[发明专利]侵蚀基面下降后复式河道河床下切突变响应临界条件预测方法

说明书

本发明公开了一种侵蚀基面下降后复式河道河床下切突变响应临界条件预测方法，首先确定复式河道主槽流量、侵蚀基面下降后复式河道河床突变响应的临界主槽流量、临界主槽水深、临界主槽宽度、临界主槽深度，进而以临界主槽深度与主槽深度之差作为临界侵蚀基面下降高度，并以临界主槽流量和临界侵蚀基面下降高度作为复式河道河床下切突变响应临界条件。本发明结合冲积河流稳定坡度计算公式和复式河道滩槽流量分配计算模型，提出了侵蚀基面下降后复式河道河床下切突变响应的临界条件，可以预测不同频率洪水下复式河道临界侵蚀基面下降高度，填补了本领域该项技术的空白，对于保障实际工程中复式河道河势稳定具有重要意义。

技术领域

本发明属于水力学及河流动力学领域，涉及复式河道河床突变响应临界条件预测技术，具体涉及一种侵蚀基面下降后复式河道河床下切突变响应临界条件的预测方法。

背景技术

近年来，随着全球气候变化、自然灾害频发与人类活动增加，河流侵蚀基面发生突变的情况日益频繁。河流的侵蚀基面一般低于河道中建筑物的底端高程。在自然因素(构造作用、气候因素、环境因素等)或人为因素(拆除大坝、河道采砂、水资源开发利用等)作用下，河流侵蚀基面相对下降，水力坡度增加，导致河床发生溯源冲刷，致使局部河床冲刷并不断向上游冲刷。

以往学者对侵蚀基面降低后河床演变机理的研究认为，粗化作用使河道最终稳定坡度大于侵蚀基面降低前，下切深度向上游逐渐减小，溯源冲刷只能影响有限河段，称之为河道适应调整。然而，某些洪水漫滩河道在侵蚀基面下降后呈现截然不同的规律，其河道最终稳定坡度小于侵蚀基面降低前，即，上游河床下切深度甚至大于侵蚀基面下降高度，溯源冲刷持续向上游发展，称之为河道下切突变响应，这将对河流产生巨大危害。例如，四川省石亭江(沱江支流)双盛段的侵蚀基面于2013年汛期下降5米，距侵蚀基面上游仅2.5公里的河道下切深度达10米以上。2017年该河段侵蚀基面高程继续下降14米，上游河道最大下切深度达20米以上。侵蚀基面下降后引发的剧烈冲刷下切造成该河段两座桥梁基础破坏；同时，河道中的人民渠穿河涵洞(饮用水输水管道)受到严重破坏，威胁四川省绵阳市上百万人的饮水安全。

天然冲积河流大多是具有主槽和滩地的复式河道，枯水期时水流主要在主槽中流动，洪水发生时，水流漫过主河道两侧滩地形成漫滩水流。此外，在河道整治工程中，人们也经常采用复式断面以达到更好的防洪效果。若复式河道在侵蚀基面下降之后发生突变响应，河床严重冲刷下切，河流形态将剧烈变化甚至完全重塑。这不仅严重威胁涉河桥梁等建筑物和河岸保护结构的安全稳定性，也导致河流和地下水位下降，从而影响航运、港口运行和取水口效率。同时，还会显著影响河流生境，生物栖息地异质性降低，生态系统生物多样性降低，导致生态稳定性丧失。

因此，正确认识侵蚀基面下降后复式河道河床演变机制不仅具有重要的理论价值，也在水利、交通和生态等方面具有广泛的实际应用价值。然而，国内外目前没有能够准确预测侵蚀基面下降后复式河道河床下切突变响应临界条件的方法。

发明内容

针对目前难以有效预测侵蚀基面下降后复式河道河床下切突变响应临界条件的技术现状，本发明旨在提供一种预测方法，实现对侵蚀基面下降后复式河道下切突变响应临界条件的有效预测。

本发明所针对的是复式河道，复式河道由主槽(即主河道)及两侧滩地组成。在枯水期，水流多在主槽内流动，洪水期，水流溢出主槽漫上两侧较宽的滩地，主槽和滩地共同过流。主槽深度是指主河道河床底部至两侧滩地河床底部的高度。

本发明提供的侵蚀基面下降后复式河道河床下切突变响应临界条件预测方法，包括以下步骤：

S1确定复式河道主槽流量Q_mco；

S2确定侵蚀基面下降后复式河道河床突变响应的临界主槽流量Q_mcc；

S3确定侵蚀基面下降后复式河道突变响应的临界主槽水深H_c、临界主槽宽度b_c；