【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于自然科學研究中的水力學及河流動力學，尤其涉及一種河道中推移質(zhì)輸沙率預測方法及其模型搭建方法。
技術(shù)介紹
1、水生植被廣泛存在于天然河道中，它可以為水生生物提供棲息地；通過光合作用為水體提供溶解氧；稀釋、吸收污染物凈化水體，改善水質(zhì)；維護河道生態(tài)環(huán)境的平衡與穩(wěn)定。因此它在保護和恢復河流生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)功能方面扮演著重要角色。水生植被還可以有效抵御河床侵蝕，所以種植水生植被經(jīng)常被用作緩解改善集水區(qū)表面、河床和河岸水流造成的土壤侵蝕的措施。
2、與裸床中的明渠水流運動相比，植被水流中由于會發(fā)生植被-水-沉積物的相互作用，將會改變水流的結(jié)構(gòu)特性與運動特性，進一步改變污染物和泥沙顆粒的輸移過程，所以存在植被的明渠水流中泥沙輸移率的預測相對較為復雜。具體表現(xiàn)在：一方面，植被的存在會減小河道的過水面積，同時會以繞流阻力的形式施加給河道水流額外的阻力，從而降低水流斷面平均流速和河床剪切應力，這會促使泥沙顆粒趨于沉降；另一方面，植被存在會使得局部紊動能增加大，造成泥沙顆粒再懸浮。促進與抑制作用兩者之間的綜合作用最終決定著植被水流中泥沙顆粒的輸移過程，所以含植被的明渠水流推移質(zhì)輸沙率預測比裸床中的推移質(zhì)輸沙率預測更加困難。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、針對上述問題，本專利技術(shù)提供一種含剛性非淹沒植被河道的推移質(zhì)單寬輸沙率的預測方法。該預測方法基于能量損失方程，通過泥沙顆粒自床面起跳以后的受力及運動情況的力學分析出發(fā)，并且以平均流速及泥沙起動速度為變量，得到不含植被的明渠水流推移質(zhì)單寬輸沙
2、本專利技術(shù)第一方面提供了一種含植被河道的推移質(zhì)輸沙率預測模型的搭建方法，包括以下過程：
3、步驟1，確定泥沙顆粒在水流中的運動及受力情況，根據(jù)其運動過程能量損失，建立能量損失方程，并作出簡化；
4、步驟2，根據(jù)阻力表達式，引入摩阻流速項，以及泥沙粒徑項，帶入步驟1簡化的能量損失方程，建立以躍移質(zhì)輸沙率公式，進一步推廣到全部推移質(zhì)輸沙率公式；
5、步驟3，建立摩阻流速與平均流速、起動流速的關系式，將步驟2的摩阻流速替換為以平均流速和起動流速表示的方程，獲得不含植被的河道推移質(zhì)輸沙率公式；
6、步驟4，確定表征植被密度參數(shù)的基本函數(shù)形式，引入植被密度項到步驟3輸沙率公式，獲得含剛性非淹沒植被河道推移質(zhì)單寬輸沙率公式；
7、步驟5，根據(jù)水槽中推移質(zhì)輸沙率測量實驗確定不含植被河道及含非淹沒剛性植被河道中推移質(zhì)泥沙單寬輸沙率和植被參數(shù)之間的函數(shù)關系，得到預測公式中的固定參數(shù)及相應的表達式，從而完成模型搭建。
8、優(yōu)選的，所述步驟1中簡化的能量損失方程為：
9、
10、其中，qs為推移質(zhì)單寬輸沙率，以g/m·s計；u2為明渠水流中靜止的泥沙顆粒自河床表面升起然后經(jīng)過一段距離而落回到地面上時的水平分速度；l為泥沙顆粒移動的距離；τ0為由于推移質(zhì)泥沙顆粒運動對水流造成的阻力。
11、優(yōu)選的，所述步驟2具體為：
12、河床表層附近的阻力用流體的流速梯度來表示為：其中u*表示摩阻流速，ρ表示水流密度；并且加入表征泥沙顆粒粒徑的因子d為研究特征粒子的粒徑，d50為泥沙的中值粒徑，在均勻沙中認為將步驟1簡化的動量損失方程寫為：
13、
14、由躍移質(zhì)輸沙率推廣到全部推移質(zhì)；認為推移質(zhì)中包括躍移質(zhì)及表層觸移質(zhì)兩部分，表層觸移質(zhì)占全部推移質(zhì)的權(quán)重近似看作一個常數(shù)α，則全部推移質(zhì)的單寬輸沙率為：即：與β合并記為c，也即最終不含植被的明渠水流中推移質(zhì)單寬輸沙率可以表示為：
15、
16、其中，c為待定經(jīng)驗參數(shù)。
17、優(yōu)選的，所述步驟3具體為：\
18、摩阻流速與平均流速、泥沙起動流速的關系式為：
19、
20、其中，u0為平均流速；h0為2/3倍河道深度h的水流高度；ks為當量粗糙高度，均勻沙中與泥沙中值粒徑數(shù)值相同；ut為泥沙起動速度。
21、將u*的表達式帶入式(3)，獲得不含植被的河道推移質(zhì)輸沙率公式：
22、
23、優(yōu)選的，所述步驟4具體為：
24、表征植被密度參數(shù)的基本函數(shù)形式確定為其中c1、c2為待定參數(shù)；表示單位河床面積植被的投影面積，其中d表示植被直徑，n表示單位面積植被個數(shù)。獲得含剛性非淹沒植被河道推移質(zhì)單寬輸沙率公式：
25、
26、優(yōu)選的，所述步驟5具體為：
27、進行明渠水槽中推移質(zhì)輸沙率測量實驗，采用現(xiàn)有水流中布置有剛性圓柱體來模擬仿真植被，采用三維聲學多普勒測速儀測量整個垂向上的水流平均流速。最終確定步驟3式(5)中的參數(shù)c＝7.762；確定步驟4式(6)中的參數(shù)c1＝4.02、c2＝0.477。最終預測模型公式為：
28、不含植被河道：其中，
29、含剛性非淹沒植被河道：其中，
30、本專利技術(shù)第二方面提供了一種含植被河道的推移質(zhì)輸沙率預測方法，包括以下過程：
31、s1，測量河道中泥沙和植被的參數(shù)，包括水深、平均速度、泥沙粒徑、單位面積上植被個數(shù)、植被直徑；
32、s2，將s1獲得的參數(shù)輸入到如第一方面所述的搭建方法所搭建的推移質(zhì)輸沙率預測模型中；
33、s3，計算并輸出在s1中泥沙和植被參數(shù)影響下，河道中推移質(zhì)泥沙顆粒的單寬輸沙率。
34、本專利技術(shù)第三方面還提供了一種河道中推移質(zhì)輸沙率預測設備，所述設備包括至少一個處理器和至少一個存儲器，所述處理器和存儲器相耦合；所述存儲器中存儲有如第一方面所述的搭建方法所搭建的預測模型的計算機執(zhí)行程序；所述處理器執(zhí)行存儲器中存儲的計算機執(zhí)行程序時，使處理器執(zhí)行并輸出河道中推移質(zhì)泥沙顆粒的單寬輸沙率。
35、本專利技術(shù)第四方面還提供了一種計算機可讀存儲介質(zhì)，所述計算機可讀存儲介質(zhì)中存儲有如第一方面所述的搭建方法所搭建的預測模型的計算機程序或指令，所述程序或指令被處理器執(zhí)行時，使處理器執(zhí)行并輸出河道中推移質(zhì)泥沙顆粒的單寬輸沙率。
36、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)具有如下有益效果：
37、1.在不含植被的河道推移質(zhì)輸沙率監(jiān)測領域，已經(jīng)有很多研究成果，但在含有植被的河道中推移質(zhì)輸沙率的研究，還有很多空缺，本專利技術(shù)給出了一個較精確的預測模型。
38、2.對于推移質(zhì)輸沙率的預測，一般是從河床剪切應力角度出發(fā)探究推移質(zhì)輸沙，本專利技術(shù)選取平均流速作為主要水力指標，在測量過程中比剪切應力的測量更加便捷、準確。
39、3.本專利技術(shù)考慮了植被直徑、植被淹沒程度以及植被密度的影響。該方法是基于裸床河道中推移質(zhì)泥沙運動過程中能量平衡公式，在平衡方程中引入平均流速項；考慮到對于植被密度較小的區(qū)本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
1.一種含植被河道的推移質(zhì)輸沙率預測模型的搭建方法，其特征在于，包括以下過程：
2.如權(quán)利要求1所述的一種含植被河道的推移質(zhì)輸沙率預測模型的搭建方法，其特征在于，所述步驟1中簡化的能量損失方程為：
3.如權(quán)利要求2所述的一種含植被河道的推移質(zhì)輸沙率預測模型的搭建方法，其特征在于，所述步驟2具體為：
4.如權(quán)利要求3所述的一種含植被河道的推移質(zhì)輸沙率預測模型的搭建方法，其特征在于，所述步驟3具體為：
5.如權(quán)利要求4所述的一種含植被河道的推移質(zhì)輸沙率預測模型的搭建方法，其特征在于，所述步驟4具體為：
6.如權(quán)利要求5所述的一種河道中推移質(zhì)輸沙率預測模型的搭建方法，其特征在于，所述步驟5具體為：
7.一種含植被河道的推移質(zhì)輸沙率預測方法，其特征在于，包括以下過程：
8.一種含植被河道的推移質(zhì)輸沙率預測設備，其特征在于：所述設備包括至少一個處理器和至少一個存儲器，所述處理器和存儲器相耦合；所述存儲器中存儲有如權(quán)利要求1至6任意一項所述的搭建方法所搭建的預測模型的計算機執(zhí)行程序；所述處理器執(zhí)行存儲器中存儲
9.一種計算機可讀存儲介質(zhì)，其特征在于，所述計算機可讀存儲介質(zhì)中存儲有如權(quán)利要求1至6任意一項所述的搭建方法所搭建的預測模型的計算機程序或指令，所述程序或指令被處理器執(zhí)行時，使處理器執(zhí)行并輸出河道中推移質(zhì)泥沙顆粒的單寬輸沙率。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種含植被河道的推移質(zhì)輸沙率預測模型的搭建方法，其特征在于，包括以下過程：
2.如權(quán)利要求1所述的一種含植被河道的推移質(zhì)輸沙率預測模型的搭建方法，其特征在于，所述步驟1中簡化的能量損失方程為：
3.如權(quán)利要求2所述的一種含植被河道的推移質(zhì)輸沙率預測模型的搭建方法，其特征在于，所述步驟2具體為：
4.如權(quán)利要求3所述的一種含植被河道的推移質(zhì)輸沙率預測模型的搭建方法，其特征在于，所述步驟3具體為：
5.如權(quán)利要求4所述的一種含植被河道的推移質(zhì)輸沙率預測模型的搭建方法，其特征在于，所述步驟4具體為：
6.如權(quán)利要求5所述的一種河道中推移質(zhì)輸沙率預測模型的搭建方法，其特征在于，所述步驟5具體...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張皎，陸鈺，李占斌，李鵬，王雯，王鵬皓，李婧，
申請(專利權(quán))人：西安理工大學，
類型：發(fā)明
國別省市：
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