CN110659783B - 有植被群落河道横断面平均流速纵向分布预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有植被群落河道横断面平均流速纵向分布预测方法，将河道沿垂直于水流的方向划分为植被区和无植被区，通过构建的植被区流速分布预测模型和无植被区流速分布预测模型，可同时实现对预测植被区和无植被区的横断面平均流速纵向分布预测，为进一步开展植被群落演变研究提供理论依据。

Description

有植被群落河道横断面平均流速纵向分布预测方法

技术领域

本发明属于水力学及河流动力学领域，涉及一种有植被群落河道流速分布预测方法，尤其涉及有非淹没植被群落的河道流速分布预测。

背景技术

一般植被会以不同形式生长在天然河道中，常见形式有两种：(1)植被呈群落状生长在河道过流区域和(2)植被大面积覆盖在河道两侧岸滩上。生长在河道过流区域的植被群落会改变局部区域的水流条件进而影响河床演变。河道过流区域的植被群落长宽比例(L/D，L为群落长度；D为群落宽度)通常为：L/D≈1.5～6。这是因为植被、水流和河床之间的相互作用造成的。

在非淹没植被群落内部，由于植被增大了局部阻力，水流进入植被群落后流速降低，进而引发局部水流紊动，造成河床冲刷，不利于植被的进一步生长和发展。在非淹没植被群落两侧，群落增大水流阻力造成水流发生横向偏转，引发群落两侧区域河床冲刷，阻碍植被群落的横向扩张。在非淹没植被群落尾端，流速与紊动强度由于植被群落的阻力作用均减小，会在植被群落尾端形成一个泥沙沉积区。水中吸附有机营养物的悬浮泥沙通常沉积在该区域，促进植被群落沿纵向扩张。综上，天然河道中的植被群落两侧的冲刷区域限制了植被群落的宽度发展，相反，尾部沉积区域促进了植被群落的纵向发展，这两方面作用共同影响植被群落的发展，造成群落宽度小于长度的特殊形态。

为了进一步研究植被群落与河床演变之间的交互影响关系，亟需知道植被群落内部及周围的流速分布情况。然而，天然条件下，很难花费长时间去持续测量植被群落内部及周围的流速分布。这是因为，流速测量需要花费大量时间，而天然河道中水流条件非恒定，测量结果会随上游来流量的变化而改变，容易造成测量结果不具代表性。在实验室条件下，虽然可以在恒定且均匀的水流条件下测得详细的群落内部及周围的流速分布，但需要花费大量的时间、人力和经费去完成测量工作。通常而言，在一条1米宽、15米长的试验水槽中构建一个宽0.4米、长10米的植被群落，采用ADV测量(多普勒流速测量)，采样频率为50Hz，每个点的采样时间至少需设定为2分30秒，在每天测量8小时条件下，详细测量群落内部及周围的流速分布需要花费近一个月。

因此，亟需一种简单、实用的方法预测植被群落内部及周围的纵向流速分布，为进一步开展植被群落演变研究提供理论依据。

发明内容

针对目前现有技术中难以有效预测非淹没植被群落河道流速分布的技术现状，本发明的目的旨在提供一种水流分布预测方法，基于衰减函数构建的预测模型，实现对植被群落区域及旁侧无植被区域的横断面平均流速纵向分布。

本发明适用于河道水流流速大于0cm/s的非淹没植被群落河道工况，因此水流变化可认为是二维的，即仅在水流方向和横向(垂直于水流的方向)。本发明中以x，y分别表示水流方向和横向。将有非淹没植被群落河道沿x方向以植被群落上游端(x＝0cm)为边界划分为两个区域：区域1(植被内部区域，x＞0cm)和区域2(植被上游区域，x＜0cm)，x＝0cm为两个区域的交界面。

本发明的发明思路为：将有植被群落的河道沿横向(y方向)划分为植被区和无植被区，分别对植被区和无植被区的水流纵向流速分布进行分析，得出适于该区域的水流纵向流速分布预测模型。经研究发现，在植被区内，因为水流流速在靠近植被群落前保持常数，靠近和进入植被群落后逐渐降低(x＝-L_u～L_I)，当x>L_I时，水流已充分发展，流速能够再次稳定为常数。L_u为植被群落上游的水流偏转距离；L_I为植被群落内部的水流偏转距离，L_u、L_I可以通过实验测量得到。L_u约等于1/2的植被群落宽度，即约等于b，其基本为一个常数，保持在30～50cm之间。L_I也可采用前人的经验公式计算：

(Rominger,J.T.,&Nepf,H.M.(2011).Flow adjustment and interior flow associatedwith a rectangular porous obstruction.Journal of Fluid Mechanics,680,636-659.)，式中，C_d为植被拖曳力系数，a为单位水体植被的阻水面积。对于植被外侧区域(即无植被区)，流速的变化区域与植被区内部流速的变化区域完全相反，这是因为植被引发的水流偏转将植被区的水导向无植被区，导致流速在两个水流偏转距离上(x＝-L_u～L_I)逐渐增大，而在x>L_I时，水流已充分发展，流速变为一个常数。由此可见，植被区和无植被区的横断面平均流速(本发明以横断面平均流速的纵向分布情况代表植被区或无植被区的纵向流速分布，植被区的横断面平均流速表示为U_veg，无植被区的横断面平均流速表示U_bare)，在相同水流偏转距离内(x＝-L_u～L_I)发生变化，在相同位置为常数(x<-L_u和x>L_I)。

基于上述发明思路，本发明提供的有植被群落河道横断面平均流速纵向分布预测方法，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，将河道沿水流方向划分为植被群落上游区域2及包含非淹没植被群落的区域1，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植被区沿水流方向的纵向流速分布：

区域1：

区域2：

式中，U_veg(1)为区域1的横断面平均流速，U_veg(2)为区域2的横断面平均流速，U_veg(f)为区域1植被内部水流充分发展区域x＞L_I的横断面平均流速，U_veg(0)为植被群落上游端边界x＝0cm处的横断面平均流速，U₀为河道上游x＜-L_u的平均流速，L_u和L_I分别为植被群落上游的水流偏转距离和植被群落内部的水流偏转距离，L_d(1)和L_d(2)分别为区域1和区域2中的衰减系数，

植被群落内的水流偏转与流速衰减均与植被密度有关，因此，用植被内部的水流偏转距离对流速衰减系数作无量纲处理，发现两者的比值为一个常数：L_d(1)/L_I＝0.30±0.01；

(3)依据以下预测模型确定无植被区横断面平均流速的纵向分布：

U_ba+e＝(U₀B-U_vegb)/(B-b) (2)；

式中，U_bare为无植被区沿水流方向的横断面平均流速，U_veg为步骤(2)得到的植被区内沿水流方向的横断面平均流速U_veg(1)或U_veg(2)，B为1/2河道宽度。

上述有植被群落河道横断面平均流速纵向分布预测方法，基于步骤(2)给出的用于确定植被区沿水流方向流速分布的预测模型为指数衰减函数，满足流体动力衰减的规律。为了确定植被区沿水流方向流速分布，需要确定河道上游x＜-L_u的平均流速U₀、区域1植被内部水流充分发展区域x＞L_I的横断面平均流速U_veg(f)、植被群落上游端边界中心位置x＝0cm处的横断面平均流速U_veg(0)、区域1中的衰减系数L_d(1)和区域2中的衰减系数L_d(2)。

上游平均流速U₀一般为已知流速，如U₀为未知数，可通过如下公式计算：

式中，g为重力加速度，h为河道水深，S为河道水面坡度，C_f为河道床面阻力系数。

在植被群落内部，水流充分发展区域(x>L_I)，可以依据以下公式来确定该区域内的水流平均流速：

式中，C_d为植被拖曳力系数(通常选取为1)；a为单位水体植被的阻水面积(a＝nd，其中n为植被密度，d为单个植被直径)；φ为单位面积植被所占的面积比例。

对于植被群落前端(x＝0cm)处横断面平均流速U_veg(0)，最准确的获取方式是通过测量得到。如果没有条件测量，可以依据以下公式来确定：

式中参数前文均有介绍。

下面对两个衰减指数(L_d(1)和L_d(2))的确定方法进行介绍。首先，在植被群落前端(x＝0cm)处，水流流速纵向梯度必须连续。具体来讲，公式(1a)和公式(1b)须满足如下条件：

由此可以得到：

进而可以得到L_d(1)与L_d(2)的关系：

从公式(8)可以看出，当L_d(1)确定后L_d(2)也就可以确定，这是由于对一个有非淹没植被群落的河道而言，三个流速(U₀，U_veg(f)，U_veg(0))在水流条件不变的情况下是不变的。

L_d(1)的确定方法如下：

由公式(1a)可以得到，

式中，U_veg(1)表示植被群落内区域1在x位置的平均流速(x>0cm)。

建立多组非淹没植被群落河道工况的试验模型，测量河道的U_veg(f)，U_veg(0)以及区域1在不同x位置的U_veg(1)，然后利用公式(9)计算植被群落内部每个x位置的L_d(1)(x)。在每个工况中，L_d(1)(x)的平均值定义为：

其中，M为植被群落内的测点数量。再对各组对应的L_I作无量纲处理，即取L_d(1)/L_I。为方便时说明，将L_d(1)/L_I定义为A_j，L_d(1)/L_I的不确定度定义为σ_Aj，j表示L_d(1)/L_I的个数(合计有N个工况)，采用公式

计算加权平均值，采用公式

计算加权平均值的不确定度，得到：

L_d(1)/L_I＝0.30±0.01 (10)。

根据前面的分析，植被区和无植被区的横断面平均流速，发生变化的区域相同，因此可以依据建立的植被区的横断面平均流速纵向分布预测模型，通过连续方程推导出无植被区的横断面平均流速纵向分布预测模型。在河道宽度为2B，植被群落宽度为2b的河道中，植被区与无植被区的横断面平均流速一定满足如下关系：

U_ba+e(2B-2b)+U_veg×2b＝U₀×2B (11)。

由此可以得到无植被区的横断面平均流速纵向分布：

U_ba+e＝(U₀B-U_vegb)/(B-b)。

当河道宽度远远大于植被群落宽度时(即，B>>b)，无植被区的横断面平均流速U_bare近似等于上游平均流速U₀。

目前还没有出现能够同时预测非淹没植被群落河道植被区域内和无植被区横断面平均流速纵向分布的模型，本发明提供的有植被群落河道流速分布预测方法具有如下有益效果：

1、本发明提供的河道流速预测方法，将河道沿垂直于水流的方向划分为植被区和无植被区，通过构建的植被区流速分布预测模型和无植被区流速分布预测模型，可同时实现对预测植被区和无植被区的横断面平均流速纵向分布预测，为进一步开展植被群落演变研究提供理论依据。

2、本发明提供的河道流速预测方法，构建的植被区横断面平均流速纵向分布模型为指数衰减函数，满足流体动力衰减的规律，通过该预测模型得到的植被区横断面平均流速纵向分布更接近于真实流速分布，预测精度高。

3、本发明提供的河道流速预测方法，不需开展流速测量，仅需要根据河道和植被群落的基本参数(包括河道宽度、植被群落宽度、植被群落密度、植被拖曳力系数、河道床面阻力系数等)，便可对植被区和无植被区横断面平均流速纵向分布进行预测，这样不仅能够降低研究成本，而且适用于工作人员不便于到达的河道区域，具有十分广泛的通用性。

附图说明

图1为有非淹没植被群落河道纵向水流发展示意图；水流方向(x方向)分区方法及横向(y)分区方法如图所示，植被区和无植被区，区域1和区域2标识在图上，灰色区域表示非淹没植被群落。

图2为本发明实施例工况A1非淹没植被群落在x＝420cm横断面位置的垂向平均流速横向分布图，植被群落长500cm。

图3为本发明实施例工况A1测量得到的有植被区和无植被区横断面平均流速纵向分布；以植被前端(x＝0cm)为边界，划分区域1(x>0cm)和区域2(x<0cm)。

图4无量纲衰减指数L_d(1)/L_I与植被密度φ的关系，L_d(1)/L_I的加权平均值为0.30±0.01(灰色横虚线)。

图5为不同工况中模型预测值与水槽试验实测值比较；(a)对应工况A1，φ＝0.015；(b)对应工况A2，φ＝0.023；(c)对应工况A3，φ＝0.045；两垂向虚线之间的区域表示植被群落；方块分别表示植被区的实测值，圆圈表示无植被区的实测值，两者对应的实线分别表示植被区和无植被区的预测结果；图中的5m，4m和3m分别表示植被群落的长度。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

实施例

本实施例对通过水槽试验得到的有非淹没植被群河道植被区和无植被区的横断面平均流速纵向分布及模型预测结果进行详细说明。

①试验目的

通过水槽试验测量有非淹没植被群落河道中植被区和无植被区中心纵剖面的纵向流速分布，并选择部分工况测量详细的纵向流速横向分布。确定不同植被密度下的植被区与无植被区横断面平均流速纵向分布，并将获取的植被区与无植被区的流速纵向分布与运用预测模型得到的流速分布相比较，以验证本发明所提供的有植被群落流速分布预测方法的准确性。

②试验设备

主要设备如下表1所示。

表1有非淹没植被群落的水槽试验装置

③试验工况

试验在23米长、2米宽、1米高的试验水槽中进行。从入口到距入口3m之间的距离为水流发展区，距入口3至距入口18m间的15m为试验区，植被群落前端布置在试验区域中心位置(距离入口10m位置)。水面比降S＝1×10^-4。该河道中的上游平均流速(U₀)通过架设在水槽上的ADV在植被群落前端5m处测量，选择该处测量是因为植被群落前端的水流偏转仅发生在植被前端50cm范围内，即L_u<50cm(见表2)。在所有工况中，上游来流量为65L/s,水深为h＝17.8cm，河道上游平均流速为U₀＝18cm/s。所有工况中水流均为紊流和缓流。

本实施例组建了长方形的模型植被群落并放置在水槽中心位置，这里的长方形模型植被群落不代表自然界中某一种具体的植被群落，仅仅设计为实施概化模型。因此，植被的形状并不是本专利的关注重点。工况A1-A3中，植被群落长度L＝3-5m，L的选择依据是大于植被群落内部的水流偏转距离L_I，以出现水流充分发展区域(对应U_veg(f))。L_u、L_I由各工况的纵向流速分布决定，将植被群落上游水流流速开始变化的位置到植被群落前端的距离定义为L_u，将在植被群落内部流速降低为常数的位置到植被群落前端的距离定义为L_I。工况A1-A3中L_I的取值汇总于表2。植被群落的1/2宽度b＝30到40cm。刚性的塑料圆棍均匀的插入水槽底部的带孔PVC板用于建造模型植被群，PVC板产生的河床阻力系数为C_f＝0.006。模拟非淹没植被的圆棍长20cm，大于水深17.8cm，所以，本研究中组件的模型植被群均为非淹没植被群，这与天然河流中通常观察到的植被群落(非淹没)一致。

模拟植被的刚性塑料棍不代表某种具体种类的植被，但与天然河道中常见的香蒲草有类似的刚性结构。基于天然河道中常见植被直径范围，d＝0.1-1cm(参见文献Lightbody,A.F.,&Nepf,H.M.(2006).Prediction of velocity profiles andlongitudinal dispersion in salt marsh vegetation.Limnology and Oceanography,51(1),218-228.和Sand-Jensen,K.A.J.(1998).Influence of submerged macrophyteson sediment composition and near-bed flow in lowland streams.FreshwaterBiol.,39(4),663–679.)，本实验考虑上述范围的中间值，选定直径为d＝0.4cm(工况A1-A3)的刚性圆棍模拟植被。基于此取到的试验结果具有较强的代表性。植被的密度为n＝0.12到0.36cm²。单位面积植被所占的面积比例

为0.015到0.045，该范围与天然河道中香蒲草φ(＝0.001to 0.04)的密度范围一致(参见Coon,W.F.,Bernard,J.M.,&Seischab,F.K.(2000).Effects of a cattail wetland on water quality ofirondequoit creek near rochester,New York(No.2000-4032).US Geological Survey.和Grace,James B.；Harrison,Janet S.1986.The biology of Canadian weeds.73.Typhalatifolia L.,Typha angustifolia L.and Typha x glauca Godr.Canadian Journal ofPlant Science.66:361-379.[17673])。植被拖曳力系数的选取为C_d(≈1)，基于Taninoand Nepf 2008的方法(Tanino,Y.,and Nepf,H.M.(2008).Laboratory investigation ofmean drag in a random array of rigid,emergent cylinders.J.Hydraul.Eng.,10.1061/(ASCE)0733-9429(2008)134:1(34),34–41.)

河道中的坐标系统定义在植被群落前端(x＝0cm)中心处。水流方向的坐标为x，x＝0cm表示植被群落最前端；与水流垂直的方向为y，y＝0cm为植被群落的中心位置；与水面垂直为z方向，z＝0cm为河床位置。三个方向上的流速分别为u(t)，v(t)和w(t)，采用多普勒流速测量(ADV)测量，水槽上配备了架设ADV的支架，该支架可沿x，y，z方向任意移动。使用ADV自带的数据处理软件处理三个方向上的瞬时流速数据，分别得到三个方向(x，y，z)上的时间平均流速(u，v，w)。流速测量均在1/2水深处(z＝9cm)，这是因为水深平均流速

与1/2水深处流速的差别小于6％，因此，以1/2水深处的测量流速作为水深平均流速U_d。

并对工况A1的流速横向分布在植被群落内水流充分发展区域内测量。由于该植被群落内部水流发展距离为3.5m，植被群落长度为5m，流速的测量误差在静水条件下(U₀＝0cm/s)确定为0.4cm/s。因此，本实施例工况A1中，流速横向分布和雷诺应力横向分布在位于距植被前端(x＝0cm)420cm处(即x＝4.2m)测量。测量结果如图2所示，图中每个点表示该位置的垂向平均流速U_d。

③试验结果分析

如图1所示，本实施例将有植被群落的河道沿横向(y方向)划分为植被区和无植被区，并将有非淹没植被群落河道沿x方向以植被群落上游端(x＝0cm)为边界划分为两个区域：区域1(植被内部区域，x＞0cm)和区域2(植被上游区域，x＜0cm)，x＝0cm为两个区域的交界面。

对工况A1的流速横向分布，在植被区1>y/b>-1，b为1/2植被群落宽度(b＝D/2，D为植被群落的宽度)，按照

计算x＝4.2m处植被区的横断面平均流速值U_veg，b为1/2植被群落宽度(＝D/2，D为植被群落的宽度)，得到U_veg＝2.3±0.5cm/s，这与中心点流速U_d＝2.1±0.4cm/s非常相近；类似的，在无植被区2.5≥y/b≥1和-1≥y/b≥-2.5，按照

计算x＝4.2m处植被区旁侧的无植被区的横断面平均流速U_bare，得到U_bare＝29.8±1.2cm/s，这与中心点流速U_d＝31.2±0.5cm/s非常相近。通过上述研究发现，在任意横截面，植被群落中心处垂向平均流速U_d等于植被区的横断面平均流速U_veg，

植被群落旁侧的无植被区中心处垂向平均流速U_d等于无植被区的横断面平均流速U_bare，

因此，测量时为了减少测量工作量和提高效率，在有所3组工况中采用测量植被区和无植被区中心处流速的方式近似代替测量植被区和无植被区的横断面平均流速。

各工况的试验参数汇总于表2。

表2有非淹没植被群落水槽试验各工况参数

表中：b为植被群落1/2宽度；L为植被群落长度；n为植被密度；a为单位水体植被的阻水面积(a＝nd，其中n为植被密度，d为单株植被直径)；C_dab为植被系数；φ为单位面积植被所占的面积比例；L_u为植被群落上游的水流偏转距离；L_I为植被群落内部的水流偏转距离；L_d(1)为区域1中的衰减指数；L_d(2)为区域2中的衰减指数；U_veg(f)为植被内部水流充分发展区域的横断面平均流速；U_veg(0)/U₀为无量纲植被群落前端横断面平均流速；U₀为上游河道平均流速。

通过实验测量得到有三种工况A1至A3植被群落河道的植被区和无植被区的横断面平均流速纵向分布，如图5所示。

下面给出L_d(1)的确定方法，以便于后面预测模型中使用。

按照

计算植被群落内部每个x位置的L_d(1)(x)。在每个工况中，L_d(1)(x)的平均值定义为：

其中，M为植被群落内的测点数量。采用本实施例中的3组工况试验数据计算L_d(1)(结果如表2所示)，用各组对应的L_I作无量纲处理，即取L_d(1)/L_I。得到植被群落密度φ＝0.015to 0.045范围内：L_d(1)/L_I＝0.27～0.37。为了研究L_d(1)/L_I在更大植被群落密度范围内(φ＝0.003to 0.38)的值，本实施例采用前人的三个系列试验数据进一步计算L_d(1)/L_I，发现L_d(1)/L_I＝0.23～0.37((1)Meftah,M.B.,&Mossa,M.2016.A modified log-law of flow velocity distribution in partlyobstructed open channels.Environmental Fluid Mechanics,16(2),453-479.；(2)Rominger,J.T.,Nepf,H.M.,2011.Flow adjustment and interior flow associatedwith a rectangular porous obstruction.J.Fluid Mech.680,636–659；(3)Zong,L.,Nepf,H.,2011.Spatial distribution of deposition within a patch ofvegetation.Water Resour.Res.47,W03516.https://doi.org/10.1029/2010WR009516.)。将上述计算得到的L_d(1)/L_I进行汇总，汇总结果见图4。考虑每个L_d(1)/L_I的标准差大小，计算加权平均值为：L_d(1)/L_I＝0.30±0.01。

为检验L_d(1)/L_I＝0.30±0.01的合理性，将该公式带入到公式(1a)预测x＝L_I的流速值U_veg(LI)，可以发现植被内部在水流偏转区域(x＝0～L_I)发生的流速变化(U_veg(0)-U_veg(LI))为整个植被内部流速变化(U_veg(0)-U_veg(f))的97％，表明绝大部分流速变化发生在水流偏转区域内(x＝0～L_I)，满足L_I的定义，说明L_d(1)/L_I＝0.30±0.01的经验关系是合理的。

L_d(2)可以根据公式

来确定。

通过预测模型得到植被群落河道的植被区和无植被区的横断面平均流速纵向分布：

(1)植被区沿水流方向的横断面平均流速纵向分布

依据以下预测模型确定植被区沿水流方向的横断面平均流速纵向分布：

区域1：

区域2：

式中，U_veg(1)为区域1的横断面平均流速，U_veg(2)为区域2的横断面平均流速，U_veg(f)为区域1植被内部水流充分发展区域x＞L_I的横断面平均流速，U_veg(0)为植被群落上游端边界x＝0cm处的横断面平均流速，U₀为河道上游x＜-L_u的平均流速，L_u和L_I分别为植被群落上游的水流偏转距离和植被群落内部的水流偏转距离，L_d(1)和L_d(2)分别为区域1和区域2中的衰减系数，

L_d(1)/L_I＝0.30±0.01。

三个工况河道区域1的河道上游x＜-L_u的平均流速U₀依据以下公式确定：

三个工况河道区域1的河道上游x＜-L_u的平均流速U₀计算结果见表3所示。

三个工况河道区域1的植被内部水流充分发展区域x＞L_I的横断面平均流速U_veg(f)依据以下公式确定：

三个工况河道区域1的植被去内水流充分展开区域的横断面平均流速U_veg(f)计算结果见表3所示。

三个工况河道区域1的植被群落上游端边界x＝0cm处的横断面平均流速U_veg(0)依据以下公式确定：

三个工况河道区域1的植被群落上游端边界中心位置x＝0cm处的横断面平均流速U_veg(0)计算结果见表3所示。

区域1和区域2中的衰减系数可以按照公式

和L_d(1)/L_I＝0.30±0.01计算得到，结果见表3。

将得到的U₀、U_veg(f)、U_veg(0)、L_d(1)和L_d(2)带入到公式(1)中，便可得到用于表征植被区区域1和区域2内的横断面平均流速纵向分布的函数，三个工况河道植被区域1和区域2内的横断面平均流速纵向分布函数曲线如图5所示。

(2)无植被区沿水流方向的横断面平均流速纵向分布

依据以下预测模型确定无植被区沿水流方向的横断面平均流速纵向分布：

U_ba+e＝(U₀B-U_vegb)/(B-b) (2)；

式中，U_bare为无植被区沿水流方向的横断面平均流速，U_veg为前面计算得到的植被区内沿水流方向的横断面平均流速U_veg(1)或U_veg(2)，B为1/2河道宽度，b为1/2植被群落宽度。

将得到的U₀、U_veg带入到公式(2)中，便可得到用于表征无植被区域1和区域2内的纵向流速分布的函数，三个工况河道无植被区域1和区域2内的横断面平均流速纵向分布函数曲线如图5所示。

从图5的实测值(图5中圆圈或方块)和模型预测值(图5中实线)比较来看，本发明提出的预测模型可以准确预测有不同密度植被群落河道中植被区和无植被区的横断面平均流速纵向分布。

表3各工况计算参数汇总表

表中，g为当地重力加速度；h为水深；S为水面坡降；a为单位水体植被的阻水面积(a＝nd，其中n为植被密度，d为植被直径)；C_d为植被拖曳力系数；φ为单位面积植被所占的面积比例；C_f为床面阻力系数；U₀为上游平均流速；U_veg(f)为植被内部水流充分发展区的横断面平均流速；U_veg(0)为植被群落前端处(x＝0cm)横断面平均流速。

Claims (3)

1.一种有植被群落河道横断面平均流速纵向分布预测方法，其特征在于，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，将河道沿水流方向划分为植被群落上游区域2及包含非淹没植被群落的区域1，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植被区沿水流方向的横断面平均流速纵向分布：

区域1：

；

区域2：

；

；

式中，U _veg(1)为区域1的横断面平均流速，U_veg(2)为区域2的横断面平均流速，U_veg(f)为区 域1植被内部水流充分发展区域x＞L_I的横断面平均流速，U_veg(0)为植被群落上游端边界x＝ 0cm处的横断面平均流速，U₀为河道上游x＜-L_u的平均流速，L_u为植被群落上游的水流偏转 距离，L_I为植被群落内部的水流偏转距离，L_d(1)为区域1中的衰减系数，x表示水流方向，L_d(2) 为区域2中的衰减系数，

，L_d(1) /L_I＝0.30±0.01，g为重力加 速度，h为河道水深，S为河道水面坡度，C _f 为河道床面阻力系数，C _d 为植被拖曳力系数，a为单 位水体植被的阻水面积，φ为单位面积植被所占的面积比例，b为1/2植被群落宽度；

(3)依据以下预测模型确定无植被区沿水流方向的横断面平均流速纵向分布：

U_bare =(U₀B-U_vegb)/(B-b)；

式中，U_bare为无植被区沿水流方向的横断面平均流速，U_veg为步骤(2)得到的植被区内沿水流方向的横断面平均流速U_veg(1)或U_veg(2)，B为1/2河道宽度。

2.根据权利要求1所述有植被群落河道横断面平均流速纵向分布预测方法，其特征在于，植被群落上游的水流偏转距离L_u的取值范围为30～50cm。

3.据权利要求1所述有植被群落河道横断面平均流速纵向分布预测方法，其特征在于，依据以下公式确定植被群落内部的水流偏转距离L_I：

。

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