CN112560306A - 一种确定入海河口生态植被水流阻力的方法 - Google Patents

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Abstract

一种确定入海河口生态植被水流阻力的方法，包括如下步骤：S1：基于阻力方程，并结合守恒型变形微分动量方程，反算出实时水流情况对应的阻力系数；S2：据此阻力系数，完成相应的水流阻力确定。本发明的一种确定入海河口生态植被水流阻力的方法，通过阻力方程与守恒型变形微分动量方程的联立，并结合实际测量，反算出不同水流情况的阻力系数，并据此阻力系数完成阻力值的确定，使得基于此的阻力值更能贴合与表征实际情况下的水流阻力。

Description

一种确定入海河口生态植被水流阻力的方法
技术领域
本发明属于水利工程领域，具体涉及一种确定入海河口生态植被水流阻力及阻力系数的方法。
背景技术
在水体流经有生态植被分布区域时，水体中的微团相互碰撞、混掺，此时水体流动的主要阻力是由植被产生的阻力。有生态植被分布的入海河口水域，由植被产生的水流阻力往往是主要阻力，这种由生态植被带来的水流阻力，会减缓水流流速，滞留水体中的泥沙和形成促淤等，对入海河口的沙体沙洲发育和生态植被的生长发展有明显的影响。因此，生态植被水流阻力的确定对入海河口的湿地规划、管理及影响研究具有重要意义。
目前现有水流阻力计算方程需要给定阻力系数，一维水流条件下已有多种确定阻力系数的方法，而二维非恒定流条件下的阻力系数取值都是基于经验选取，尚没有基于理论和观测试验来确定二维非恒定流条件下阻力系数的方法。
申请号为：201410193863.5的发明申请，公开了“一种含漂浮植物河道的模拟系统、水流阻力计算方法及装置”，其中，含漂浮植物河道的水流阻力计算方法包括：建立用于模拟河道的循环可变坡水槽系统，并在所述循环可变坡水槽系统中建立用于模拟漂浮植物的漂浮植物固定系统；调节所述循环可变坡水槽系统及漂浮植物固定系统，使其物理量参数满足设计要求，所述物理量参数包括水流量、水位及没入水中的植物长度；测量所述循环可变坡水槽系统中的水槽底坡及流速统计变量；根据所述测量的水槽底坡及流速统计变量，通过预设的计算模型，计算得到漂浮植物水流阻力。
申请号为：201510524660.4的发明申请，公开了“一种计算不同状态挺水植被水流阻力的方法”，主要包括四个步骤：计算单株挺水植被的阻力系数，计算单株挺水植被的阻力，计算单断面挺水植被群的水流阻力，计算多断面挺水植被群落的水流阻力。不仅能够直接计算挺水植被保持直立状态时的水流阻力，而且能够计算挺水植被处于摇摆状态或倒伏状态下的水流阻力。
申请号为：201610900304.2的发明申请，公开了“一种确定城市生态河道水流阻力的模拟系统及水流阻力计算方法”，所述的模拟系统包括城市生态河道模拟系统和河道水流阻力测量系统，所述城市生态河道模拟系统包括模拟城市生态河道和模拟植被带，所述模拟植被带置于所述模拟城市生态河道中。通过建立城市生态河道模拟系统和河道水流阻力测量系统，结合水力学阻力理论知识得出不同水力条件下的水流阻力，并利用力矩平衡原理计算水流阻力，建立的模拟系统简单实用，填补了城市生态河道水流阻力研究的空白，为城市生态河道规划设计提供技术支持。
发明内容
本发明提供了一种确定入海河口生态植被水流阻力的方法，其技术方案具体如下：
一种确定入海河口生态植被水流阻力的方法，其特征在于包括如下步骤：
S1：基于阻力方程，并结合守恒型变形微分动量方程，反算出实时水流情况对应的阻力系数；
S2：据此阻力系数，完成相应的水流阻力确定。
根据本发明的一种确定入海河口生态植被水流阻力的方法，其特征在于：
步骤S1中的阻力方程为一维恒定流或一维非恒定流阻力方程；反算出一维恒定流或一维非恒定流阻力系数。
根据本发明的一种确定入海河口生态植被水流阻力的方法，其特征在于：
步骤S1中的阻力方程为二维恒定流或二维非恒定流阻力方程；反算出二维恒定流或二维非恒定流阻力系数。
根据本发明的一种确定入海河口生态植被水流阻力的方法，其特征在于：
步骤S1具体包括如下步骤：
S11：根据阻力方程形成阻力系数表达；
S12：离散化守恒型变形微分动量方程；
S13：通过联立阻力系数表达与离散化的守恒型变形微分动量方程，并结合测量确定的数值，形成时间序列上的非恒定流阻力系数确定。
根据本发明的一种确定入海河口生态植被水流阻力的方法，其特征在于：
所述的守恒型变形微分动量方程为：
Figure BDA0002830173870000021
其中，
u：x方向的流速，单位：m/s；
v：y方向的流速，单位：m/s；
ρ：水密度，单位：kg/m3；
g：重力加速度，单位：m/s2；
t：计算时间，单位：s；
η：水位，单位：m；
h：总水深，单位：m；
τx：x方向的阻力，单位：N；
τy：y方向的阻力，单位：N。
根据本发明的一种确定入海河口生态植被水流阻力的方法，其特征在于：
所述的阻力方程为：
Figure BDA0002830173870000031
其中，
Figure BDA0002830173870000032
u：x轴向的平均流速分量，单位：m/s；
v：y轴向的平均流速分量，单位：m/s；
ρ：水密度，单位：kg/m3；
g：重力加速度，单位：m/s2；
n：阻力系数，为无量纲数；
h：总水深，单位：m；
τx：x方向的阻力，单位：N；
τy：y方向的阻力，单位：N。
根据本发明的一种确定入海河口生态植被水流阻力的方法，其特征在于：
步骤S12的离散化通过有限差分法与有限体积法综合完成。
根据本发明的一种确定入海河口生态植被水流阻力的方法，其特征在于：
步骤S13中的联立阻力系数表达与离散化的守恒型变形微分动量方程，具体如下：
Figure BDA0002830173870000041
其中，
m：计算时间分步编号；
Δxj：控制体单元第j条边的x方向增量，单位：m；
Δyj：控制体单元第j条边的y方向增量，单位：m；
K：控制体边个数；
f：控制体单元的中心；
Figure BDA0002830173870000042
：时间编号m对应时间的边中心的总水深，单位：m；
Figure BDA0002830173870000043
：时间编号m+1对应时间的边中心的总水深，单位：m；
Figure BDA0002830173870000044
：时间编号m对应时间的x轴向的边中心的平均流速分量，单位：m/s；
Figure BDA0002830173870000045
：时间编号m+1对应时间的x轴向的边中心的平均流速分量，单位：m/s；
Figure BDA0002830173870000046
：时间编号m对应时间的y轴向的边中心的平均流速分量，单位：m/s；
Figure BDA0002830173870000047
：时间编号m+1对应时间的y轴向的边中心的平均流速分量，单位：m/s；
Figure BDA0002830173870000048
：时间编号m对应时间的单元中心的总水深，单位：m；
Figure BDA0002830173870000049
：时间编号m对应时间的x轴向的单元中心的平均流速分量，单位：m/s；
Figure BDA00028301738700000410
：时间编号m对应时间的y轴向的单元中心的平均流速分量，单位：m/s；
Figure BDA00028301738700000411
：时间编号m对应时间的单元中心的水位，单位：m；
da：控制单元面积，单位：m2。
根据本发明的一种确定入海河口生态植被水流阻力的方法，其特征在于：
步骤S13中所述的测量确定，具体为：
先组建与布放观测设备，而后根据观测设备实时采集相应数据、计算完成相应数值的测量确定。
根据本发明的一种确定入海河口生态植被水流阻力的方法，其特征在于：
所述观测设备包括有：
用于测量近底高分辨率流速场的多普勒声学流速剖面仪及脉冲耦合模式多普勒声学流速剖面仪；
用于测量近底高精度流速过程与紊动过程的多普勒点流速仪；
用于获取水体中悬浮物浊度的光学后向散射浊度仪；
用于测量波浪和潮高的浪潮仪。
本发明的一种确定入海河口生态植被水流阻力的方法，通过阻力方程与守恒型变形微分动量方程的联立，并结合实际测量，反算出时间序列上的二维非恒定流阻力系数，并据此阻力系数完成阻力值的确定，使得基于此的阻力值更能贴合与表征实际情况下的二维非恒定流水流阻力(该技术方案同样适用于二维恒定流以及一维恒定或一维非恒定流)；针对现况中的入海河口区域的水动力受径潮流影响，具有明显的非恒定性及二维特征，且入海河口的生态植被具有复杂的生物特征，导致入海河口生态植被水流阻力通常难以精确给定的问题，提供了一种便于获取二维非恒定流阻力系数的现场测量方案以及基于现场观测的二维非恒定流阻力系数的计算与确定方法，通过此阻力系数，提高入海河口生态植被水流阻力的计算准确度，为确定入海河口生态植被水流阻力提供了新的便捷、高精度和科学的方法，对入海河口的湿地规划、管理及影响研究具有重要意义。
附图说明
图1为本发明的步骤示意图；
图2为本发明中的阻力系数确定步骤示意图；
图3为本发明实施例中的生态植被水流阻力计算示意图；
图4为本发明实施例中的控制单元结构及观测示意图。
具体实施方式
下面，根据说明书附图和具体实施方式对本发明的一种确定入海河口生态植被水流阻力的方法作进一步具体说明。
如图1所示的一种确定入海河口生态植被水流阻力的方法，其特征在于包括如下步骤：
S1：基于阻力方程，并结合守恒型变形微分动量方程，反算出实时水流情况对应的阻力系数；
S2：据此阻力系数，完成相应的水流阻力确定。
其中，
步骤S1中的阻力方程为一维恒定流或一维非恒定流阻力方程；反算出一维恒定流或一维非恒定流阻力系数。
其中，
步骤S1中的阻力方程为二维恒定流或二维非恒定流阻力方程；反算出二维恒定流或二维非恒定流阻力系数。
其中，
步骤S1具体包括如下步骤，如图2所示：
S11：根据阻力方程形成阻力系数表达；
S12：离散化守恒型变形微分动量方程；
S13：通过联立阻力系数表达与离散化的守恒型变形微分动量方程，并结合测量确定的数值，形成时间序列上的非恒定流阻力系数确定。
其中，
所述的守恒型变形微分动量方程为：
Figure BDA0002830173870000061
其中，
u：x方向的流速，单位：m/s；
v：y方向的流速，单位：m/s；
ρ：水密度，单位：kg/m3；
g：重力加速度，单位：m/s2；t：计算时间，单位：s；
η：水位，单位：m；
h：总水深，单位：m；
τx：x方向的阻力，单位：N；
τy：y方向的阻力，单位：N。
其中，
所述的阻力方程为：
Figure BDA0002830173870000062
其中，
Figure BDA0002830173870000063
u：x轴向的平均流速分量，单位：m/s；
v：y轴向的平均流速分量，单位：m/s；
ρ：水密度，单位：kg/m3；
g：重力加速度，单位：m/s2；
n：阻力系数，为无量纲数；
h：总水深，单位：m；
τx：x方向的阻力，单位：N；
τy：y方向的阻力，单位：N。
其中，
步骤S12的离散化通过有限差分法与有限体积法综合完成。
其中，
步骤S13中的联立阻力系数表达与离散化的守恒型变形微分动量方程，具体如下：
Figure BDA0002830173870000071
其中，
m：计算时间分步编号；
Δxj：控制体单元第j条边的x方向增量，单位：m；
Δyj：控制体单元第j条边的y方向增量，单位：m；
K：控制体边个数；
f：控制体单元的中心；
Figure BDA0002830173870000072
：时间编号m对应时间的边中心的总水深，单位：m；
Figure BDA0002830173870000073
：时间编号m+1对应时间的边中心的总水深，单位：m；
Figure BDA0002830173870000074
：时间编号m对应时间的x轴向的边中心的平均流速分量，单位：m/s；
Figure BDA0002830173870000075
：时间编号m+1对应时间的x轴向的边中心的平均流速分量，单位：m/s；
Figure BDA0002830173870000076
：时间编号m对应时间的y轴向的边中心的平均流速分量，单位：m/s；
Figure BDA0002830173870000077
：时间编号m+1对应时间的y轴向的边中心的平均流速分量，单位：m/s；
Figure BDA0002830173870000081
：时间编号m对应时间的单元中心的总水深，单位：m；
Figure BDA0002830173870000082
：时间编号m对应时间的x轴向的单元中心的平均流速分量，单位：m/s；
Figure BDA0002830173870000083
：时间编号m对应时间的y轴向的单元中心的平均流速分量，单位：m/s；
Figure BDA0002830173870000084
：时间编号m对应时间的单元中心的水位，单位：m；
da：控制单元面积，单位：m2。
其中，
步骤S13中所述的测量确定，具体为：
先组建与布放观测设备，而后根据观测设备实时采集相应数据、计算完成相应数值的测量确定。
其中，
所述观测设备包括有：
用于测量近底高分辨率流速场的多普勒声学流速剖面仪及脉冲耦合模式多普勒声学流速剖面仪；
用于测量近底高精度流速过程与紊动过程的多普勒点流速仪；
用于获取水体中悬浮物浊度的光学后向散射浊度仪；
用于测量波浪和潮高的浪潮仪。
实施例
目前已有的水流阻力及阻力系数的获取方法描述如下：
(1)一维恒定流条件下的阻力计算方法
现有的一维恒定流条件下的阻力τ计算方程如下：
Figure BDA0002830173870000085
其中ρ为水密度，g为重力加速度，n即为阻力系数，U为垂线平均流速，h为垂线水深，这里n一般为实验结果或按经验取值。
(2)二维恒定和非恒定流条件下的阻力计算方法
二维恒定流和非恒定流的阻力计算一般借用式(1)的形式，分解成x和y两个方向的阻力，其计算可描述如下：
Figure BDA0002830173870000086
这里
Figure BDA0002830173870000091
u和v分别为x和y轴两个方向的平均流速分量，n值一般直接选取一维恒定流时的实验室结果或者直接按经验取值。
(3)阻力系数n试验室获取方法
①一维恒定流条件下阻力系数获取方法
式(1)和(2)中最为关键是确定阻力系数的取值。一维情况下的n可以通过实验室获取，其主要通过变坡水槽或者平底水槽，其计算式如下：
①当变坡水槽时：
Figure BDA0002830173870000092
其中，i为水面坡降，当水面坡降和底坡一致时上式可通过试验测量数据求出阻力及阻力系数。
②当用平底水槽时：
Figure BDA0002830173870000093
其中
Figure BDA0002830173870000094
表示偏导数，V＝(V1+V2)/2，h1、h2、U1、U2分别为图3中1、2断面的水深和平均流速，i为底坡，Δl为计算断面长度，τ为阻力。
②二维非恒定流条件下的阻力系数获取方法
目前采用的方法是直接用一维恒定条件下的阻力系数进行。
(4)现有的阻力系数获取方法的存在的问题
目前关于植被水流阻力系数的确定方法研究基本都是基于一维恒定的水流条件，但入海河口的实际水流具有非恒定性及二维特征，导致常用的水流阻力系数估算得到的阻力与实际会有较大的误差。
另外，生态植被本身具有枝叶茂密枯萎、植被密度以及种类的多样性等生态特征，采用经验确定阻力系数的方法误差比较大。
3、本实施例的技术方案
(1)提出了一种基于现场观测的二维非恒定流阻力系数的计算新公式
在二维非恒定流条件下，略去高阶项和科氏力等相对小值后，常用的守恒型动量方程可写成如下格式：
Figure BDA0002830173870000101
其中，u、v分别为x和y方向的流速，t为计算时间，η为水位，h为总水深，τx、τy为x和y方向的阻力。
改写式(4)，则含有生态植被的水流阻力计算式描述成如下形式：
Figure BDA0002830173870000102
采用有限差分和有限体积法在控制体上进行式(5)的离散，可获得控制体单元的水流阻力，如下计算式描述：
Figure BDA0002830173870000103
其中，m为计算时间分步编号，Δxj和Δyj为控制体单元第j条边的x和y方向增量，k为控制体边个数，f表示控制体单元的中心，da为单元面积；
根据式(2)和(6)，可得二维非恒定流的阻力系数n的计算式，描述如下：
Figure BDA0002830173870000104
因此，确定二维非恒定流阻力系数的计算公式的最终形式可描述如下：
Figure BDA0002830173870000105
(8)
式(8)中计算需要的主要参数，
Figure BDA0002830173870000111
Figure BDA0002830173870000112
及Δxj、Δyj等，都可以很容易的通过现场测量的方式获取，详细测量方法参见下述。
(2)设计了一套便于获取二维非恒定流阻力系数的现场测量方案
本实施例先选用观测测量装置进行测量。所述观测测量装置由支架及设在支架上的多普勒声学流速剖面仪、脉冲耦合模式多普勒声学流速剖面仪、多普勒点流速仪、光学后向散射浊度仪及浪潮仪组成；
所述支架呈正棱台状，分三层设置，其中，所述多普勒声学流速剖面仪及脉冲耦合模式多普勒声学流速剖面仪用于测量近底高分辨率流速场；所述多普勒点流速仪用于测量近底高精度流速过程与紊动过程；所述光学后向散射浊度仪用于获取水体中悬浮物浊度；所述浪潮仪用于测量波浪和潮高。
通过对上述观测装置中各仪器的调制、布放与采集数据及数据处理等步骤，完成本实施例需要的观测点流速、水深和水位的观测。
具体方案设计如下：为了获取式(8)中计算需要的节点(实心黑圆)位置处的数据，布置观测点位置如图4所示(三角形单元的m＝3，即测量4个点)，并把观测点包围形成的三角形区域作为计算生态植被水流阻力系数的计算单元，通过距离测量可获取Δxj、Δyj。
本发明的一种确定入海河口生态植被水流阻力的方法，通过阻力方程与守恒型变形微分动量方程的联立，并结合实际测量，反算出时间序列上的二维非恒定流阻力系数，并据此阻力系数完成阻力值的确定，使得基于此的阻力值更能贴合与表征实际情况下的二维非恒定流水流阻力(该技术方案同样适用于二维恒定流以及一维恒定或一维非恒定流)；针对现况中的入海河口区域的水动力受径潮流影响，具有明显的非恒定性及二维特征，且入海河口的生态植被具有复杂的生物特征，导致入海河口生态植被水流阻力通常难以精确给定的问题，提供了一种便于获取二维非恒定流阻力系数的现场测量方案以及基于现场观测的二维非恒定流阻力系数的计算与确定方法，通过此阻力系数，提高入海河口生态植被水流阻力的计算准确度，为确定入海河口生态植被水流阻力提供了新的便捷、高精度和科学的方法，对入海河口的湿地规划、管理及影响研究具有重要意义。

Claims (10)

1.一种确定入海河口生态植被水流阻力的方法，其特征在于包括如下步骤：
S1：基于阻力方程，并结合守恒型变形微分动量方程，反算出实时水流情况对应的阻力系数；
S2：据此阻力系数，完成相应的水流阻力确定。
2.根据权利要求1所述的一种确定入海河口生态植被水流阻力的方法，其特征在于：
步骤S1中的阻力方程为一维恒定流或一维非恒定流阻力方程；反算出一维恒定流或一维非恒定流阻力系数。
3.根据权利要求1所述的一种确定入海河口生态植被水流阻力的方法，其特征在于：
步骤S1中的阻力方程为二维恒定流或二维非恒定流阻力方程；反算出二维恒定流或二维非恒定流阻力系数。
4.根据权利要求1所述的一种确定入海河口生态植被水流阻力的方法，其特征在于：
步骤S1具体包括如下步骤：
S11：根据阻力方程形成阻力系数表达；
S12：离散化守恒型变形微分动量方程；
S13：通过联立阻力系数表达与离散化的守恒型变形微分动量方程，并结合测量确定的数值，形成时间序列上的非恒定流阻力系数确定。
5.根据权利要求1所述的一种确定入海河口生态植被水流阻力的方法，其特征在于：
所述的守恒型变形微分动量方程为：
Figure FDA0002830173860000011
其中，
u：x方向的流速，单位：m/s；
v：y方向的流速，单位：m/s；
ρ：水密度，单位：kg/m3；
g：重力加速度，单位：m/s2；
t：计算时间，单位：s；
η：水位，单位：m；
h：总水深，单位：m；
τx：x方向的阻力，单位：N；
τy：y方向的阻力，单位：N。
6.根据权利要求3所述的一种确定入海河口生态植被水流阻力的方法，其特征在于：
所述的阻力方程为：
Figure FDA0002830173860000021
其中，
Figure FDA0002830173860000022
u：x轴向的平均流速分量，单位：m/s；
v：y轴向的平均流速分量，单位：m/s；
ρ：水密度，单位：kg/m3；
g：重力加速度，单位：m/s2；
n：阻力系数，为无量纲数；
h：总水深，单位：m；
τx：x方向的阻力，单位：N；
τy：y方向的阻力，单位：N。
7.根据权利要求4所述的一种确定入海河口生态植被水流阻力的方法，其特征在于：
步骤S12的离散化通过有限差分法与有限体积法综合完成。
8.根据权利要求7所述的一种确定入海河口生态植被水流阻力的方法，其特征在于：
步骤S13中的联立阻力系数表达与离散化的守恒型变形微分动量方程，具体如下：
Figure FDA0002830173860000023
其中，
m：计算时间分步编号；
Δxj：控制体单元第j条边的x方向增量，单位：m；
Δyj：控制体单元第j条边的y方向增量，单位：m；
K：控制体边个数；
f：控制体单元的中心；
Figure FDA0002830173860000031
时间编号m对应时间的边中心的总水深，单位：m；
Figure FDA0002830173860000032
时间编号m+1对应时间的边中心的总水深，单位：m；
Figure FDA0002830173860000033
时间编号m对应时间的x轴向的边中心的平均流速分量，单位：m/s；
Figure FDA0002830173860000034
时间编号m+1对应时间的x轴向的边中心的平均流速分量，单位：m/s；
Figure FDA0002830173860000035
时间编号m对应时间的y轴向的边中心的平均流速分量，单位：m/s；
Figure FDA0002830173860000036
时间编号m+1对应时间的y轴向的边中心的平均流速分量，单位：m/s；
Figure FDA0002830173860000037
时间编号m对应时间的单元中心的总水深，单位：m；
Figure FDA0002830173860000038
时间编号m对应时间的x轴向的单元中心的平均流速分量，单位：m/s；
Figure FDA0002830173860000039
时间编号m对应时间的y轴向的单元中心的平均流速分量，单位：m/s；
Figure FDA00028301738600000310
时间编号m对应时间的单元中心的水位，单位：m；
da：控制单元面积，单位：m2。
9.根据权利要求4所述的一种确定入海河口生态植被水流阻力的方法，其特征在于：
步骤S13中所述的测量确定，具体为：
先组建与布放观测设备，而后根据观测设备实时采集相应数据、计算完成相应数值的测量确定。
10.根据权利要求9所述的一种确定入海河口生态植被水流阻力的方法，其特征在于：
所述观测设备包括有：
用于测量近底高分辨率流速场的多普勒声学流速剖面仪及脉冲耦合模式多普勒声学流速剖面仪；
用于测量近底高精度流速过程与紊动过程的多普勒点流速仪；
用于获取水体中悬浮物浊度的光学后向散射浊度仪；
用于测量波浪和潮高的浪潮仪。
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