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    基于改進(jìn)Froude數(shù)的太子河流域河相形態(tài)分析

    2022-03-24 04:48:16
    水利技術(shù)監(jiān)督 2022年3期
    關(guān)鍵詞:太子河河槽典型

    王 超

    (遼寧西北發(fā)電有限責(zé)任公司,遼寧 本溪 117200)

    1 概述

    通過(guò)河相形態(tài)變化分析可以對(duì)河道演變過(guò)程有較為清晰的認(rèn)識(shí),從而為河道綜合治理提供重要的分析依據(jù)[1]。近些年來(lái),國(guó)內(nèi)對(duì)于河相形態(tài)的分析主要通過(guò)水深型Froude數(shù)進(jìn)行分析[2- 7],但該系數(shù)只能對(duì)單一典型斷面縱向、橫向河相形態(tài)變化進(jìn)行分析,而不能對(duì)河道沿程范圍內(nèi)的演變過(guò)程進(jìn)行分析,對(duì)整個(gè)河道流域內(nèi)河道形態(tài)總體分析具有一定的局限性。為此有學(xué)者采用對(duì)傳統(tǒng)水深型Froude數(shù)進(jìn)行改進(jìn),提出一種基于面積型的Froude數(shù),可實(shí)現(xiàn)河道沿程河相形態(tài)的分析,并在國(guó)內(nèi)一些河道治理實(shí)踐中得以應(yīng)用[8- 15]。本文采用基于面積型的Froude數(shù),以太子河流域?yàn)樵圏c(diǎn)區(qū)域,對(duì)該河流典型斷面河相形態(tài)進(jìn)行分析計(jì)算。研究成果為太子河流域河道形態(tài)演變分析提供參考和借鑒,對(duì)遼寧地區(qū)其他河流沿程河相形態(tài)分析也具有重要的參考價(jià)值。

    2 面積型Froude數(shù)計(jì)算原理

    面積型Froude數(shù)結(jié)合斷面地形測(cè)量數(shù)據(jù),對(duì)其縱向、橫向系數(shù)分別進(jìn)行計(jì)算:

    (1)

    (2)

    式中,φb、φh′—縱向、橫向河相系數(shù);Q—河道穩(wěn)定期流量均值,m3/s;B—橫斷面寬度,m;J—縱向比降,‰。φb和φh′計(jì)算值越高其縱向、橫向河道形態(tài)變化越穩(wěn)定。對(duì)橫向、縱向河相系數(shù)進(jìn)行綜合計(jì)算:

    (3)

    式中,φ—綜合河相系數(shù)。面積型積Froude數(shù)對(duì)河道形態(tài)綜合指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算:

    (4)

    式中,Zw—河道形態(tài)綜合指標(biāo);X*、Y*—河道橫向、縱向地形指數(shù);rs、r—河床粗砂、細(xì)砂粒徑,mm;D50—50%粗砂粒徑,mm。在河道形態(tài)綜合指標(biāo)計(jì)算基礎(chǔ)上,對(duì)其河道形態(tài)的面積Froude進(jìn)行計(jì)算:

    (5)

    式中,F(xiàn)rA—面積Froude數(shù);g—河道地形參數(shù)。

    3 基于面積型Froude數(shù)的太子河河道形態(tài)分析

    3.1 流域概況

    太子河流經(jīng)遼寧省本溪市、遼陽(yáng)市,在盤錦地區(qū)與渾河交匯后入海。太子河上游為典型的山區(qū)型河流,下游為平原區(qū),上游河道比降較大,下游河道比降較低,流域平均比降為0.125%。太子河河床粗砂、細(xì)砂粒徑小于5mm的占比超過(guò)30%。

    3.2 典型河段河相綜合指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

    從太子河上游到下游依次選取20個(gè)典型斷面,結(jié)合斷面縱向、橫向地形測(cè)量數(shù)據(jù),結(jié)合河相綜合指標(biāo)計(jì)算方程對(duì)各斷面河相綜合指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

    表1 太子河流域典型河段河相綜合指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

    各典型斷面河相形態(tài)綜合指標(biāo)計(jì)算結(jié)果表明:各典型斷面縱向、橫向河相系數(shù)沿程變化較大,主要和河道地形指數(shù)具有較高的關(guān)聯(lián)度??v向、橫向河相系數(shù)越高表明其河道斷面變化相對(duì)穩(wěn)定。上游斷面縱向、橫向河相系數(shù)相對(duì)較高,河道總體河相形態(tài)較為穩(wěn)定;下游平原區(qū),河道淤積變化較大,河道縱向河相系數(shù)主要和河道泥沙輸移能力關(guān)聯(lián)度較高,由于下游河道泥沙輸移能力相對(duì)較差,使得下游縱向河相系數(shù)有所減弱,河道的河相穩(wěn)定性較低。

    各典型斷面橫向河相系數(shù)變化規(guī)律表明:橫向系數(shù)相比于縱向系數(shù)沿程變化的差異性有所降低,上下游橫向河相系數(shù)沿程差異性較小,河道沿程橫向變化相對(duì)較為穩(wěn)定;綜合指標(biāo)和縱向指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)度較高,是綜合指標(biāo)變化的主因,上下游綜合指標(biāo)變化和縱向指標(biāo)變化趨勢(shì)較為一致。

    3.3 面積型Froude數(shù)計(jì)算結(jié)果

    在綜合河相指標(biāo)分析的基礎(chǔ)上,按照面積型Froude數(shù)的計(jì)算方法,對(duì)太子河流域上下游選取的20個(gè)典型斷面的面積型Froude數(shù)進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

    表2 太子河典型河段斷面面積型Froude數(shù)計(jì)算結(jié)果

    20個(gè)典型河道斷面面積型Froude數(shù)計(jì)算結(jié)果表明:太子河游蕩型的河段的面積型Froude數(shù)低于0.07,分叉型河段的面積型Froude數(shù)在0.07~0.085之間,彎曲性河段的面積型Froude數(shù)高于0.085。從沿程分布可看出,面積型Froude數(shù)越大,其河道形態(tài)變化相對(duì)越穩(wěn)定,面積型Froude數(shù)和河相系數(shù)相關(guān)度較高。

    3.4 不同年代際改進(jìn)前后Froude數(shù)與河相系數(shù)相關(guān)度對(duì)比

    根據(jù)20個(gè)典型斷面不同年代際(分別選取1990—1999年,2000—2009年,2010—2018年)斷面地形數(shù)據(jù),分別計(jì)算并對(duì)比改進(jìn)前后Froude數(shù)與河相系數(shù)關(guān)聯(lián)度,計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

    圖1 改進(jìn)前后Froude數(shù)與河相系數(shù)相關(guān)度對(duì)比

    從不同年代際各典型斷面改進(jìn)前后Froude數(shù)與河相系數(shù)相關(guān)度對(duì)比結(jié)果可看出:基于水深型Froude數(shù)與不同年代際的河相系數(shù)散點(diǎn)較為紊亂,改進(jìn)后基于面積型Froude數(shù)與不同年代際的河相系數(shù)的散點(diǎn)紊亂度較低,面積型Froude數(shù)與河相系數(shù)的關(guān)聯(lián)度要好于改進(jìn)前,不同年代際散點(diǎn)集中度也得到一定程度的提高。

    從各年代際的散點(diǎn)圖分布情況可看出,20世紀(jì)90年代改進(jìn)前后的Froude數(shù)關(guān)聯(lián)度均較較低,主要是這一時(shí)期太子河流域河道變化相對(duì)較大,而進(jìn)入2000年以后,隨著太子河流域綜合整治,河床形態(tài)得到一定程度的改善,改進(jìn)前后的Froude數(shù)與河相系數(shù)的關(guān)聯(lián)度也得到一定程度的提高,河道形態(tài)的穩(wěn)定程度有所提高。

    3.5 河槽流量與河相系數(shù)關(guān)聯(lián)分析

    河槽流量是河相系數(shù)的主要影響因素,根據(jù)各典型斷面河槽流量均值,結(jié)合計(jì)算的河相系數(shù),建立河槽流量和河相系數(shù)之間的關(guān)聯(lián)方程,并對(duì)關(guān)聯(lián)方程進(jìn)行誤差檢驗(yàn),結(jié)果如表3所示。

    表3 不同河槽流量與河相系數(shù)關(guān)聯(lián)方程及誤差檢驗(yàn)結(jié)果

    從不同河槽流量與河相系數(shù)關(guān)聯(lián)方程及誤差檢驗(yàn)結(jié)果看出:建立的太子河不同河槽流量和河相系數(shù)關(guān)聯(lián)方程誤差值均低于15%,實(shí)測(cè)值和擬合值總體差值均在±5.0之間,表明建立的太子河不同河槽流量和河相系數(shù)方程具有較好的關(guān)聯(lián)度,擬合方程可以用來(lái)推求不同河槽流量下的河相系數(shù)。通過(guò)對(duì)不同擬合方程的關(guān)聯(lián)系數(shù)結(jié)果,不同河槽流量和河相系數(shù)具有較好的關(guān)聯(lián)度,關(guān)聯(lián)系數(shù)高于0.7。

    4 結(jié)語(yǔ)

    (1)在采用改進(jìn)的面積型Froude數(shù)進(jìn)行河相系數(shù)計(jì)算時(shí),游蕩型河段的面積型Froude數(shù)低于0.07,分叉型河段的面積型Froude數(shù)在0.07~0.085之間,彎曲性河段的面積型Froude數(shù)高于0.085。

    (2)通過(guò)建立不同河槽流量和河相系數(shù)關(guān)聯(lián)方程,可以通過(guò)設(shè)置主槽流量來(lái)定量推求其河相系數(shù)變化,從而為河道治理影響提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

    (3)文章對(duì)河相形態(tài)系數(shù)影響因素尚未做進(jìn)一步的分析探討,后續(xù)研究中應(yīng)結(jié)合改進(jìn)的面積型Froude數(shù)對(duì)河相形態(tài)系數(shù)因素進(jìn)行分析,合理確定河槽流量和河相系數(shù)關(guān)聯(lián)方程的變量因子,以提高關(guān)聯(lián)方程的擬合度。

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