[发明专利]植被群落前端及内部水流偏转区纵向流速分布预测方法

说明书

本发明公开了一种植被群落前端及内部水流偏转区纵向流速分布预测方法，将河段根据水流偏转具体划分为两个区域，并给出了植被群落区域和旁侧无植被区域的纵向流速分布模型。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、无植被区的流速纵向分布，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，涉及一种有非淹没植被群落河道纵向流速分布预测，具体涉及一种植被群落前端及内部水流偏转区纵向流速分布预测方法。

背景技术

天然河道中生长着许多水生植物，这些植物通常以簇状形式出现，形成植被群落。植被群落能够改变其内部及周围的水流结构，进而改变河床冲淤演变规律。因此，植被群落在河流河床演变过程中扮演着重要角色。明确植被群落内部及周围的流速分布有助于搞清河床演变规律。前人研究发现，非淹没植被群落增大局部阻力，使上游来流发生横向偏转，引发植被群落两侧河床发生冲刷，限制植被群落的横向生长。相反，水流进入植被群落后，由于局部阻力增大，造成植被群落内部流速降低，促进吸附营养物的悬浮泥沙沉积。这些沉积在植被群落内部的细沙颗粒富含有机物和营养物质促进植被生长，使得植被群落内部的植被更加茂密，进一步加强泥沙沉积。

有大量前人学者对有非淹没植被群落河道中的水流沿程演变规律开展了详细研究。通常而言，前人学者用刚性圆柱模拟植被，可以发现，模拟植被周围的水流偏转与流速分布和真实植被十分相似。这有助于学者在水流恒定条件下开展系列的水动力学研究，搞清楚植被群落内部和外侧的纵向流速分布。当水流靠近非淹没植被群落时，水流因植被群落的额外阻力作用而发生横向偏转，造成流速逐渐降低。当水流进入植被群落后，流速持续降低直到达到稳定。由于植被群落将水流由植被区域导向无植被区域，无植被区域的流速分布与植被区域的流速分布具有完全相反的变化规律，即无植被区域的流速逐渐增大并最终达到稳定。因此，在有非淹没植被群落的河道中，水流横向偏转主要发生在植被群落前端附近区域(如图1所示)，在该区域内，流速的纵向变化也最明显(主要表现为减小趋势)。流速的变化不仅发生在有植被区域，同时也发生在无植被区域。这是因为植被群落增大了局部河道阻力，水流会绕过高阻力区域(植被群落区域)转而偏转流向低阻力区域(无植被区域)，造成无植被区域的流速发生变化(主要表现为增大趋势)。

虽然植被群落内部及周围的流速分布变化规律已被有所研究，但目前仍然缺少能够准确预测植被前端水流偏转区的纵向流速分布，更没有模型能够同时预测植被区与无植被区的纵向流速分布。

发明内容

针对目前缺少能够准确预测非淹没植被群落前端及内部水流偏转区纵向流速分布的模型的技术现状，本发明提供了一种植被群落前端及内部水流偏转区纵向流速分布预测方法，该方法可同时预测有非淹没植被群落河道中植被群落内部区域和旁侧无植被区域的水流方向纵向流速分布，填补了该领域的研究空白。

本发明提供的植被群落前端及内部水流偏转区纵向流速分布预测方法，包括以下步骤：

(1)以非淹没植被群落上游边界中心位置为原点，依据植被群落上游水流偏转距离L₁和植被群落内部水流偏转距离L₂，将有非淹没植被群落的河道沿流水方向划分为两个区域：植被群落上游水流偏转区即区域1，-L₁≤x≤0，植被群落内部水流偏转区即区域2：0x≤L₂，并将河道沿垂直于水流的方向划分为植被区和无植被区：

(2)依据以下预测模型确定有非淹没植被群落河道区域1和区域2的纵向流速U_d分布：

区域1：

区域2：