一种含非淹没植被河道中泥沙起动流速预测方法及设备

本发明属于自然科学研究中的水力学及河流动力学，尤其涉及一种含非淹没植被河道中泥沙起动流速预测方法及设备。

背景技术：

1、水生植被作为河流生态系统的一部分，在改善水质以及为各种生物提供栖息地方面有很大的作用。然而，由于水体富营养化和污水的排放，近几年来大量水生植被消亡，这种现象常见于河流以及湿地。在天然河道中，往往泥沙会因为水流的作用而发生移动，这类泥沙一般被分为推移质和悬移质。

2、在不含泥沙的植被水流中，水流结构的研究已经很多了，如水流流速的分布情况、床面剪切力变化分析。然而，植被水流中泥沙的运动也是河流生态领域研究的问题之一。水生植被与泥沙的作用主要表现在以下两个方面。一方面，植被增加了流动阻力，对于植被存在的河道中，水流速度会相对变缓，促进了悬移质的沉积。另一方面，植被水流结构相较于裸河道更加复杂，因此改变了推移质输移特性，茎尺度涡流的产生使得推移质运动状态发生变化，造成河床的演变。另外，植被斑块区的演变也与泥沙运动有关，这是因为植被生长区的变化是与水流、植被和泥沙的相互作用过程而紧密相关的。

3、前人学者最开始将关注点集中在泥沙在裸河道中的起动情况，并且取得了显著成果。有的学者认为泥沙起动具有随机性，即不存在确定的水流条件可以使床面泥沙在同一时间全部由静止状态转入运动状态，因此产生了起动条件的判别标准。起动条件可以用单位床面上起动泥沙的数量或者一定的输沙率来表征。也可以用起动流速或者起动拖曳力来表示。植被广泛存在于自然河道中，由于无植被环境中的泥沙起动公式在植被化河道中的适应性较低，因此目前关于植被水流中泥沙输移方面的研究是如今的新重点。

4、关于植被水流中泥沙的运动，采用多普勒超声流速测量仪(频率50hz)测量植被水流中泥沙起动流速，将花费大量时间以及财力。同时在野外进行流速测量也将面临着仪器架设困难、天气等原因无法随时开展。有部分学者通过实验分析得到了植被水流中的推移质起动、输移以及沉积规律。关于对河床演变以及下游河床冲刷的定性和定量的探讨就需要弄清楚泥沙的起动条件，明确在怎样的水流条件下泥沙能够起动，亟需要一种准确且较为简便的方法来预测植被河道中泥沙起动流速。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提出一种提供河道中有非淹没植被存在情况泥沙起动流速预测方法，同时考虑植被密度和相对淹没度的影响。该方法是基于裸河道中泥沙起动公式，在泥沙临界条件下起动的动力平衡方程中引入植被阻力项；考虑到对于水深较大的情况，植被的相对高度较低，植被对泥沙起动的贡献率不如浅水区显著，引入相对淹没度；最终得到含非淹没植被河道中泥沙起动流速模型，该模型可高效便捷地预测河道中有非淹没植被存在情况泥沙起动流速，填补了该研究领域的空白。

2、本发明第一方面提供了一种含非淹没植被河道中泥沙起动流速预测模型的搭建方法，包括以下过程：

3、步骤1，确定泥沙在水流作用下受到作用力，一类是促使泥沙起动的力，即水流的推力fd及举力fl，另一类为抗拒泥沙起动的力，即单颗泥沙的重力w，同时引入植被阻力项fv，其表示植被阻力对泥沙临界起动流速的影响；对上述四种力建立表达式；

4、步骤2，建立泥沙临界条件下起动的力矩平衡方程式，将步骤1中(5)得到力的表达式引入，获得河道有植被情况泥沙起动临界流速公式；

5、步骤3，对步骤2中的公式进行简化，并采用垂线平均流速替换所述泥沙起动临界流速公式中的近底流速；

6、步骤4，根据明渠中泥沙临界初始运动流速测量实验确定含植被水流中泥沙起动流速与裸河道中泥沙起动流速的比值和植被参数之间的函数关系，得到预测公式的固定参数及相应表达式，从而完成预测模型的搭建。

7、优选的，所述步骤1中四种力的表达式如下：

8、水流推力：

9、

10、水流举力：

11、

12、单颗泥沙重力：

13、w＝a3(γs-γ)d3             (3)

14、其中，t1、t2为推力及举力系数；a1、a2为水流方向及铅直方向的沙粒面积系数；a3为沙粒的体积分数；d为沙粒粒径；γ和γs分别为水和沙粒的重度；g为重力加速度；ub为作用于沙粒层上的有效瞬时流速；

15、植被阻力项：

16、

17、其中，n表示作用在泥沙颗粒上的流动力分数，可以表示为关于cdah的函数，其中h为水深；考虑到植被阻力的影响主要发生在植被区，也就是植被高度内，因此，在n的函数中用hv代替h，即n＝φ1(cdahv)；cd为植被拖曳力系数；ρ为水的密度；a为植被密度，a＝md，定义为单位体积上植被的正面阻水面积；m为单位河床面积上植被个数；d为植被茎的直径；hv为植被高度。

18、优选的，所述步骤2具体为：

19、以沙粒上某点为转动中心，根据力矩平衡原理，为了简化计算结果，在忽略沙粒之间的粘结力之后，将四个力的表达式代入泥沙临界条件下起动的动力平衡方程，表示为：

20、k1dfd+k2dfl＝k3dw+k4dfv            (5)

21、该式为力矩方程，其中，k1d、k2d、k3d、k4d分别表示fd、fl、w、fv的力臂，将公式(1)到公式(4)(4)代入公式(5)(5)得到河道有植被情况泥沙起动临界流速公式为：

22、

23、优选的，所述步骤3具体为：

24、对步骤2中的公式进行简化，等号右边第一项除了n和cdahv都为常数，可简化为关于cdahv的函数，并进一步整理得到：

25、

26、其中，φ2表示和cdahv相关的一个函数，改写为：

27、

28、其中c1、c2表示常数；

29、由于作用在泥沙的近底流速ub在实际工作中不易确定，采用垂线平均流速u来替换近底流速ub，垂线平均流速u表示为：

30、

31、其中，α、k为常数；因此植被河道中的泥沙起动垂线平均流速uc可以表示为：

32、

33、裸河道中泥沙起动公式为：

34、

35、其中，c3为常数；结合公式(7)(7)和公式(8)(8)可以得到简化后的植被河道中泥沙起动公式为：

36、

37、其中，φ3表示一个函数符号。

38、优选的，所述步骤4具体为：

39、进行明渠中泥沙临界初始运动流速测量实验，采用现有水流中布置有刚性圆柱体来模拟仿真植被，采用三维声学多普勒测速仪adv测量整个垂向上的水流平均流速；

40、为确定uc/u0和cdahv之间的函数关系，将uc/u0和cdahv分别对数化，得到两者关系，确定预测公式(9)的形式并校准系数，表示为：

41、

42、其中cdahv表示植被参数，该式不仅可应用于植被河道中，还可应用于裸河道中泥沙起动流速的预测；裸河道中不存在植被，意味着cdahv＝0，因此uc/u0＝1，此时植被河道泥沙起动流速uc等同于裸河道泥沙起动流速u0；

43、将公式(8)(8)代入公式(10)(10)，得到含挺水植被河道中泥沙起动垂线平均流速表达式：

44、

45、其中，参数c3＝1.34，k＝1/7，公式(11)即为最终预测模型公式。

46、本发明第二方面提供了一种含非淹没植被河道中泥沙起动流速预测方法，包括以下过程：

47、s1，测量泥沙和植被的参数，包括水深、泥沙粒径、单位面积上植被个数、植被茎直径和植被高度；对于淹没植被来说，植被高度小于水深，对于挺水植被，植被高度大于水深，取水深大小；

48、s2，将s1获得的参数代入到如权利要求1至5任意一项所述的的流速预测模型中；

49、s3，计算得到在s1中设定的泥沙和植被参数影响下，泥沙起动时的河道在垂线上的平均流速。

50、本发明第三方面还提供了一种含非淹没植被河道中泥沙起动流速预测设备，所述设备包括至少一个处理器和至少一个存储器，所述处理器和存储器相耦合；所述存储器中存储有如第一方面所述的搭建方法所搭建的预测模型的计算机执行程序；所述处理器执行存储器中存储的计算机执行程序时，使处理器执行并输出泥沙起动时的河道在垂线上的平均流速。

51、本发明第四方面还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有如第一方面所述的搭建方法所搭建的预测模型的计算机程序或指令，所述程序或指令被处理器执行时，使处理器执行并输出泥沙起动时的河道在垂线上的平均流速。

52、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

53、(1)在河道输沙率和沉积领域已经有很多研究成果，但主要是从水流结构出发来探究泥沙的运动，在关于植被河道中泥沙初始运动临界条件的研究，本发明给出了一个较精确的预测模型。

54、(2)本发明同时考虑植被密度和相对淹没度的影响。该方法是基于裸河道中泥沙起动公式，在泥沙临界条件下起动的动力平衡方程中引入植被阻力项；考虑到对于水深较大的情况，植被的相对高度较低，植被对泥沙起动的贡献率不如浅水区显著，引入相对淹没度；最终得到含非淹没植被河道中泥沙起动流速模型，该模型可高效便捷地预测河道中有非淹没植被存在情况泥沙起动流速，填补了该研究领域的空白。

55、(3)本发明提出的模型适用性较强。该模型同样适用于裸河道的泥沙起动流速预测。对于淹没植被的工况，该模型可以通过引入相对淹没度(水深与植被高度的比值)的相关变换形式来对其进行修正。