曾　劍，陳　剛

(浙江省水利河口研究院，浙江　杭州　310020)

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強(qiáng)潮河口潮流挾沙能力的影響因子研究

曾劍，陳剛

(浙江省水利河口研究院，浙江杭州310020)

摘要：借助大量的錢塘江河口實(shí)測水沙資料，通過引入時(shí)變挾沙能力的概念獲取了挾沙能力的數(shù)據(jù)，利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的擬合功能，構(gòu)建了強(qiáng)潮河口潮流挾沙能力預(yù)測模型，經(jīng)檢驗(yàn)該模型具有較好的泛化能力。采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，結(jié)合方差分析法定量分析了各因素對挾沙能力的敏感性。結(jié)果表明，挾沙能力與垂線平均流速呈正相關(guān)關(guān)系，而與水深呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)泥沙沉速小于0.06 cm/s的范圍內(nèi)，水流挾沙能力與泥沙沉速呈正相關(guān)關(guān)系，超出此范圍后，則呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：強(qiáng)潮河口；挾沙能力；RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；影響因子

1問題的提出

水流挾沙能力是指在一定水流泥沙和斷面形態(tài)條件下河床處于平衡狀態(tài)時(shí)水流所能挾帶的最大含沙量。水流挾沙能力作為河流動力學(xué)的基本問題，是河流整治與涉水工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)與實(shí)施中最為關(guān)鍵的水沙綜合參數(shù)之一，因此，受到工程界與學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。盡管國內(nèi)外的學(xué)者提出了很多描述水流挾沙能力的公式，但尚未找到一個(gè)具有普遍意義的統(tǒng)一計(jì)算公式。尤其在強(qiáng)潮河口，受水流的非恒定性、泥沙運(yùn)動的復(fù)雜性等因素影響，水流挾沙能力的研究更為困難。

潮汐河口受漲、落潮流的影響，水流具有非恒定性與非對稱性，因此，在潮汐河口的挾沙能力公式中大多數(shù)引入半潮平均的概念，將水力參數(shù)和含沙量在半潮周期內(nèi)取平均值構(gòu)建經(jīng)驗(yàn)公式[1]。考慮到河口地區(qū)影響挾沙能力的因素眾多，國內(nèi)學(xué)者有引入前期含沙量因子或波浪要素等[2-3]，以改進(jìn)半潮平均公式的擬合精度。國外學(xué)者在計(jì)算河口河床變形時(shí)也多用定常的侵蝕率和沉積率函數(shù)或床面平衡濃度[4-5]。由于河口輸沙總是隨潮流作非恒定的變化，孫志林等[6]提出了時(shí)變挾沙能力的概念，認(rèn)為水體中含沙量始終隨著水流挾沙能力的變化進(jìn)行調(diào)整，力圖達(dá)到兩者平衡，在半潮周期內(nèi)存在2個(gè)瞬間的平衡點(diǎn)。于是，依據(jù)瞬間平衡機(jī)理獲取河口水流時(shí)變挾沙能力數(shù)據(jù)，并建立了相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式。

河口挾沙能力的大小受垂線平均流速、水深、泥沙沉速、潮差、半潮平均水深、泥沙粒徑比等多種因素影響，它們之間存在復(fù)雜的映射關(guān)系，目前準(zhǔn)確地表達(dá)這種復(fù)雜的映射關(guān)系仍有相當(dāng)?shù)睦щy。而近年發(fā)展起來的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的擬合處理能力，可以逼近任何的非線性函數(shù)。本文利用大量的錢塘江河口實(shí)測水沙資料，根據(jù)時(shí)變挾沙能力的概念獲取挾沙能力的數(shù)據(jù)，構(gòu)建基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)潮河口潮流挾沙能力預(yù)測模型，識別挾沙能力與各影響因素之間的復(fù)雜關(guān)系，并對影響程度加以定量分析。

2挾沙能力資料的提取

在潮汐河口，由于流速和潮位呈周期性、非恒定變化，而對應(yīng)的水流挾沙能力也呈相應(yīng)變化，孫志林等[6]據(jù)此提出了時(shí)變挾沙能力的概念，即水流挾沙能力在半潮周期內(nèi)隨潮速和潮位同步變化，是時(shí)間的函數(shù)。并定義歸一化時(shí)變水流挾沙能力Y與歸一化含沙量Z為：

(1)

(2)

式中：S*(t)為時(shí)變挾沙能力，S*max為半潮周期內(nèi)最大時(shí)變水流挾沙能力，S(t)含沙量過程，Smax半潮周期內(nèi)最大含沙量，Smin半潮周期內(nèi)最小含沙量，v為垂線平均流速，g為重力加速度，h為水深，α為待定指數(shù)。

根據(jù)實(shí)測流速、水深以及含沙量過程，得到歸一化時(shí)變水流挾沙能力Y與歸一化含沙量Z隨時(shí)間的變化曲線(見圖1)。如果將潮汐河口水位和流速近似于正弦或余弦的變化規(guī)律，則可得到概化的Y、Z隨時(shí)變化曲線(見圖2)。

由圖1～2及式(1)可知，當(dāng)水流強(qiáng)度逐漸增大時(shí)，挾沙能力隨水流強(qiáng)度而增大，并同步達(dá)到峰值，而含沙量并未同步達(dá)到最大值。同理，當(dāng)挾沙能力隨水流減速而降至低谷時(shí)，含沙量濃度仍未降到最低。這意味著水體含沙量始終隨著水流挾沙能力的變化進(jìn)行調(diào)整，力圖達(dá)到兩者平衡，其響應(yīng)相對于挾沙能力在時(shí)間上是滯后的。但是，水流挾沙能力和含沙量隨潮變化的曲線一定存在2個(gè)瞬間相交的平衡點(diǎn)(B點(diǎn)與C點(diǎn))，此時(shí)，水流挾沙能力恰等于平衡含沙量濃度。

通過對錢塘江河口水域歷年多測次、多站點(diǎn)的水文泥沙測量數(shù)據(jù)的整理與篩選，本著合理、完整及具有代表性的原則，共選取了從錢塘江河口段到杭州灣灣口廣闊水域自2003年以來的共23個(gè)現(xiàn)場觀測站點(diǎn)的資料作為基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，其位置見圖3，選取的23個(gè)現(xiàn)場觀測站點(diǎn)上至錢塘江九堡、下達(dá)杭州灣灣口斷面，涵蓋了整個(gè)錢塘江河口及杭州灣廣闊的水域，這些水文測站位于諸如九堡大橋、秦山核電、嘉興電廠等重要的涉水工程水域和南股槽等重要的河口整治工程水域以及灣口控制斷面等重要部位，具有良好的代表性。根據(jù)23個(gè)現(xiàn)場觀測站的實(shí)測水沙資料繪制含沙量、流速和水深過程線，按瞬間平衡機(jī)理，選取含沙量過程線上平衡點(diǎn)的含沙量作為挾沙能力，并提取相應(yīng)時(shí)刻的流速、水深、鹽度、泥沙粒徑等資料，構(gòu)建了由248組的實(shí)測資料組成的挾沙能力數(shù)據(jù)庫。

3挾沙能力的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

為了消除輸入與輸出數(shù)據(jù)的物理意義、量綱、大小的差異，對數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行了歸一化處理。將歸一化后的垂線平均流速、水深、泥沙沉速、潮差、半潮平均水深、泥沙粒徑比作為RBF網(wǎng)絡(luò)的輸入樣本，相應(yīng)的水流挾沙能力作為期望輸出，具體算法詳見文獻(xiàn)[7]。

通過輸入與輸出序列之間對應(yīng)關(guān)系的反復(fù)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，并在網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練成功后，利用檢驗(yàn)樣本對泛化能力進(jìn)行了檢驗(yàn)，圖4列出了訓(xùn)練樣本與檢驗(yàn)樣本的模型計(jì)算值與實(shí)測值的對比。由圖4可知，大部分點(diǎn)據(jù)落在45°線附近，模型計(jì)算的水流挾沙能力與訓(xùn)練樣本實(shí)測值，平均誤差0.25 kg/m3，平均相對誤差在20%以內(nèi)，計(jì)算值與實(shí)測值的相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.94。模型計(jì)算值與檢驗(yàn)樣本實(shí)測值平均誤差為0.26 kg/m3，平均相對誤差在18%以內(nèi)?？梢姡Ｐ偷挠?xùn)練與檢驗(yàn)的精度較高，較好地反映了潮流挾沙能力與影響因素之間的復(fù)雜關(guān)系。

4影響因素的敏感性分析

4.1正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

依據(jù)正交試驗(yàn)原理，對垂線平均流速、水深、泥沙沉速、潮差、半潮平均水深、泥沙粒徑比等6個(gè)因素變化引起的對水流挾沙能力的影響程度安排試驗(yàn)方案，各因素的取值范圍按提取數(shù)據(jù)的極值，均勻的概化為5個(gè)因素水平，各因素水平的次序按抽簽方式隨機(jī)排列，以減少水平次序引起的系統(tǒng)誤差(見表1)。對于5水平6因素的正交試驗(yàn)，可選取L25(56)的正交表，設(shè)計(jì)了25個(gè)計(jì)算方案。根據(jù)設(shè)計(jì)的計(jì)算方案，采用已建立的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，計(jì)算相應(yīng)的挾沙能力。

注：表中上標(biāo)1的數(shù)據(jù)為取值范圍。

4.2影響因素的顯著性檢驗(yàn)

評價(jià)影響因素的顯著性采用方差分析法[8]，即F檢驗(yàn)。該方法可將因素的顯著性水平劃分為4個(gè)等級，即特別顯著影響、顯著影響、有影響但不顯著、無影響。方差分析結(jié)果表明(見表2)，垂線平均流速的F值達(dá)19.4遠(yuǎn)大于臨界值F0.01(4,12)，對挾沙能力有特別顯著的影響，而水深與泥沙沉速的F值介于F0.05(4,12)與F0.1(4,12)之間，對挾沙能力有顯著影響，潮差、半潮平均水深、泥沙粒徑比的均方差僅為0.33、0.19、0.28，對挾沙能力的影響很小，為次要因素。

4.3主要因素的影響趨勢分析

由于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的計(jì)算方案，使得每個(gè)因素各級水平出現(xiàn)的次數(shù)相同且相互間各碰一次，最大限度地排除了其它因素的干擾。因此，各因素每一水平級挾沙能力的均值反映了遭遇不同取值的其他因素時(shí)該因素對挾沙能力影響的平均情況。表2列出了3個(gè)主要影響因素各水平級下的挾沙能力的均值，趨勢分析見圖5。

從圖5可知，水流挾沙能力與垂線平均流速呈正相關(guān)關(guān)系，平均流速增大，水流挾沙能力增大，反之，水流挾沙能力減小。平均情況下，垂線平均流速增大1.0 m/s，水流挾沙能力增大1.1 kg/m3。水流挾沙能力與水深呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，水深增大，挾沙能力減弱，就平均而言，水深增大10 m，水流挾沙能力減小0.8 kg/m3。水流挾沙能力與泥沙沉速并非呈單一的遞增或遞減關(guān)系，而是存在某一極值。就平均而言，泥沙沉速的極值約為0.06 cm/s，在泥沙沉速小于0.06 cm/s的范圍內(nèi)，水流挾沙能力與泥沙沉速呈正相關(guān)關(guān)系，大于0.06 cm/s沉速后，水流挾沙能力與泥沙沉速呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

5結(jié)語

本文利用基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)潮河口潮流挾沙能力預(yù)測模型，討論了影響挾沙能力的主要因素，其中垂線平均流速的影響特別顯著，水深與泥沙沉速有顯著影響。定量分析表明，挾沙能力與垂線平均流速呈正相關(guān)關(guān)系，而與水深呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)泥沙沉速小于0.06 cm/s的范圍內(nèi)，水流挾沙能力與泥沙沉速呈正相關(guān)關(guān)系，超出此范圍后，則呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。有趣的是錢塘江河口絮凝極限沉速約0.058 cm/s與上述極值十分接近，是否意味著因絮凝沉降的影響水流挾沙能力隨沉速的增加而減小，其機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

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(責(zé)任編輯郎忘憂)

Research on Influencing Factors of Currents’ Sediment Carrying Capacity of Strong Tidal Estuary

ZENG Jian, CHEN Gang

(Zhejiang Institute of Hydraulics & Estuary, Hangzhou 310020, Zhejiang, China)

Key words:strong tidal estuary; sediment carrying capacity; RBF neural network;influencing factor

Abstract:By introducing the concept of time-dependent sediment carrying capacity, this study acquired the sediment transport capacity data from plenty of measured water and sediment data of Qiantang River estuary. Using the fitting function of RBF neural network, a sediment transport capacity prediction model of strong tidal estuary was constructed. Upon examination, this model has good generalization ability. Using orthogonal experiment design method combined with variance analysis method, the paper analyzed the sensitivity of each factor to sediment carrying capacity quantitatively. The results show that sediment carrying capacity was positively correlated with vertical average flow velocity, while negatively correlated with water depth. When sediment settling velocity was less than 0.06 cm/s, there was a positive correlation between the flow sediment carrying capacity and sediment settling velocity; beyond this range, it was a negative correlation relationship.

收稿日期：2016-01-11

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(41376099)；水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201401010)。

作者簡介：曾劍(1974-)，男，教授級高級工程師，博士，從事河口海岸工程科研。E-mail:zengj-1000@163.com

中圖分類號：P731.23

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-701X(2016)02-0001-04

DOI：10.13641/j.cnki.33-1162/tv.2016.02.001