基于多源数据融合的游荡型河流河床稳定性评价方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多源数据融合的游荡型河流河床稳定性评价方法。它包括如下步骤，步骤1：收集资料；步骤2：计算河段各统测断面在汛期的流量和含沙量过程；步骤3：计算各子河段第k年的汛期平均水流冲刷强度参数；步骤4：确定河段尺度平滩河宽及平滩水深；步骤5：计算研究河段上各子河段第k年的河段尺度河相系数参数；步骤6：确定各子河段多年的河道平面摆动判别指标CMI的值；步骤7：对河床稳定性参数CMI进行河床稳定性分级；步骤8：结合卫星遥感影像对研究河段上各子河段的河床稳定性进行评价，得到研究河段的河床稳定性评价图。本发明专利技术具有能定量分析自然条件变化和强人类活动作用对游荡型河流河床稳定性的影响的优点。作用对游荡型河流河床稳定性的影响的优点。作用对游荡型河流河床稳定性的影响的优点。

【技术实现步骤摘要】
基于多源数据融合的游荡型河流河床稳定性评价方法


[0001]本专利技术涉及水利水电工程
，具体涉及一种基于多源数据融合的游荡型河流河床稳定性评价方法。

技术介绍

[0002]游荡型河流地貌特征特殊，且水沙输移与河床演变特点复杂，如主流摆动不定、河势变化剧烈、冲淤幅度较大等。游荡型河流在世界各地广泛存在，如北美的红底尔河、南美的塞贡多河、欧洲的塔纳河、南亚的布拉马普特拉河等，我国典型的游荡型河流有汉江丹江口
‑
钟祥河段、塔里木河干流上游河段、黄河中游的小北干流河段和孟津下游河段。游荡型河流的形成条件主要有两个：(1)水流强度较大；(2)河床易冲易淤。河床因这两个条件而变得宽浅，洲滩大幅度移动和消长，导致水流散乱且主槽摆动不定。目前国内外关于河床道稳定性的研究涉及了水动力学、泥沙运动力学、河流地貌学等学科，主要研究手段包括遥感影像资料分析、实测资料分析、数学模型及物理模型等。现有的相关研究通常以简单的水沙运动规律、泥沙输移机制、河势稳定特征的定性分析为主。因此目前尚未建立起定量描述河床稳定性的评价指标，也缺少系统有效的河床稳定性评价方法。此外，已有相关研究成果普遍缺乏可视化功能，无法直观展示河床稳定性相关信息。
[0003]游荡型河流河道在平面上剧烈摆动的特点对河流横向稳定有不利影响，给两岸的防洪的安全造成严重威胁。河床稳定性是游荡型河流治理及保护研究的重要指标，亟需开发一种基于多源数据融合的游荡型河床稳定性评价方法，从而定量分析自然条件变化和强人类活动作用对河床稳定性的影响并在此基础上直观地展示河床稳定性信息。随着今后长江经济带发展、黄河流域生态保护和高质量发展等战略的延伸推动，维护游荡型河流河道的河床稳定尤为重要，河床稳定性评价在游荡型河流河道整治工程和防灾减灾等方面的作用不容忽视。
[0004]因此，现亟需开发一种能定量分析自然条件变化和强人类活动作用对游荡型河流河床稳定性的影响并在此基础上直观地展示河床稳定性信息的多源数据融合的游荡型河流河床稳定性评价方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为了提供一种基于多源数据融合的游荡型河流河床稳定性评价方法，能定量分析自然条件变化和强人类活动作用对游荡型河流河床稳定性的影响并在此基础上直观地展示河床稳定性信息；本专利技术利用汛期水文资料和相应年份河道统测断面的地形资料，提出河道平面摆动判别指标CMI作为河床稳定性参数，对研究河段各区域的河床稳定性进行评价，并结合卫星遥感资料进行河床稳定性信息可视化，从而为游荡型河流的河道治理及防洪减灾等提供科学依据及技术。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案为：基于多源数据融合的游荡型河流河床稳定性评价方法，其特征在于：包括如下步骤，
[0007]步骤1：收集资料；
[0008]收集研究河段各统测断面的历史汛后地形资料(统测断面测点的起点距和高程、相邻断面之间的间距)及沿程的干/支流水位站和水文站的历史日均水文资料(流量、含沙量和水位)，解译卫星遥感影像资料并统计研究河段发生河道平面摆动的年份；
[0009]步骤2：计算河段各统测断面在汛期的流量和含沙量过程；
[0010]基于研究河段各统测断面的历史汛后地形资料和历史日均水文资料，采用一维水沙数学模型计算得到沿程统测断面在汛期的流量和含沙量过程，具体方法为；
[0011]步骤2.1，建立一维水沙数学模型；
[0012]步骤2.2，给定一维水沙数学模型上、下游边界条件及河床边界条件；
[0013]步骤2.3，计算各统测断面在汛期的流量和含沙量过程；
[0014]步骤3：计算研究河段上各子河段第k年的汛期平均水流冲刷强度参数；
[0015]计算得到研究河段上各子河段第k年的汛期平均水流冲刷强度参数作为河道平面摆动判别指标CMI中的水沙条件；
[0016]步骤4：确定各子河段的河段尺度平滩河宽及平滩水深；
[0017]确定各统测断面的平滩河宽及平滩水深，并基于断面尺度平滩河宽及平滩水深进一步确定各子河段的河段尺度平滩河宽及平滩水深
[0018]步骤5：计算研究河段上各子河段第k年的河段尺度河相系数参数；
[0019]根据步骤4确定的各子河段的河段尺度平滩河宽及平滩水深，计算得到研究河段上各子河段第k年的河段尺度河相系数参数作为河道平面摆动判别指标CMI中的河床边界条件，计算公式如下：
[0020][0021]式中：k为年份；为子河段的河段尺度平滩河宽(m)；为子河段的河段尺度平滩水深(m)；
[0022]步骤6：确定各子河段多年的河道平面摆动判别指标CMI的值；
[0023]步骤7：采用逻辑回归法对研究河段上各子河段的河床稳定性参数CMI进行河床稳定性分级；
[0024]步骤7.1，设定逻辑回归模型阈值，计算得到的概率大于模型阈值的定义为1，小于模型阈值的定义为0；
[0025]步骤7.2，对模型回归结果进行二分类，得到不同模型阈值下逻辑回归模型二分类结果的混淆矩阵；
[0026]步骤7.3，采用准确率(ACC)检验逻辑回归模型二分类结果在不同模型阈值下的精度，并选取使ACC最大的模型阈值；
[0027]步骤7.4，根据输出的河道出汊概率将河口流路稳定性等级分为“稳定”、“基本稳定”、“次不稳定”、“不稳定”和“极不稳定”；
[0028]步骤8：结合卫星遥感影像对研究河段上各子河段的河床稳定性进行评价，得到研究河段的河床稳定性评价图；
[0029]步骤8.1，计算研究河段各子河段某年的河道平面摆动判别指标CMI，从而得到各子河段的河口流路稳定性等级；
[0030]步骤8.2，采用不同颜色表示不同等级在研究河段稳定性评价图上进行等级区划。
[0031]在上述技术方案中，在步骤2.1中，建立一维水动力学模型，主要控制方程包括：
[0032]水流连续方程：
[0033]水流动量方程：
[0034][0035]悬沙输移方程：
[0036]河床冲淤方程：
[0037]其中：Q为流量(m3/s)；Z为水位(m)；A0、A分别为河床冲淤断面面积和过水断面面积(m2)；B为河宽(m)；α
f
为水流动量修正系数；S为断面平均含沙量(kg/m3)；ρ
m
为浑水密度(kg/m3)，ρ
m
＝ρ
f
+(Δρ/ρ
s
)S，其中Δρ＝ρ
s
‑
ρ
f
，ρ
s
、ρ
f
分别为清水密度和泥沙密度；ρ1、q1、u1分别是单位河长侧向入出流密度(kg/m3)和入出流的流量(m3/s)、侧向入出流流速在主流方向分量(m/s)；J
f
为水力坡度；J
l
为断面扩收引起的局部阻力；h
c
为过水断面形心淹没深度(m)；g、x、t分别是重力加速度(m/s本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于多源数据融合的游荡型河流河床稳定性评价方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤1：收集资料；收集研究河段各统测断面的历史汛后地形资料及沿程的干/支流水位站和水文站的历史日均水文资料，解译卫星遥感影像资料并统计研究河段发生河道平面摆动的年份；步骤2：计算河段各统测断面在汛期的流量和含沙量过程；基于研究河段各统测断面的历史汛后地形资料和历史日均水文资料，采用一维水沙数学模型计算得到沿程统测断面在汛期的流量和含沙量过程，具体方法为；步骤2.1，建立一维水沙数学模型；步骤2.2，给定一维水沙数学模型上、下游边界条件及河床边界条件；步骤2.3，计算各统测断面在汛期的流量和含沙量过程；步骤3：计算研究河段上各子河段第k年的汛期平均水流冲刷强度参数；计算得到研究河段上各子河段第k年的汛期平均水流冲刷强度参数作为河道平面摆动判别指标CMI中的水沙条件；步骤4：确定各子河段的河段尺度平滩河宽及平滩水深；确定各统测断面的平滩河宽及平滩水深，并基于断面尺度平滩河宽及平滩水深进一步确定各子河段的河段尺度平滩河宽及平滩水深步骤5：计算研究河段上各子河段第k年的河段尺度河相系数参数；根据步骤4确定的各子河段的河段尺度平滩河宽及平滩水深，计算得到研究河段上各子河段第k年的河段尺度河相系数参数作为河道平面摆动判别指标CMI中的河床边界条件，计算公式如下：式中：k为年份；为子河段的河段尺度平滩河宽，m；为子河段的河段尺度平滩水深，m；步骤6：确定各子河段多年的河道平面摆动判别指标CMI的值；步骤7：采用逻辑回归法对研究河段上各子河段的河床稳定性参数CMI进行河床稳定性分级；步骤7.1，设定逻辑回归模型阈值，计算得到的概率大于模型阈值的定义为1，小于模型阈值的定义为0；步骤7.2，对模型回归结果进行二分类，得到不同模型阈值下逻辑回归模型二分类结果的混淆矩阵；步骤7.3，采用准确率ACC检验逻辑回归模型二分类结果在不同模型阈值下的精度，并选取使ACC最大的模型阈值；步骤7.4，根据输出的河道出汊概率将河口流路稳定性等级分为“稳定”、“基本稳定”、“次不稳定”、“不稳定”和“极不稳定”；步骤8：结合卫星遥感影像对研究河段上各子河段的河床稳定性进行评价，得到研究河段的河床稳定性评价图；步骤8.1，计算研究河段各子河段某年的河道平面摆动判别指标CMI，从而得到各子河段的河口流路稳定性等级；
步骤8.2，采用不同颜色表示不同等级在研究河段稳定性评价图上进行等级区划。2.根据权利要求1所述的基于多源数据融合的游荡型河流河床稳定性评价方法，其特征在于：在步骤2.1中，建立一维水动力学模型，控制方程包括：水流连续方程：水流动量方程：悬沙输移方程：河床冲淤方程：其中：Q为流量，m3/s；Z为水位，m；A0、A分别为河床冲淤断面面积和过水断面面积，m2；B为河宽，m；α
f
为水流动量修正系数；S为断面平均含沙量，kg/m3；ρ
m
为浑水密度，kg/m3，ρ
m
＝ρ
f
+(Δρ/ρ
s
)S，其中Δρ＝ρ
s
‑
ρ
f
，ρ
s
、ρ
f
分别为清水密度和泥沙密度；ρ1、q1、u1分别是单位河长侧向入出流密度，单位河长侧向入出流的流量，侧向入出流流速在主流方向分量，单位分别为：kg/m3、m3/s、m/s；J
f
为水力坡度；J
l
为断面扩收引起的局部阻力；h
c
为过水断面形心淹没深度，m；g、x、t分别是重力加速度、沿程距离、及时间，单位分别为：m/s2、m、s；U为断面平均流速，m/s；N为悬沙分组数；S
lκ
为侧向入出流分组含沙量，kg/m3；ρ'为床沙干密度，kg/m3；S
κ
为第k粒径组悬沙的分组挟沙力、含沙量，单位分别为：kg/m3、kg/m3；ω
κ
、α
κ
分别为第k粒径组悬沙的浑水沉速及恢复饱和系数。3.根据权利要求2所述的基于多源数据融合的游荡型河流河床稳定性评价方法，其特征在于：在步骤2.2中，给定一维水沙数学模型上、下游及河床边...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨卓媛，
申请(专利权)人：长江勘测规划设计研究有限责任公司，
类型：发明
国别省市：