[发明专利]一种弯曲河道河床冲淤变形的估算方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种弯曲河道河床冲淤变形的估算方法，属于河流演变分析技术领域。

背景技术

在河流工程实践中，往往需要测算河道的河床冲淤变形，并借此判断由河床冲淤引起的河道深槽或浅滩的位置和大小，以便为闸坝、桥渡、航道等涉水工程的设计、建设或维护提供依据。目前，河床冲淤变形的测算，一般采用以测深杆、测深锤或回声测深仪等仪器为基础的测量方法。其中，测深杆和测深锤一般适用于水深分别在5m和10m以内的浅水区；而对于水深流急的河段，则广泛采用回声测深仪。

尽管上述测深方法在河床冲淤变形测算方面广泛应用，但由于需要对待测河道内全部待测点进行施测，不仅耗费人力、物力和时间，且往往由于现场实际条件的限制(例如洪水影响)而不能实现，故其实际应用仍然受到很大程度的约束。此外，由于测量方法精度的限制，测算结果也往往表现出强烈的随机性，很难从整体上反映河床冲淤变形的规律。因此，若能发明某种符合河床冲淤变形规律的估算方法，将在局部范围(例如河岸附近)施测的若干特征数据推算至整个河道，则不仅可以节约测算成本和时间，也能更好地为河流工程实践服务。

弯曲河道是自然界中常见的冲积河型之一。目前，关于弯曲河道的平面几何形态和河床冲淤变形规律等方面，已有大量的研究成果，例如：

Langbein&Leopold(1966)在科研报告River Meanders–Theory of Minimum Variance.U.S.Geological Survey Professional Paper 422-H.Washington:U.S.Government Printing Office中，根据最可能流路的最小方差假说，推导出理想弯曲河道的断面中心线满足正弦派生曲线：

θ＝θ₀cos(2πξ_c)

式中，ξ_c为河道断面的无量纲纵向坐标，定义为ξ_c＝l_c/L，l_c为沿河道断面中心线测量的ξ_c断面上游距该断面最近的正拐点断面至ξ_c断面的有向距离，L为沿河道断面中心线测量的弯曲河道一个周期的长度；θ为ξ_c断面的偏转角；θ₀为ξ_c断面上游距该断面最近的正拐点断面的偏转角。这里需要说明的是，给定一个无量纲纵向位置或坐标，也就给定了一个断面，因此，ξ_c断面即为在ξ_c已有定义的情况下的河道断面。

其中，河道断面的偏转角定义为河道断面中心线沿水流方向与河谷轴线正向之间的夹角，且当该夹角在0°～180°之间时，河道断面为正断面，否则为负断面；拐点断面定义为河道断面中心线曲率为零的断面。

da Silva&El-Tahawy(2008)在期刊论文“On the location in flow plan of erosion-deposition zones in sine-generated meandering streams”.Journal of Hydraulic Research,46(sup1):49-60中，发表了有关正弦派生弯曲河道河床冲淤规律的实验研究成果，指出弯曲河道的河床冲刷-淤积区域总是周期性交替地出现在长度为L/2的河段内，且冲刷-淤积区域起始断面的位置可用如下公式表达：

式中，ξ_c0为冲刷-淤积区域起始断面的无量纲纵向坐标；θ₀如前所述为冲刷-淤积区域上游距该区域最近的正拐点断面的偏转角。

而无论是室内实验(如Ikeda&Nishimura(1986).“Flow and bed profile in meandering sand-silt rivers”.Journal of Hydraulic Engineering,112(7):562-579)还是现场观测(如Levi(1957).Dynamics of Alluvial Streams.Leningrad:State Energy Publishing)都表明：对于弯曲河道，其任一断面的冲刷面积与淤积面积都(近似)相等。