流的入汇流量，长洲枢纽进口的流量选择2013年2月13日实测枢纽下泄的非恒定流过程，模型出口为高要站通航特征水位0.83m。

设典型非恒定流过程影响当天某分析断面的逐时水位为H_i(i＝0，1，2…23)，日最低水位为H_m，以算术平均法按下式计算日均水位

非恒定流影响值

在以非恒定流影响临界处的ΔH＝β作为判别指标，可以确定枢纽下泄的该典型非恒定流影响范围，当ΔH≥β时，受非恒定流影响，ΔH＜β，不受非恒定流影响。请参见图6，当非恒定流影响范围判别参数β取经验值0.05m时，该典型非恒定流影响最远至B点，大概在蟠龙滩附近。长洲枢纽下游河段，距离坝址越远，枢纽下泄非恒定流影响越弱，梧州站处的非恒定流影响约为0.1m。

六)确定枢纽下游径流与潮流过渡河段沿程设计最低通航水位

本发明提出，根据步骤三)所得基本站的通航特征水位及河段沿程通航特征水位，步骤四)所得潮汐影响范围及影响值、步骤五)所得非恒定流影响范围及影响值，由下式计算并确定河段沿程设计最低通航水位，

其中，D为沿程某分析断面的设计最低通航水位。

请参见图7，为西江梧州站至高要站之间河段沿程设计最低通航水位变化图，其中梧州站为1.77m，高要站为0.44m。

具体实施时，若研究河段有航道整治工程，本领域技术人员还应考虑航道整治工程对沿程设计最低通航水位的影响。

具体实施时，以上流程可采用计算机软件方式实现自动运行。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。