一种确定感潮河段底床摩擦系数的方法

摘要

本发明提供一种确定感潮河段底床摩擦系数的方法，通过在感潮河段设置若干个观测点，在若干时刻测量所有观测点的水面高程数据；建立部分反射波理论，构建感潮河段的潮波传播特性水面高程方程；将测量所得数据按所述水面高程方程拟合，推算潮波反射系数、潮波波数和阻尼模数，计算瞬时水力坡降；结合指定观测点所测量的最大流速及水力半径，代入曼宁公式，计算得到感潮河段的指定测量点的曼宁系数n，作为指定测量点位置的底床摩擦系数。本发明不仅适用于非恒定非均匀流的感潮河段，也适用于恒定均匀流的河段；提高了底床摩擦系数的计算准确度，同时降低了科研人员的时间及人力成本。

说明书

技术领域

本发明涉及河段底床摩擦系数计算技术领域，尤其是涉及一种基于曼宁方程的感潮河段底床摩擦系数计算方法。

背景技术

感潮河段(Tidal reaches of the Estuary)为衔接河川及海洋之交界面，此处具有丰富之生态资源，提供充分之食物与水源，并为内陆与海洋之运输重要管道，故常为人口高度密集之区域，世界重要都市及著名商港皆座落于感潮河川岸上。对感潮河段进行相关整治工作前，首先需了解掌握其水理变化特性，因此对感潮河段之水理分析(Hydrodynamicanalysis)工作就显得相当重要。一般在河口感潮河段的水理分析上，大多直接以曼宁公式(Manning formula)推算流速(Tidal current velocity)，且以表面水位高程变化为其水力坡降，以底床粒径大小法推估曼宁系数值。

但是感潮河段潮流水面的高程变化因底床摩擦阻力而衰减，因为河道束缩反射而壅升，即水面高程变化为摩擦衰减与反射壅升的合并效应，所以其流况为一复杂的非恒定非均匀流况，其水面高程变化为非线性曲线函数；正因为感潮河段的潮波是非恒定非均匀流(Unsteady Non-uniform flow)，所以依现有方法其计算结果误差非常大。

而且如果运用依据感潮河段底床粒径大小推估曼宁系数的方法，除需在潮汐全潮时采集现场潮位观测数据外，亦需针对河口段进行全河段的底床粒径大小采集量测工作，这样一来所耗费的人力、物力及时间相当庞大，通常需要水利公共部门机构组织方能进行长期观测和采集，或长期项目基金的支持才能完成，非一般高校教师及专业研究学者所能负担。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出一种确定感潮河段底床摩擦系数的方法，通过在感潮河段设置若干个观测点，在若干时刻测量所有观测点的水面高程数据，建立部分反射波理论 (Partial reflection wave)，构建感潮河段的潮波传播特性水面高程方程；拟合推算潮波反射系数ω、潮波波数κ、阻尼模数μ，计算瞬时水力坡降S

具体的，一种确定感潮河段底床摩擦系数的方法，基于曼宁公式，其特征在于，包括以下步骤：

S1在感潮河段设置N个观测点x

S2建立部分反射波理论，构建感潮河段的潮波传播特性水面高程方程η(x

S3将所述水面高程数据η

S4测量所述感潮河段的指定测量点x

S5将瞬时水力坡降S

所述观测点x

所述水面高程数据η

所述水面高程方程η(x

η(x

上式中，η

所述潮波反射系数ω的取值范围为0至1，例如ω＝0为前进波，ω＝1为全反射波。

进一步的，所述瞬时水力坡降方程S

所述S

进一步的，本发明不仅适用于非恒定非均匀流的感潮河段，也适用于恒定均匀流(Steady Uniform flow)的河段，但不限于此。

本发明提供一种确定感潮河段底床摩擦系数的方法，通过在感潮河段设置若干个观测点，在若干时刻测量所有观测点的水面高程数据；建立部分反射波理论，构建感潮河段的潮波传播特性水面高程方程；将测量所得数据按所述水面高程方程拟合，计算瞬时水力坡降；结合所测量的最大流速及水力半径，代入曼宁公式，计算得到感潮河段的指定测量点的曼宁系数 n，即指定测量点位置的底床摩擦系数。本发明提高了底床摩擦系数的计算准确度，同时降低科研人员的时间及人力成本。

本发明的有益效果在于，克服了因感潮河段的潮波是非恒定非均匀流，直接采取曼宁公式计算误差比较大的问题，同时降低科研人员的时间及人力成本；且本发明后续进一步能将方法步骤，及潮位观测值、潮流速度、曼宁系数等参数编写为软件程序，嵌入如潮位仪等水文量测仪器內，或者整合为手机App，即可对河口之感潮河段的水理分析，进行更全面性、实时性及可持续发展性的研究。

附图说明

图1为本发明所述的一种确定感潮河段底床摩擦系数的方法流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，具体的，一种确定感潮河段底床摩擦系数的方法，基于曼宁公式，其特征在于，包括以下步骤：

S1在感潮河段设置N个观测点x

所述观测点x

所述水面高程数据η

S2感潮河段潮波的传播特性应非仅仅为驻波或前进波，需考虑阻尼潮波传入河口内，因河道束缩、渠道陡峻坡度或封闭地形，例如闸门或人工结构物等因素的影响，产生潮波反射现象，同时受底床摩擦效应导致潮波的振幅阻尼衰减，在此基础上建立部分反射波理论，构建感潮河段的潮波传播特性水面高程方程η(x

所述水面高程方程η(x

η(x

上式中，η

S3将所述水面高程数据η

S4测量所述感潮河段的指定测量点x

S5将所述指定观测点的x

进一步的，本发明不仅适用于非恒定非均匀流的感潮河段，也适用于恒定均匀流的河段，但不限于此。

优选的，本发明选取基隆河感潮河段作为方法计算对象，因为基隆河的河床坡度平缓，集水区地势低洼，所以其感潮河段较长；依2004至2018年分析资料显示，基隆河感潮河段自河口往上游之n值为0.02至0.045，河道底床粗糙度已呈稳定趋势；本发明采用基隆河感潮河段的时刻t

时刻t

表1基隆河感潮河段(2005/6/22退潮)各潮位站发生最大潮流速度时的水面高程

根据于2005年6月22日基隆河的各个观测站水面高程数据，拟合得到K

2005年6月22日在基隆河百龄桥站，x

进一步的，时刻t

表2基隆河感潮河段(2006/9/13退潮)各潮位站发生最大潮流速度时的水面高程

根据于2006年9月13日基隆河的基隆河的各个观测站水面高程数据，拟合得到K

2006年9月13日在基隆河百龄桥站，x

采用以粒径大小推估曼宁系数的方法，计算基隆河百龄桥站的曼宁系数n值为0.025至 0.030s/m

以上所述实施例仅表达了本发明的其中一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。