[发明专利]天然河道推移质输沙率的估算方法

权利要求书

1.一种天然河道推移质输沙率的估算方法，其特征在于：它包括以下步骤：

步骤1)：获取边界条件：利用声学多普勒流速剖面仪测量河道断面地形及流场分布，采样得到泥沙的粒径级配及其沿河宽方向的变化；

步骤2)：划分子断面：将整个河道断面沿河宽方向分为若干子断面；

步骤3)：计算各子断面的河床阻力系数：根据声学多普勒流速剖面仪的测量结果，明确各子断面的河床阻力系数；

步骤4)：计算各子断面的平均流速：

步骤5)：计算各子断面的沙波波高、运动速度：根据各子断面的水深、流速、泥沙粒径级配，确定推移质泥沙的中值粒径，并计算各子断面沙波的波高、运动速度；

步骤6)：计算整个断面的推移质输沙率：根据沙波的波高、运动速度确定各子断面的推移质输沙率，进而得到整个断面的推移质输沙率，即天然河道推移质输沙率；

步骤3)中，根据声学多普勒流速剖面仪关于流场、地形测量的结果，确定各子断面的过流量Q_0i、水深H_0i、宽度W_0i，结合曼宁公式，计算各子断面的河床阻力系数n_i如下；其中，角标i表示断面序号，i＝1、2…N；

其中，J₀为水力坡降，为未知量且不随子断面i发生变化，H_0i、W_0i、Q_0i分别为各子断面的水深、宽度、过流量；

从而，得到各子断面对应n_i值的比例，即，n₁：n₂：…n_i：…n_N；

步骤4)中，针对河道断面的流量Q，通过水位与流量关系得到相应的河道水位Z；将河道水位与河道地形高程结合，得到各子断面的水深H_i、宽度W_i；根据子断面的河床阻力系数n_i，通过如下公式(2)的曼宁公式，计算各子断面的流量分配比，即Q₁：Q₂：…Q_i…Q_N；

结合整个断面的过流量Q，得到子断面的过流量Q_i和平均流速U_i＝Q_i/(H_i·W_i)；

步骤5)中，在已知U_i、H_i的基础上，结合泥沙起动流速公式，确定推移质泥沙的上限粒径D_i^上；

其中，γ_s为泥沙容重，γ为水的容重，g为重力加速度；

进一步地，结合Shields曲线，推求摩阻流速u_*i，即，

其中，为Shields数Θ，为沙粒雷诺数Re_*，ν为水的粘滞系数，f()即Shields曲线；通过改变u_*i进行试算，使得以Re_*为横坐标、以Θ为纵坐标的点落在Shields曲线上；此时的u_*i即公式(4)的计算值；

结合泥沙悬浮指标，确定推移质泥沙的下限粒径D_i^下，即

其中，卡门常数κ＝0.4，ω_i为粒径D_i^下泥沙的沉降速度，采用张瑞瑾公式进行求解，

粒径小于D_i^上且大于D_i^下的非均匀沙即推移质；根据泥沙级配曲线，可以得到推移质的粒径组成，进而计算推移质的中值粒径D_mi；

结合下式，计算该子断面沙波的波高Δ_i，

沙波的运动速度c_i可通过如下公式得到，

2.根据权利要求1所述的天然河道推移质输沙率的估算方法，其特征在于：针对河道断面的流量Q，通过水位与流量的关系得到河道水位Z，结合河道地形确定各子断面的水深、宽度，结合河床阻力系数得到各子断面的平均流速。