[发明专利]漫滩弯曲河道水深平均水流流向预测方法

说明书

本发明公开了一种漫滩弯曲河道水深平均水流流向预测方法，仅需要根据漫滩弯曲河道的相对水深、弯段几何形态及待预测断面位置，便可对弯曲河道入弯断面与弯顶断面之间的任意断面水深平均水流流向实现预测，不仅具有较高的预测效率和准确性，而且不需要开展流速测量工作或者其它勘探工作，在本领域具有广泛的通用性。

技术领域

本发明属于水力学及河流动力学领域，涉及一种弯曲河道水深平均水流流向预测，具体涉及一种漫滩弯曲河道入弯断面至弯顶断面之间的水深平均水流流向预测方法。

背景技术

为了平衡上游来沙及河床冲淤变化，天然河道会自行演变发展成为较稳定的弯曲河道。枯水期时，上游来流量较小，弯曲主河道能够独立完成水流下泄任务，两侧滩地并不过流。但在汛期时，上游来流量变大，弯曲主河道无法输运全部洪水，此时，洪水漫过两侧滩地，形成漫滩河道，弯曲主槽和两侧滩地一起输运洪水。

在没有漫滩的弯曲河道中，水流沿弯曲主河道向下游流动，每个断面处的过流能力几乎相同，规律简单。但是，在漫滩弯曲河道中，情况就变得异常复杂了。这是因为在漫滩弯曲河道中，主河道水流与滩地水流之间的动量交换会改变主河道沿程二次流的发展过程及主河道过流能力，最终改变弯曲主河道中水流流向。能够准确确定弯曲主河道水流流向对于开展漫滩弯曲河道或航道的数值模拟计算及河道演变趋势预测有很大的帮助。

漫滩弯曲主河道形态如图1及图2所示。经研究表明，漫滩弯曲主河道的水流流向与相对水深Dr、入弯断面(弯曲河道起始位置垂直于主河道水流流向的断面)与弯顶断面(弯曲河道中心位置垂直于主河道河流流向的断面)之间的夹角θ_geo、入弯断面和弯顶断面之间任一位置x处断面与弯顶断面之间的夹角θ_x三个要素相关：其中H为弯曲河道的主河道水深，h主河道深度，相对水深越小，滩地水流对主河道水流的影响越小，对水流流向的影响越小；(2)θ_geo越大表明弯曲主河道水流流向与滩地水流流向的差别越大；(3)断面位置越接近入弯断面(即θ_x越大)，主河道水流流向受滩地影响越大，反之，断面位置越接近弯顶断面(即θ_x越小)，主河道水流流向受滩地影响越小。

目前虽然开展了大量的试验和数值模拟探讨水流流向在弯曲主河道中的变化规律；然而，截至目前国内外还没有找出机理明确、结构简单且计算准确的弯曲主河道水深平均水流流向的横向平均值预测方法。

发明内容

针对目前缺少漫滩弯曲河道入弯断面至弯顶断面之间任意断面水深平均水流流向的技术现状，本发明提供了一种漫滩弯曲河道水深平均水流流向预测方法，以实现运用河道基本水流参数(Dr)和几何形态参数(θ_geo和θ_x)直接得到水深平均水流流向的横向平均值，从而实现对漫滩弯曲河道入弯端面至弯顶断面之间任意断面水深平均水流流向的预测，这里预测的水流流向是漫滩弯曲河道主河道入弯端面至弯顶断面之间任意断面水深平均水流流向。

本发明提供的漫滩弯曲河道水深平均水流流向预测方法，包括以下步骤：

(1)计算弯曲河道弯顶断面的水流雷诺数Re，若Re＞Rel，则判定弯曲河道内的水流为湍流，进入步骤(2)，若Re≤Rel，程序结束，Rel为发生湍流的临界雷诺数；

(2)计算弯曲河道的弯曲度s，若弯曲河道的弯曲度s满足1s1.6，则判定弯曲河道为中等弯曲度河道，进入步骤(3)，若s≥1.6，弯曲河道为大弯曲度河道，程序结束；

(3)测量弯曲河道待预测水流流向断面与弯顶断面之间的夹角θ_x，若θ_x≤θ_geo，则判定待预测水流流向断面的位置在入弯断面与弯顶断面之间，进入步骤(4)，否则，程序结束；θ_geo为入弯断面与弯顶断面之间的夹角；