[发明专利]一种淹没植物层内部水流分界高度的确定方法

说明书

本发明公开了一种淹没植物层内部水流分界高度的确定方法，利用圆柱铝棒，在变坡循环水槽中模拟含淹没植物的明渠流动；通过改变水深(相对淹没度)、断面平均流速、植物排列间距进行正交试验，对比紊动能生成率与耗散率沿垂向分布，从而确定水流结构发生变化的临界高度h_p。结合试验数据分析，采用最小二乘法，建立h_p与T(雷诺应力梯度沿垂向发生突变的高度)、D(理论床面高度)之间的关系式，即h_p＝0.38T+0.62D(R²＝0.89)。本发明提出分界高度的确定思路和计算关系式，有助于实现精细化河流模拟，并为生态河道的建设、管理提供技术支持。

技术领域

本发明涉及环境水力学技术领域，具体涉及一种淹没植物层内部水流分界高度的确定方法。

背景技术：

植物广泛存在于平原河流及城市景观河道中，影响河道过流、水质净化、河床冲淤以及水生物多样性。当植物处于淹没状态时，植物层内外的流速存在较大差异，导致植物顶部发生剧烈的水流剪切，诱发Kelvin-Helmholtz(KH)不稳定性作用，并产生相应的涡结构，即KH涡。KH涡向植物层渗透至z＝h_p高度，将植物层流动分解为上部植物层(h_pzh)和下部植物层(0zh_p)两个部分。上部植物层以KH涡运动为主要特征，对应水流紊动强、污染物扩散快、溶解氧及营养性物质含量高，是鱼类的活动场；下部植物层以绕流尾涡运动为主要特征，对应水流运动相对缓慢、水体自净能力差、溶解氧含量较低，分布着一定数量的节肢、软体动物。由此可见，分界高度h_p的确定，对河道行洪能力预测和自净能力评估，以及水生物多样性维持等均具有重要意义。目前，尚未存在有效的h_p确定方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种淹没植物层内部水流分界高度的确定方法，以解决现有技术中导致的植物层内部水流分界高度无法快速准确确定的缺陷。

一种淹没植物层内部水流分界高度的确定方法，所述方法包括如下步骤：

改变预构建的模型中植物层的环境因素，并进行试验；

根据试验结果计算得到水流分界高度值；

计算获取特征高度值；

根据特征高度值与水流分界高度值确定求解关系式。

进一步的，所述模型的构建方法包括如下步骤：

通过搭建玻璃水槽模拟河道；

通过在所述水槽中设置若干圆柱形铝棒模拟植物；

通过设置可循环的水模拟水流。

进一步的，所述环境因素包括淹没度、断面平均流速以及植物横向排列间距中的一种或多种。

进一步的，根据试验结果计算得到水流分界高度值的方法包括如下步骤：

计算并绘制紊动能生成率G和紊动能耗散率ε沿垂向分布曲线；

两条曲线在植物层内部的交点，对应流动分界高度h_p。

进一步的，所述特征高度值的获取方法包括如下步骤：

绘制雷诺应力沿垂向分布曲线，确定特征高度R；

绘制雷诺应力梯度沿垂向分布曲线，确定特征高度T；

特征高度W的计算方法如下：