[发明专利]一种具有可重复性的基于河段尺度的平滩水位确定方法

说明书

本发明提供一种具有可重复性的基于河段尺度的平滩水位确定方法，包括步骤：收集整个河段的数字化实测地形资料；读取整个河段的最低点、最高点高程，并以此为范围，以水位为横坐标、槽蓄量为纵坐标绘制河段槽蓄量与水位的关系曲线；利用二阶导数确定曲线的拐点，该点对应的横坐标值即为平滩水位。本发明依据平滩水位下河段槽蓄量急剧增加的基本原理，并赋予其明确的数学涵义，克服了传统方法中通过选取典型断面、分析几何特征带来的代表性不强、主观性较大等不利因素，具有可重复性的优点，为河道平滩水位的获取提供了一种更为精确的途径。

技术领域

本发明涉及水利工程技术领域，特别是涉及一种具有可重复性的基于河段尺度的平滩水位确定方法。

背景技术

平滩水位是指与河道河漫滩表面高程相齐平的水位。通常情况下此水位相应水流的流速大、输沙能力高，造床作用强，因此平滩水位对应的流量—平滩流量也被用来估算造床流量。从几何意义上看，平滩水位通常是断面形态发生突然扩宽的转折点；从动力学意义上看，平滩水位是来水来沙的动力作用从塑造主槽到塑造滩地的转折点，因而在平滩水位这一概念在河床演变学上有重要意义。

确定平滩水位目前主要有以下几种方法：一种是野外观测法，主要是根据断面的地貌特征判断，包括边滩的尾部、岸坡坡度的突变点、根据岸边植物的变化判断、侵蚀的最高线、岸坡的顶部等地貌特征确定；一种是基于河床横断面形态，采用一定的几何标准进行估算：如断面宽深比极值法、采用过水面积与水面宽关系中的重要变化点，或者是由高至矮、第一个最大岸坡值对应的水位等。上述第一种方法虽然有长河段的概念，但估算主观性较大，且在河漫滩不是很明显的河流上应用受限。第二种方法虽然在主观性上得到了一定改善，但受限于典型断面的选择；对于沿程河床形态变化较大的河段，代表断面的位置、以及断面的多少将直接影响平滩水位确定的精度。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种具有可重复性的基于河段尺度的平滩水位确定方法，能够解决现有技术主观性较强、计算精度较低方面的问题。

本发明的技术方案：

一种具有可重复性的基于河段尺度的平滩水位确定方法，包括以下步骤：

步骤1，收集河段的数字化地形资料；

步骤2，读取整个河段的最低点高程Z_min及最高点高程Z_max；

步骤3，以水位Z为横坐标、槽蓄量Q为纵坐标绘制槽蓄量与水位的关系曲线；

步骤4，采用数值解法求解槽蓄量与水位关系曲线的二阶导数；

步骤5，步骤4中求解得到的槽蓄量与水位关系曲线的二阶导数的最大值即为平滩水位。

所述步骤3中，根据收集的数字化地形资料的类型选取不同的方法计算河段槽蓄量：若地形资料为断面类型，则采取断面法计算槽蓄量；若地形资料为连续的散点类型或者DEM数据类型，则采取surfer、techplot、ArcGIS三维绘图软件计算槽蓄量。

所述步骤3中横坐标的范围为河段的最低点Z_min至最高点Z_max，选定n个等距高程值Z_i(i＝1～n)，n的大小根据高程的范围及所需精度决定，分别计算Z_i(i＝1～n)对应的槽蓄量Q_i(i＝1～n)，并绘制曲线Q＝f(Z)。

所述步骤4中求解槽蓄量Q与水位Z关系曲线二阶导数的步骤如下：

(1)采用中心差分法求解曲线Q＝f(Z)的一阶导数：

f′(Z_i)＝(Q_i+1-Q_i-1)/(Z_i+1-Z_i-1)(i＝2～n-1)，并绘制曲线Q′＝f′(Z)；