[发明专利]河床冲淤调整过程中综合阻力变化合成计算方法

说明书

本发明提供一种河床冲淤调整过程中综合阻力变化合成计算方法，在深刻理解河床综合阻力物理组成的基础上，引入分形理论进行河床演变基本数据的分析与量化，首先利用河床表面分形维数可以独立河床形态大中尺度调整的特点，研究基于床面分形度量的形状阻力计算方法；同时，通过床沙质量分形维数来度量床沙级配调整，并得到基于床沙质量分维的沙粒阻力计算方法，而后相加得到剧烈冲淤调整过程中河床综合阻力计算方法。本发明补充了《河工模型试验规程(SL99‑2012)》中关于动床和床沙级配变化情况下河床综合阻力的取值方法，对河流模拟和动力特性有直接帮助，并有利于探索剧烈冲淤过程中河流特征水位的变化机理和趋势预测。

技术领域

本发明涉及水力学及河流动力学领域，具体涉及一种河床冲淤调整过程中综合阻力变化合成计算方法。

背景技术

糙率是河流数学模型中最为敏感的水力学参数之一，其初始糙率通常由模型起始条件率定得来。过去，在自然河流冲淤相对平衡的状态下，同流量下(淹没范围)的河床糙率一般不会有大的浮动，此时河床冲淤所带来糙率的变化是可以忽略的，整个冲淤模拟过程中糙率参数一般不用调整，也不会对水位、冲淤分布等相关的预测结果带来大的影响。但是，随着当前自然条件的变化和人类活动越来越多的干扰到自然河流，不平衡状态下的河床冲淤调整越来越多，河床大幅度的冲刷或淤积，使床面形态和床沙组成发生较大程度的变化，甚至发生大型堆积体(洲、滩)的冲淤调整以及床沙特性的改变，如三峡水库下游宜枝河段，其必然引起河床综合糙率的明显变化，此时，对河床阻力变化的准确判断将影响着、甚至决定着基于河流模拟得来的相关预测结果的精确性。根据《河工模型试验规程(SL99-2012)》，糙率n的确定，在动床时应考虑沙波等形状阻力的影响，河床组成有调整时还应再考虑沙粒阻力的调整。因此，河床冲淤调整过程中综合糙率变化主要应考虑形状阻力和沙粒阻力两者的综合效应。

在以往的研究中，对沙波、沙垄等形状阻力变化尚缺乏直接计算方法，多是由水流数据反算得来；沙粒阻力变化则多采用床沙某一特征粒径如D₅₀、D₉₀在冲淤前后的变化作为主要参数来概化表达。在实际河流模拟中，水流数据是模拟的结果，合理的糙率取值是准确模拟的前提。因此，糙率变化的计算必须在无水流数据的条件下得出。目前亟需一种可以仅依据河道水下地形和床沙级配组成直接计算得到综合糙率的方法，以供剧烈冲淤过程中河流模拟模型采用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种河床冲淤调整过程中综合阻力变化合成计算方法，在深刻理解河床综合阻力物理组成的基础上，引入分形理论进行河床演变基本数据的分析与量化，首先利用河床表面分形维数可以独立河床形态大中尺度调整的特点，研究基于床面分形度量的形状阻力计算方法；同时，通过床沙质量分形维数来度量床沙级配调整，并得到基于床沙质量分维的沙粒阻力计算方法，而后相加得到剧烈冲淤调整过程中河床综合阻力计算方法，整个技术路线方案由分割到集成，各个突破、最后综合研究。

一种河床冲淤调整过程中综合阻力变化合成计算方法，包括如下步骤：

步骤一、河床综合阻力分割

河床综合阻力由沙粒阻力、沙波阻力、河势阻力、成型淤积体阻力4部分构成，其中沙粒阻力亦称肤面阻力，主要与河床阻力有关；沙波阻力、河势阻力、成型淤积体阻力均与河床形态有关、对应河床形态的不同尺度，统称为形状阻力；

河床综合阻力的划分采用沙粒阻力与形状阻力两者相加的方式进行，公式表达如式(1)：

n＝n_b+n_f (1)

式中，n为河床综合阻力，n_b为沙粒阻力，n_f为形状阻力；

步骤二、计算沙粒阻力n_b