基于改进Froude数的太子河流域河相形态分析

2022-03-24王超

水利技术监督 2022年3期

王超

(辽宁西北发电有限责任公司，辽宁本溪 117200)

1 概述

通过河相形态变化分析可以对河道演变过程有较为清晰的认识，从而为河道综合治理提供重要的分析依据[1]。近些年来，国内对于河相形态的分析主要通过水深型Froude数进行分析[2- 7]，但该系数只能对单一典型断面纵向、横向河相形态变化进行分析，而不能对河道沿程范围内的演变过程进行分析，对整个河道流域内河道形态总体分析具有一定的局限性。为此有学者采用对传统水深型Froude数进行改进，提出一种基于面积型的Froude数，可实现河道沿程河相形态的分析，并在国内一些河道治理实践中得以应用[8- 15]。本文采用基于面积型的Froude数，以太子河流域为试点区域，对该河流典型断面河相形态进行分析计算。研究成果为太子河流域河道形态演变分析提供参考和借鉴，对辽宁地区其他河流沿程河相形态分析也具有重要的参考价值。

2 面积型Froude数计算原理

面积型Froude数结合断面地形测量数据，对其纵向、横向系数分别进行计算：

(1)

(2)

式中，φb、φh′—纵向、横向河相系数；Q—河道稳定期流量均值，m3/s；B—横断面宽度，m；J—纵向比降,‰。φb和φh′计算值越高其纵向、横向河道形态变化越稳定。对横向、纵向河相系数进行综合计算：

(3)

式中，φ—综合河相系数。面积型积Froude数对河道形态综合指标进行计算：

(4)

式中,Zw—河道形态综合指标；X*、Y*—河道横向、纵向地形指数；rs、r—河床粗砂、细砂粒径，mm；D50—50%粗砂粒径,mm。在河道形态综合指标计算基础上，对其河道形态的面积Froude进行计算：

(5)

式中，FrA—面积Froude数；g—河道地形参数。

3 基于面积型Froude数的太子河河道形态分析

3.1 流域概况

太子河流经辽宁省本溪市、辽阳市，在盘锦地区与浑河交汇后入海。太子河上游为典型的山区型河流，下游为平原区，上游河道比降较大，下游河道比降较低，流域平均比降为0.125%。太子河河床粗砂、细砂粒径小于5mm的占比超过30%。

3.2 典型河段河相综合指标计算结果

从太子河上游到下游依次选取20个典型断面，结合断面纵向、横向地形测量数据，结合河相综合指标计算方程对各断面河相综合指标进行计算，计算结果见表1。

表1 太子河流域典型河段河相综合指标计算结果

各典型断面河相形态综合指标计算结果表明：各典型断面纵向、横向河相系数沿程变化较大，主要和河道地形指数具有较高的关联度。纵向、横向河相系数越高表明其河道断面变化相对稳定。上游断面纵向、横向河相系数相对较高，河道总体河相形态较为稳定；下游平原区，河道淤积变化较大，河道纵向河相系数主要和河道泥沙输移能力关联度较高，由于下游河道泥沙输移能力相对较差，使得下游纵向河相系数有所减弱，河道的河相稳定性较低。

各典型断面横向河相系数变化规律表明：横向系数相比于纵向系数沿程变化的差异性有所降低，上下游横向河相系数沿程差异性较小，河道沿程横向变化相对较为稳定；综合指标和纵向指标之间的关联度较高，是综合指标变化的主因，上下游综合指标变化和纵向指标变化趋势较为一致。

3.3 面积型Froude数计算结果

在综合河相指标分析的基础上，按照面积型Froude数的计算方法，对太子河流域上下游选取的20个典型断面的面积型Froude数进行计算，计算结果见表2。

表2 太子河典型河段断面面积型Froude数计算结果

20个典型河道断面面积型Froude数计算结果表明：太子河游荡型的河段的面积型Froude数低于0.07，分叉型河段的面积型Froude数在0.07～0.085之间，弯曲性河段的面积型Froude数高于0.085。从沿程分布可看出，面积型Froude数越大，其河道形态变化相对越稳定，面积型Froude数和河相系数相关度较高。

3.4 不同年代际改进前后Froude数与河相系数相关度对比

根据20个典型断面不同年代际(分别选取1990—1999年，2000—2009年，2010—2018年)断面地形数据，分别计算并对比改进前后Froude数与河相系数关联度，计算结果如图1所示。

图1 改进前后Froude数与河相系数相关度对比

从不同年代际各典型断面改进前后Froude数与河相系数相关度对比结果可看出：基于水深型Froude数与不同年代际的河相系数散点较为紊乱，改进后基于面积型Froude数与不同年代际的河相系数的散点紊乱度较低，面积型Froude数与河相系数的关联度要好于改进前，不同年代际散点集中度也得到一定程度的提高。

从各年代际的散点图分布情况可看出，20世纪90年代改进前后的Froude数关联度均较较低，主要是这一时期太子河流域河道变化相对较大，而进入2000年以后，随着太子河流域综合整治，河床形态得到一定程度的改善，改进前后的Froude数与河相系数的关联度也得到一定程度的提高，河道形态的稳定程度有所提高。

3.5 河槽流量与河相系数关联分析

河槽流量是河相系数的主要影响因素，根据各典型断面河槽流量均值，结合计算的河相系数，建立河槽流量和河相系数之间的关联方程，并对关联方程进行误差检验，结果如表3所示。

表3 不同河槽流量与河相系数关联方程及误差检验结果

从不同河槽流量与河相系数关联方程及误差检验结果看出：建立的太子河不同河槽流量和河相系数关联方程误差值均低于15%，实测值和拟合值总体差值均在±5.0之间，表明建立的太子河不同河槽流量和河相系数方程具有较好的关联度，拟合方程可以用来推求不同河槽流量下的河相系数。通过对不同拟合方程的关联系数结果，不同河槽流量和河相系数具有较好的关联度，关联系数高于0.7。