[发明专利]有非淹没植被河道植被区及非植被区流速横向分布预测方法

说明书

本发明公开了有非淹没植被河道植被区及非植被区流速横向分布预测方法，将植被群落前端至末端的横向区域划分为植被区和非植被区，并给出了植被群落区域和旁侧无植被区域的水深平均流速横向分布模型。本发明仅需确定植被群落区域的常规参数即可实现同时预测植被区域、无植被区的流速横向分布，在确保理论正确的同时预测精度高，填补了本领域该项技术的空白，所需确定常数均为本领域常见的计算变量，可以根据水流条件、植被条件和河道条件确定，不需要展开流速测量，降低了研究成本，且在本领域具有广泛的通用性。

技术领域

本发明属于水力学及河流动力学领域，涉及一种有植被河道流场分布预测方法，具体涉及一种有非淹没植被群落河道中植被区及非植被区流速横向分布预测方法。

背景技术

天然河道中，植被通常以斑块群落形状生长。在天然河流与湿地中，观测结果表明：植被群落的初始形状通常为圆形或类似形状(常见于春季4-5月)，植被群落长度≈植被宽度。群落形态与大小在夏季(7-8月)接近稳定，其长度与宽度通常在0.3与6m之间。植被群落仅覆盖部分河道，引发水流偏转，产生局部漩涡与水流掺混，改变植被区内部及周围的流速分布。

有植被河道的流速分布与河床冲淤演变密切相关。植被增大局部阻力，水流进入植被区后流速减小，造成水中悬浮伴随营养物沉积，促进植被发育生长。植被密度增加进一步减小植被区流速，使更多悬浮营养物在植被区沉积。因此，植被区河床通常不发生显著变化，甚至在上游泥沙补给充足时发生河床淤积。相反，在植被区外邻近的裸露河道中，植被群落两侧发生水流横向偏转，造成群落边侧河床冲刷。综合来看，河床在流速小区域不发生或仅发生微小变化，而在流速大区域出现河床冲刷。为了判断有植被群落河道中河床冲淤演变规律，必须先知道植被区内部及周围流速分布。

前人对有非淹没植被群落河道的流速分布开展详细了研究，但这些研究是基于实测流速资料进行的。事实上，采用多普勒超声流速测量仪以常用测量参数(频率50Hz、单点测量时间3分钟)在每天测量12小时的情况下需花费20-30天测量详细流速分布，将会花费大量人力、物力和财力。同时，野外观测因为来流条件不稳定、仪器架设困难等原因很难开展长时间流速测量。此外，虽然有少量关于河道流场分布的文献报道，但基本都是关于流速纵向分布的研究，目前尚无关于有非淹没植被群落河道中流速横向分布的预测方法及相关模型。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种有非淹没植被群落河道中植被区及非植被区流速横向分布预测方法，该预测方法基于水流动量方程和连续方程，考虑植被附加拖曳力，同时将水流方向流速变化速率、垂直水流方向(即y方向)二次环流变化速率与水深的乘积作为对流项参数，得到植被区及非植被区流速横向分布的解析模型，该解析模型可高效、准确地预测河道植被区及非植被区的横断面流速分布，填补了该领域的研究空白。

为达到上述目的，本发明提供的有非淹没植被河道植被区及非植被区流速横向分布预测方法，包括以下步骤：

(1)以非淹没植被群落上游端边界中心位置为原点，将河道沿垂直于水流的方向划分为植被区和无植被区，植被区：1y/b-1，无植被区：B/2≥y≥b和-b≥y≥-B/2，b为1/2植被群落宽度，B为1/2河道宽度；

(2)确定植被区和非植被区的水深平均流速U_d横向分布解析模型：

植被区：

非植被区：

式中，U_d(1)为植被区的水深平均流速，U_d(2)为非植被区的水深平均流速，A₁、A₂、A₃、A₄为积分常数，由各区域的水深平均流速在相邻两区域边界条件得到，H为水深，g为重力加速度，S 为水面坡降，f为达西阻力系数，C_d为植被拖曳力系数，a为单位水体植被的阻水面积，K_veg、K_bare分别为不同横断面所对应的植被区和非植被区的对流项参数；