[发明专利]一种确定感潮河段底床摩擦系数的方法

说明书

本发明提供一种确定感潮河段底床摩擦系数的方法，通过在感潮河段设置若干个观测点，在若干时刻测量所有观测点的水面高程数据；建立部分反射波理论，构建感潮河段的潮波传播特性水面高程方程；将测量所得数据按所述水面高程方程拟合，推算潮波反射系数、潮波波数和阻尼模数，计算瞬时水力坡降；结合指定观测点所测量的最大流速及水力半径，代入曼宁公式，计算得到感潮河段的指定测量点的曼宁系数n，作为指定测量点位置的底床摩擦系数。本发明不仅适用于非恒定非均匀流的感潮河段，也适用于恒定均匀流的河段；提高了底床摩擦系数的计算准确度，同时降低了科研人员的时间及人力成本。

技术领域

本发明涉及河段底床摩擦系数计算技术领域，尤其是涉及一种基于曼宁方程的感潮河段底床摩擦系数计算方法。

背景技术

感潮河段(Tidal reaches of the Estuary)为衔接河川及海洋之交界面，此处具有丰富之生态资源，提供充分之食物与水源，并为内陆与海洋之运输重要管道，故常为人口高度密集之区域，世界重要都市及著名商港皆座落于感潮河川岸上。对感潮河段进行相关整治工作前，首先需了解掌握其水理变化特性，因此对感潮河段之水理分析(Hydrodynamicanalysis)工作就显得相当重要。一般在河口感潮河段的水理分析上，大多直接以曼宁公式(Manning formula)推算流速(Tidal current velocity)，且以表面水位高程变化为其水力坡降，以底床粒径大小法推估曼宁系数值。

但是感潮河段潮流水面的高程变化因底床摩擦阻力而衰减，因为河道束缩反射而壅升，即水面高程变化为摩擦衰减与反射壅升的合并效应，所以其流况为一复杂的非恒定非均匀流况，其水面高程变化为非线性曲线函数；正因为感潮河段的潮波是非恒定非均匀流(Unsteady Non-uniform flow)，所以依现有方法其计算结果误差非常大。

而且如果运用依据感潮河段底床粒径大小推估曼宁系数的方法，除需在潮汐全潮时采集现场潮位观测数据外，亦需针对河口段进行全河段的底床粒径大小采集量测工作，这样一来所耗费的人力、物力及时间相当庞大，通常需要水利公共部门机构组织方能进行长期观测和采集，或长期项目基金的支持才能完成，非一般高校教师及专业研究学者所能负担。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出一种确定感潮河段底床摩擦系数的方法，通过在感潮河段设置若干个观测点，在若干时刻测量所有观测点的水面高程数据，建立部分反射波理论 (Partial reflection wave)，构建感潮河段的潮波传播特性水面高程方程；拟合推算潮波反射系数ω、潮波波数κ、阻尼模数μ，计算瞬时水力坡降S_t(InstantaneousHydraulic Slope)；结合所测量的最大流速及水力半径，基于曼宁公式计算曼宁系数(Manning’s coefficient)n值，作为感潮河段底床摩擦系数，本发明提高了感潮河段底床摩擦系数的计算准确度，同时降低了科研人员的时间及人力成本。

具体的，一种确定感潮河段底床摩擦系数的方法，基于曼宁公式，其特征在于，包括以下步骤：

S1在感潮河段设置N个观测点x_i，在T个时刻t_j测量所有观测点的水面高程数据η_ij；

S2建立部分反射波理论，构建感潮河段的潮波传播特性水面高程方程η(x_i)；

S3将所述水面高程数据η_ij按所述水面高程方程η(x_i)拟合，计算瞬时水力坡降方程 S_tj；

S4测量所述感潮河段的指定测量点x_m退潮或涨潮时刻t_max的最大流速V及水力半径R；