[发明专利]一种基于流域梯田空间格局的坝地淤积比降计算方法

说明书

本发明公开了一种基于流域梯田空间格局的坝地淤积比降计算方法，首先构建流域中梯田三维空间布设模拟坐标体系，然后采用基于流域中梯田的三维空间布设坝地淤积比降计算表达式进行计算。可根据常规的气象、水文和流域特性参数(即沟道均宽B、水深h、流速v和水流挟沙力Ssubgt;*/subgt;等)资料，模拟、计算和预测不同降雨、尺度和工况布设的流域中梯田空间分布条件下坝地泥沙淤积坡降变化过程，为其他水力泥沙淤积计算提供基础。该方法设计的计算表达式物理意义明确、计算简便，经实测资料验证，精度较高。可广泛应用于黄土高原及世界其他生态治理地区的淤地坝规划设计及暴雨洪水安全的风险分析与评估。

技术领域

本发明属于水利、水保、土地整治及生态环境建设工程技术领域，具体涉及一种基于流域中梯田空间格局的坝地泥沙淤积比降计算方法。该方法可用于世界上水土流失最严重地区的黄土丘陵沟壑区的分析、计算、模拟、预测、规划和设计高治理小流域“坡-沟”复合整治工程优化设计和前期工程布设。

背景技术

梯田和淤地坝作为流域中坡面和沟道的重要水保措施，对减少坡面和沟道侵蚀，蓄水保土起到重要作用。目前世界上水土流失最严重的地区黄土高原，修建梯田六千余万亩，修建各类淤地坝约10万余座，对抑制黄土高原水土流失，减少黄河泥沙起到重要作用。但自上世纪90年代以来，进入黄河及其支流的水沙均出现大幅减少，且黄土高原南部地区许多流域淤地坝因上游来水来沙量少，淤地速率慢，须采用人工填沟办法进行治沟造地。随着黄土高原及黄河流域高质量发展，梯田及淤地坝建设迎来新的建设高潮，如何正确处理梯田与淤地坝的合理布局就成为一个迫切需要解决的问题。

关于淤地坝淤积库容计算，其核心是确定不同来水来沙条件下沟道纵向断面的淤积比降，并进行计算、模拟和预测。当确定了淤积比降与流域梯田格局在不同来水来沙条件下的关系，就可进一步确定其他水力学特性参数和淤积断面形态参数，从而确定淤地坝的淤积形态，为土地利用及淤地坝安全调控提供重要支撑。

发明内容

为了预防和减少区域性土壤侵蚀、保障坝控区内土地安全和实现淤地坝坝控区及所在流域水土资源的高效利用，本发明的目的在于，提供一种基于流域梯田空间格局的坝地淤积比降计算方法。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种基于流域梯田空间格局的坝地淤积比降计算方法，其特征在于，该方法首先构建流域中梯田三维空间布设模拟坐标体系，即：以流域出口断面最低点为原点O，水流方向的右螺旋90度为x轴方向，水流运动反方向为y轴方向，原点O垂直方向为z轴方向建立三维空间坐标系，与其相对应的三个梯田空间分布参数分别为：梯田相对水平距离L、布设面积占比A和布设高度；然后用如下式(1)所示的基于流域中梯田的三维空间布设坝地淤积比降计算表达式进行计算：

J_DB＝K_TS·W·S  (1)

式中，W为流域基础特征因子，S为降雨水沙特征因子，K_TS为流域中梯田三维空间布设综合系数；其中：

流域中梯田的三维空间布设综合系数K_TS中各特征值的测设、提取与计算按下式(2)计算：

式中，L为梯田相对布设水平距离，取值范围：0.1～1；A为梯田相对布设面积，取值范围：0.1～1；H_r为梯田布设相对高度，取值范围：0.1～1；

流域基础特征因子W中各特征值的测设、提取与计算用下式(3)计算：

W＝ζ^1/3  (3)

式中，ζ为断面河相系数，计算式为其中，h为水深，(m)；B为沟道均宽，(m)。

降雨水沙特征因子S中各特征值的测设、提取与计算用下式(4)计算：