[发明专利]天然河道推移质输沙率的估算方法

说明书

本发明公开一种天然河道推移质输沙率的估算方法，包括步骤1）：获取边界条件；步骤2）：划分子断面；步骤3）：计算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；步骤6）：计算整个断面的推移质输沙率；本发明所提供的天然河道推移质输沙率的估算方法，可以快速、高效地预测任意流量条件下的推移质输沙率，克服了传统技术在经济投入、数据依赖等方面的不足，在本领域具有广泛的通用性和便捷性。

技术领域

本发明属于河流动力学技术领域，具体涉及一种天然河道推移质输沙率的估算方法。

背景技术

作为河流系统的重要组成部分，推移质泥沙直接参与造床作用，对河道防洪、大坝运行、桥梁安全、水生物生存以及河势演变等产生重要影响。若想实现对河流以及涉河建筑物的有效管理，离不开长历时、高频次的推移质运动数据作为支撑。目前，推移质输沙率的测算方法大致分为以下几类：1)数值模拟，即基于水沙动力学模型的计算机仿真，其缺点在于过度依赖数据的输入，包括整个河段的地形数据以及河段进、出口的水沙时间序列；2)现场勘探，即利用光学、声学等手段进行现场测量，其缺点在于经济投入较大，难以持续开展相关工作；3)公式计算，即基于理论或经验公式的计算求解，其缺点在于无法明确输沙率沿河宽方向的变化。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种天然河道推移质输沙率的估算方法，以克服现有技术在数据依赖、经费投入等方面的缺陷，在考虑河流天然特征的前提下，结合理论分析与公式运用，进行推移质输沙率的计算，具体应用过程中，可通过手动计算或计算机编程实现，具备相当的便捷性和通用性。

本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种天然河道推移质输沙率的估算方法，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。

优选地，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。

优选地，针对河道水位Z，通过水位与流量关系得到河道断面的流量Q，结合河道地形确定各子断面的水深、宽度，并结合河床阻力系数得到各子断面的平均流速。

优选地，步骤1)中，通过底泥采样器采集泥沙，若样品以粒径小于50微米的粉沙或粘粒为主，则使用激光粒度仪测量泥沙粒径级配；若样品以粒径大于50微米的沙粒或砾石为主，则使用筛分法测量泥沙级配。

优选地，步骤2)中，根据河道地形、水流运动沿横向变化的剧烈程度，将整个河道断面沿河宽方向分为N个子断面，而且，任意子断面均应满足宽深比大于5。

优选地，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；