[發明專利]有非淹沒植被河道植被區及非植被區流速橫向分布預測方法

有效

• 申請號: 202011095877.5
• 申請日: 2020-10-14
• 公開（公告）號: CN112053012B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 劉超;嚴春浩;單鈺淇;劉興年
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: G06Q10/04
• 分類號: G06Q10/04
• 代理公司: 北京中濟緯天專利代理有限公司 11429
• 代理人: 李蜜;鐘玉巧

本發明公開了有非淹沒植被河道植被區及非植被區流速橫向分布預測方法，將植被群落前端至末端的橫向區域劃分為植被區和非植被區，并給出了植被群落區域和旁側無植被區域的水深平均流速橫向分布模型。本發明僅需確定植被群落區域的常規參數即可實現同時預測植被區域、無植被區的流速橫向分布，在確保理論正確的同時預測精度高，填補了本領域該項技術的空白，所需確定常數均為本領域常見的計算變量，可以根據水流條件、植被條件和河道條件確定，不需要展開流速測量，降低了研究成本，且在本領域具有廣泛的通用性。

技術領域

本發明屬于水力學及河流動力學領域，涉及一種有植被河道流場分布預測方法，具體涉及一種有非淹沒植被群落河道中植被區及非植被區流速橫向分布預測方法。

背景技術

天然河道中，植被通常以斑塊群落形狀生長。在天然河流與濕地中，觀測結果表明：植被群落的初始形狀通常為圓形或類似形狀(常見于春季4-5月)，植被群落長度≈植被寬度。群落形態與大小在夏季(7-8月)接近穩定，其長度與寬度通常在0.3與6m之間。植被群落僅覆蓋部分河道，引發水流偏轉，產生局部漩渦與水流摻混，改變植被區內部及周圍的流速分布。

有植被河道的流速分布與河床沖淤演變密切相關。植被增大局部阻力，水流進入植被區后流速減小，造成水中懸浮伴隨營養物沉積，促進植被發育生長。植被密度增加進一步減小植被區流速，使更多懸浮營養物在植被區沉積。因此，植被區河床通常不發生顯著變化，甚至在上游泥沙補給充足時發生河床淤積。相反，在植被區外鄰近的裸露河道中，植被群落兩側發生水流橫向偏轉，造成群落邊側河床沖刷。綜合來看，河床在流速小區域不發生或僅發生微小變化，而在流速大區域出現河床沖刷。為了判斷有植被群落河道中河床沖淤演變規律，必須先知道植被區內部及周圍流速分布。

前人對有非淹沒植被群落河道的流速分布開展詳細了研究，但這些研究是基于實測流速資料進行的。事實上，采用多普勒超聲流速測量儀以常用測量參數(頻率50Hz、單點測量時間3分鐘)在每天測量12小時的情況下需花費20-30天測量詳細流速分布，將會花費大量人力、物力和財力。同時，野外觀測因為來流條件不穩定、儀器架設困難等原因很難開展長時間流速測量。此外，雖然有少量關于河道流場分布的文獻報道，但基本都是關于流速縱向分布的研究，目前尚無關于有非淹沒植被群落河道中流速橫向分布的預測方法及相關模型。

發明內容

本發明的目的是解決上述問題，提供一種有非淹沒植被群落河道中植被區及非植被區流速橫向分布預測方法，該預測方法基于水流動量方程和連續方程，考慮植被附加拖曳力，同時將水流方向流速變化速率、垂直水流方向(即y方向)二次環流變化速率與水深的乘積作為對流項參數，得到植被區及非植被區流速橫向分布的解析模型，該解析模型可高效、準確地預測河道植被區及非植被區的橫斷面流速分布，填補了該領域的研究空白。

為達到上述目的，本發明提供的有非淹沒植被河道植被區及非植被區流速橫向分布預測方法，包括以下步驟：

(1)以非淹沒植被群落上游端邊界中心位置為原點，將河道沿垂直于水流的方向劃分為植被區和無植被區，植被區：1y/b-1，無植被區：B/2≥y≥b和-b≥y≥-B/2，b為1/2植被群落寬度，B為1/2河道寬度；

(2)確定植被區和非植被區的水深平均流速U_d橫向分布解析模型：

植被區：

非植被區：

式中，U_d(1)為植被區的水深平均流速，U_d(2)為非植被區的水深平均流速，A₁、A₂、A₃、A₄為積分常數，由各區域的水深平均流速在相鄰兩區域邊界條件得到，H為水深，g為重力加速度，S?為水面坡降，f為達西阻力系數，C_d為植被拖曳力系數，a為單位水體植被的阻水面積，K_veg、K_bare分別為不同橫斷面所對應的植被區和非植被區的對流項參數；