CN113836630B - 一种考虑植被根系影响的河岸坍塌快速预测方法及系统 - Google Patents

一种考虑植被根系影响的河岸坍塌快速预测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种考虑植被根系影响的河岸坍塌快速预测方法及系统，方法包括：根据收集到的植被根系影响条件下河岸坍塌的河道基础资料确定河岸崩塌的河岸近岸处的流速数据；测定河岸的植被根系的特征指标；基于特征指标对植被根系影响下含根土体进行测定，得到植被根系影响下含根土体的力学强度特征；根据特征指标确定含根土有效粘聚力；根据流速数据、力学强度特征和含根土有效粘聚力判断河岸是否为坍塌状态。本发明提出的植被根系影响的河岸坍塌预测方法及系统，可快速、有效地判断植被根系发育条件下，河岸是否发生坍塌，并在具体实施例中能够预测河岸坍塌发生的时间和发生坍塌的宽度尺寸，可为植被根系影响的河岸坍塌预测及河道治理与保护提供技术支撑。

Description

一种考虑植被根系影响的河岸坍塌快速预测方法及系统
技术领域
本发明涉及河流动力技术领域，特别是涉及一种考虑植被根系影响的河岸坍塌快速预测方法及系统。
背景技术
河岸坍塌是冲积河流演变过程中普遍存在的一种现象，可能会使得河床产生横向变形以及河势发生变化，同时也是一种危害较大的自然灾害，不仅使得沿河农田土地坍失，而且还影响涉河工程建设和维护，加大河道治理与保护难度。
岸滩崩塌的影响因素众多，既与河道边界条件有关，又与水沙动力过程有关，涉及水、土、滨河植被等方面，机理十分复杂。随着生态保护意识日益增强，目前在河流开发管理方面十分注重河流系统生态功能的保护与修复。滨河植被是河流具有较好生态功能的一项重要表征，可以通过地下根系组织起到固滩护岸、稳定河势的作用，因而种植滨河植被这种措施在河道生态修复与治理工程中广为应用。但在草本、木本等不同类型植被发育条件下，水流冲刷作用下岸滩崩塌现象仍时有发生，影响治理效果，其坍塌模式与预测方法复杂，且植被根系影响较大，目前还没有很好的解决办法。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种考虑植被根系影响的河岸坍塌快速预测方法及系统。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种考虑植被根系影响的河岸坍塌快速预测方法，包括：
根据收集到的植被根系影响条件下河岸坍塌的河道基础资料确定河岸崩塌的河岸近岸处的流速数据；
测定河岸的植被根系的特征指标；所述特征指标包括根系直径、单根抗拉强度和剪切坍塌面的根系数量；
基于所述特征指标对植被根系影响下含根土体进行测定，得到所述植被根系影响下的含根土力学强度特征；所述含根土力学强度特征包括含根土的容重和含根土的抗拉强度；
基于根系与土体间拉拔缠绕关系，根据所述特征指标确定含根土有效粘聚力；
根据所述流速数据、所述植被根系的特征指标、所述含根土力学强度特征和所述含根土有效粘聚力判断河岸是否为坍塌状态。
优选地，所述根据收集到的植被根系影响条件下河岸坍塌的河道基础资料确定河岸崩塌的河岸近岸处的流速数据，包括：
收集所述河道基础资料；所述河道基础资料包括河道地形地质资料、水文资料、植被发育河岸土体性质和尺寸；
基于河流模拟理论，根据所述河道基础资料建立三维水流泥沙运动数学模型；
根据测量得到的边界资料对所述三维水流泥沙运动数学模型进行解析，得到所述流速数据。
优选地，所述测定河岸的植被根系的特征指标，包括：
基于水-根-土耦合作用机理，分别采用游标卡尺和拉拔试验测定所述根系直径和所述单根抗拉强度。
优选地，所述基于所述特征指标对植被根系影响下含根土体进行测定，得到所述植被根系影响下的含根土力学强度特征，包括：
根据环刀法测量未扰动的根土复合体，得到所述含根土的容重；
基于所述单根抗拉强度，根据所述根土复合体进行拉伸试验，得到所述含根土的抗拉强度。
优选地，所述基于根系与土体间拉拔缠绕关系，根据所述特征指标确定含根土有效粘聚力，包括：
获取河岸土体粘聚力、根系发生变形后的倾斜角、土的内摩擦角、根土复合体的剪切坍塌面面积；
根据公式
Figure BDA0003323661660000031
计算所述含根土有效粘聚力；其中，c为所述含根土有效粘聚力，cs为所述河岸土体粘聚力；βr为所述倾斜角；
Figure BDA0003323661660000032
为所述内摩擦角；As为所述剪切坍塌面面积；di为坍塌面的第i个所述根系直径；ni为坍塌面的第i个所述根系直径对应的所述根系数量；Ti为坍塌面的第i个所述根系直径对应的所述单根抗拉强度。
优选地，所述根据所述流速数据、所述植被根系的特征指标、所述含根土力学强度特征和所述含根土有效粘聚力判断河岸是否为坍塌状态，包括：
依据河岸冲刷侧蚀理论，测定河岸侧蚀系数；
根据公式
Figure BDA0003323661660000033
计算在预设时间的河岸下层冲刷距离；其中，ΔBf为所述河岸下层冲刷距离；Δt为所述预设时间；λ为所述河岸侧蚀系数；γ为水体容重；u为所述流速数据中的河道水流流速；uc为所述流速数据中的泥沙起动流速；γb为所述含根土的容重；
基于植被根系影响下河岸坍塌机理与力学模式，根据公式
Figure BDA0003323661660000034
计算在绕轴模式下坍塌的临界挂空宽度；其中，ΔWt为所述绕轴模式下坍塌的临界挂空宽度；Tb、γb分别为所述含根土的抗拉强度和所述含根土的容重；Hu为上部土层的高度；
基于植被根系影响下河岸坍塌机理与力学模式，根据公式
Figure BDA0003323661660000035
计算在剪切模式下坍塌的临界挂空宽度；其中，ΔWc为所述剪切模式下坍塌的临界挂空宽度；c为所述含根土有效粘聚力；
判断所述绕轴模式下坍塌的临界挂空宽度和所述剪切模式下坍塌的临界挂空宽度中的最小值是否小于所述河岸下层冲刷距离，若是，则确定河岸为坍塌状态，若否，则确定河岸为稳定状态。
优选地，所述根据所述流速数据、所述植被根系的特征指标、所述含根土力学强度特征和所述含根土有效粘聚力判断河岸是否为坍塌状态之后，还包括：
若所述河岸为坍塌状态，则根据所述流速数据、所述植被根系的特征指标、所述含根土力学强度特征和所述含根土有效粘聚力确定河岸发生坍塌的所需时间和临界宽度。
优选地，若所述河岸为坍塌状态，则根据所述流速数据、所述植被根系的特征指标、所述含根土力学强度特征和所述含根土有效粘聚力确定河岸发生坍塌的所需时间和临界宽度，包括：
根据公式
Figure BDA0003323661660000041
确定所述所需时间；其中，T为所述所需时间；
将所述绕轴模式下坍塌的临界挂空宽度和所述剪切模式下坍塌的临界挂空宽度中的最小值确定为所述临界宽度。
一种考虑植被根系影响的河岸坍塌快速预测系统，包括：
流速确定模块，用于根据收集到的植被根系影响条件下河岸坍塌的河道基础资料确定河岸崩塌的河岸近岸处的流速数据；
特征指标测定模块，用于测定河岸的植被根系的特征指标；所述特征指标包括根系直径、单根抗拉强度和剪切坍塌面的根系数量；
力学特征测定模块，用于基于所述特征指标对植被根系影响下含根土体进行测定，得到所述植被根系影响下的含根土力学强度特征；所述含根土力学强度特征包括含根土的容重和含根土的抗拉强度；
粘聚力确定模块，用于基于根系与土体间拉拔缠绕关系，根据所述特征指标确定含根土有效粘聚力；
判断模块，用于根据所述流速数据、所述植被根系的特征指标、所述含根土力学强度特征和所述含根土有效粘聚力判断河岸是否为坍塌状态。
优选地，所述流速确定模块具体包括：
收集单元，用于收集所述河道基础资料；所述河道基础资料包括河道地形地质资料、水文资料、植被发育河岸土体性质和尺寸；
模型建立单元，用于基于河流模拟理论，根据所述河道基础资料建立三维水流泥沙运动数学模型；
计算单元，用于根据测量得到的边界资料对所述三维水流泥沙运动数学模型进行解析，得到所述流速数据。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种考虑植被根系影响的河岸坍塌快速预测方法及系统，所述方法包括：根据收集到的植被根系影响条件下河岸坍塌的河道基础资料确定河岸崩塌的河岸近岸处的流速数据；测定河岸的植被根系的特征指标；基于所述特征指标对植被根系影响下含根土体进行测定，得到所述植被根系影响下的含根土力学强度特征；基于根系与土体间拉拔缠绕关系，根据所述特征指标确定含根土有效粘聚力；根据所述流速数据、所述植被根系的特征指标、所述含根土力学强度特征和所述含根土有效粘聚力判断河岸是否为坍塌状态。本发明提出的植被根系影响的河岸坍塌预测方法及系统，可快速、有效地判断植被根系发育条件下，河岸是否发生坍塌，并在具体实施例中能够预测河岸坍塌发生的时间和发生坍塌的宽度尺寸，可为植被根系影响的河岸坍塌预测及河道治理与保护提供技术支撑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的实施例中的河岸坍塌快速预测方法的方法流程图；
图2为本发明提供的实施例中的绕轴坍塌模式的第一示意图；
图3为本发明提供的实施例中的绕轴坍塌模式的第二示意图；
图4为本发明提供的实施例中的剪切坍塌模式的第一示意图；
图5为本发明提供的实施例中的剪切坍塌模式的第二示意图
图6为本发明提供的实施例中的河岸坍塌快速预测系统的模块连接图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
本申请的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤、过程、方法等没有限定于已列出的步骤，而是可选地还包括没有列出的步骤，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤元。
本发明的目的是提供一种考虑植被根系影响的河岸坍塌快速预测方法及系统，可快速、有效地判断植被根系发育条件下，河岸是否发生坍塌，为植被根系影响的河岸坍塌预测及河道治理与保护提供技术支撑。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明提供的实施例中的河岸坍塌快速预测方法的方法流程图，如图1所示，本发明提供了一种考虑植被根系影响的河岸坍塌快速预测方法，包括：
步骤100：根据收集到的植被根系影响条件下河岸坍塌的河道基础资料确定河岸崩塌的河岸近岸处的流速数据；
步骤200：测定河岸的植被根系的特征指标；所述特征指标包括根系直径、单根抗拉强度和剪切坍塌面的根系数量；
步骤300：基于所述特征指标对植被根系影响下含根土体进行测定，得到所述植被根系影响下的含根土力学强度特征；所述含根土力学强度特征包括含根土的容重和含根土的抗拉强度；
步骤400：基于根系与土体间拉拔缠绕关系，根据所述特征指标确定含根土有效粘聚力；
步骤500：根据所述流速数据、所述植被根系的特征指标、所述含根土力学强度特征和所述含根土有效粘聚力判断河岸是否为坍塌状态。
优选地，所述步骤100包括：
收集所述河道基础资料；所述河道基础资料包括河道地形地质资料、水文资料、植被发育河岸土体性质和尺寸；
基于河流模拟理论，根据所述河道基础资料建立三维水流泥沙运动数学模型；
根据测量得到的边界资料对所述三维水流泥沙运动数学模型进行解析，得到所述流速数据。
具体的，本实施例中首先收集需计算植被根系影响的河岸坍塌的河道地形地质资料、水文资料(流量、水位、来沙量过程等资料)、植被发育河岸土体性质和尺寸等基础资料。其次根据河道地形等资料，依据河流模拟理论，建立三维水流泥沙运动数学模型。然后依据河道流量、水位过程等边界资料，根据三维水流泥沙运动数学模型，计算河道水流流速分布以及泥沙输移信息。
优选地，所述步骤200具体包括：
基于水-根-土耦合作用机理，分别采用游标卡尺和拉拔试验测定所述根系直径和所述单根抗拉强度。
可选地，根据水-根-土耦合作用机理，测定植被根系的特征指标，包括根系直径d、单根抗拉强度T及剪切坍塌面根系数量n。其中根系直径采用游标卡尺测定，单根抗拉强度由拉拔试验获得。
优选地，所述步骤300具体包括：
根据环刀法测量未扰动的根土复合体，得到所述含根土的容重；
基于所述单根抗拉强度，根据所述根土复合体进行拉伸试验，得到所述含根土的抗拉强度。
进一步地，测定植被根系影响下的含根土力学强度特征，重点是含根土的容重γb和抗拉强度Tb。其中容重可由环刀法测定未扰动的根土复合体获得；由于根系与土体抗拉强度存在数量级差异，因此含根土的抗拉强度Tb通过采集根土复合体进行拉伸试验获得。
优选地，所述基于根系与土体间拉拔缠绕关系，根据所述特征指标确定含根土有效粘聚力，包括：
获取河岸土体粘聚力、根系发生变形后的倾斜角、土的内摩擦角、根土复合体的剪切坍塌面面积；
根据公式
Figure BDA0003323661660000081
计算所述含根土有效粘聚力；其中，c为所述含根土有效粘聚力，cs为所述河岸土体粘聚力；βr为所述倾斜角；
Figure BDA0003323661660000082
为所述内摩擦角；As为所述剪切坍塌面面积；di为坍塌面的第i个所述根系直径；ni为坍塌面的第i个所述根系直径对应的所述根系数量；Ti为坍塌面的第i个所述根系直径对应的所述单根抗拉强度。
具体的，含根土体有效黏聚力c的获得方法。通过考虑根系与土体间拉拔缠绕关系，利用根土复合体抗剪强度计算式对含根土有效粘聚力进行折算获得：
Figure BDA0003323661660000083
式中：cs为河岸土体粘聚力；βr为根系发生变形后的倾斜角；
Figure BDA0003323661660000084
为土的内摩擦角；As为根土复合体的剪切坍塌面面积；di为坍塌面不同的根系直径；ni为坍塌面不同直径根系对应的数目；Ti为坍塌面不同直径根系对应的抗拉强度。
优选地，所述根据所述流速数据、所述植被根系的特征指标、所述含根土力学强度特征和所述含根土有效粘聚力判断河岸是否为坍塌状态，包括：
依据河岸冲刷侧蚀理论，测定河岸侧蚀系数；
根据公式
Figure BDA0003323661660000085
计算在预设时间的河岸下层冲刷距离；其中，ΔBf为所述河岸下层冲刷距离；Δt为所述预设时间；λ为所述河岸侧蚀系数；γ为水体容重；u为所述流速数据中的河道水流流速；uc为所述流速数据中的泥沙起动流速；γb为所述含根土的容重；
基于植被根系影响下河岸坍塌机理与力学模式，根据公式
Figure BDA0003323661660000091
计算在绕轴模式下坍塌的临界挂空宽度；其中，ΔWt为所述绕轴模式下坍塌的临界挂空宽度；Tb、γb分别为所述含根土的抗拉强度和所述含根土的容重；Hu为上部土层的高度；
基于植被根系影响下河岸坍塌机理与力学模式，根据公式
Figure BDA0003323661660000092
计算在剪切模式下坍塌的临界挂空宽度；其中，ΔWc为所述剪切模式下坍塌的临界挂空宽度；c为所述含根土有效粘聚力；
判断所述绕轴模式下坍塌的临界挂空宽度和所述剪切模式下坍塌的临界挂空宽度中的最小值是否小于所述河岸下层冲刷距离，若是，则确定河岸为坍塌状态，若否，则确定河岸为稳定状态。
可选地，本实施例依据河岸冲刷侧蚀理论，测定河岸侧蚀系数λ。基于河岸坡脚处水流流速计算结果，河岸下层冲刷距离计算方法为：
Figure BDA0003323661660000093
式中：ΔBf为河岸冲刷距离；Δt为计算时间；λ为河岸侧蚀系数；γ为水体容重；u为近岸处水流流速；uc为泥沙起动流速；γb为河岸容重。
进一步地，本实施例依据植被根系影响下河岸坍塌机理与力学模式，分别采用剪切模式和绕轴模式，以准确判断河岸坍塌临界失稳，只要其中一种模式失稳，则判断为失稳坍塌。如图2和图3所示，植被根系影响的河岸坍塌临界宽度的计算方法为：
绕轴模式坍塌的临界挂空宽度：
Figure BDA0003323661660000094
式中：ΔWt为绕轴模式坍塌的临界挂空宽度；Tb、γb分别为植被根系影响下土层的抗拉强度及容重；Hu为上部土层的高度。
如图4和图5所示，剪切模式坍塌的临界挂空宽度：
Figure BDA0003323661660000101
式中：ΔWc为剪切模式坍塌的临界挂空宽度；c、γb分别为植被根系影响下土层的有效黏聚力及容重。
在本实施例中，基于河岸下层冲刷距离ΔBf，以及河岸坍塌临界宽度值ΔWc和ΔWt，可快速判断植被根系影响下河岸的稳定性；分别采用剪切模式和绕轴模式，以准确判断河岸坍塌临界失稳，只要其中一种模式失稳，则判断为失稳坍塌。即：当ΔBf≤min(ΔWc,ΔWt)时，河岸稳定；否则河岸坍塌。
优选地，所述根据所述流速数据、所述植被根系的特征指标、所述含根土力学强度特征和所述含根土有效粘聚力判断河岸是否为坍塌状态之后，还包括：
若所述河岸为坍塌状态，则根据所述流速数据、所述植被根系的特征指标、所述含根土力学强度特征和所述含根土有效粘聚力确定河岸发生坍塌的所需时间和临界宽度。
优选地，所述若所述河岸为坍塌状态，则根据所述流速数据、所述植被根系的特征指标、所述含根土力学强度特征和所述含根土有效粘聚力确定河岸发生坍塌的所需时间和临界宽度，包括：
根据公式
Figure BDA0003323661660000102
确定所述所需时间；其中，T为所述所需时间；
将所述绕轴模式下坍塌的临界挂空宽度和所述剪切模式下坍塌的临界挂空宽度中的最小值确定为所述临界宽度。
具体的，本实施例还公开了一种植被根系影响下河岸坍塌时间预测方法及河岸坍塌宽度。根据植被根系影响下河岸冲刷与坍塌理论，Δt计算时间内的河岸冲刷距离为ΔBf，以及河岸坍塌临界宽度值ΔWc和ΔWt，即可快速预测在持续冲刷条件植被根系影响下的河岸发生坍塌所需时间T为：
Figure BDA0003323661660000103
依据河岸坍塌理论，植被根系影响下河岸坍塌的宽度为min(ΔWc,ΔWt)。
本实施例还提供了一种用于河岸坍塌快速预测方法的具体计算示例，其步骤如下：
(1)收集计算植被根系影响条件下河岸坍塌的河道基础资料(河道地质、水文及河岸尺寸和土质资料)。
(2)根据基础资料，建立河道三维水流泥沙数学模型。
(3)根据河道三维水流泥沙数学模型，计算出需要预测植被根系影响下河岸崩塌的河岸近岸处水流流速值为0.58m/s。
(4)根据水-根-土耦合作用机理，测得草本根系平均直径为2mm，单根抗拉强度为15MPa，坍塌处剪切断面根系数量为200根。
(5)测得含根土体的容重为18kN/m3，抗拉强度为20kPa。
(6)河岸土体粘聚力20kPa，根系发生变形后的倾斜角为15°，土体内摩擦角为18°，根土复合体的剪切面面积为3m2，利用根土复合体抗剪强度计算式折算得到含根土有效粘聚力为24.78kPa。
(7)依据河岸冲刷侧蚀理论，测得河岸侧蚀系数值为0.1×10-4，计算时长Δt取24h，水体容重9.8kN/m3，近岸处水流流速0.58m/s，泥沙起动流速0.55m/s，河岸土体容重18kN/m3，计算所得计算时长内河岸下层冲刷距离ΔBf为0.12m。
(8)植被根系影响下河岸土层的抗拉强度20kPa，容重18kN/m3，土层的高度3m，依据植被根系影响下河岸坍塌机理与力学模式，采用绕轴模式，计算所得含植被根系的河岸坍塌临界宽度ΔWt为1.05m。植被根系影响下土层的有效黏聚力24.78kPa，容重18kN/m3，依据植被根系影响下河岸坍塌机理与力学模式，采用剪切模式，计算所得含植被根系的河岸坍塌临界宽度ΔWc为1.38m。
(9)河岸下层冲刷距离ΔBf为0.12m，按照绕轴破坏和剪切破坏模式计算所得植被根系影响下河岸坍塌临界宽度值ΔWt和ΔWc分别为1.05m和1.38m，计算结果满足ΔBf≤min(ΔWc,ΔWt)，因此可判断计算时段Δt内植被根系影响下河岸是稳定的，河岸不会坍塌。
(10)植被根系影响河岸坍塌时间及河岸坍塌宽度预测。根据河岸冲刷与坍塌理论，可快速预测在持续冲刷条件下河岸发生坍塌所需时间T为210小时，即约在第9天会发生河岸坍塌。发生河岸坍塌时的临界宽度为min(ΔWc,ΔWt)，即为：1.05m。
图6为本发明提供的实施例中的河岸坍塌快速预测系统的模块连接图，如图6所示，本发明还提供了一种考虑植被根系影响的河岸坍塌快速预测系统，包括：
流速确定模块，用于根据收集到的植被根系影响条件下河岸坍塌的河道基础资料确定河岸崩塌的河岸近岸处的流速数据；
特征指标测定模块，用于测定河岸的植被根系的特征指标；所述特征指标包括根系直径、单根抗拉强度和剪切坍塌面的根系数量；
力学特征测定模块，用于基于所述特征指标对植被根系影响下含根土体进行测定，得到所述植被根系影响下的含根土力学强度特征；所述含根土力学强度特征包括含根土的容重和含根土的抗拉强度；
粘聚力确定模块，用于基于根系与土体间拉拔缠绕关系，根据所述特征指标确定含根土有效粘聚力；
判断模块，用于根据所述流速数据、所述植被根系的特征指标、所述含根土力学强度特征和所述含根土有效粘聚力判断河岸是否为坍塌状态。
优选地，所述流速确定模块具体包括：
收集单元，用于收集所述河道基础资料；所述河道基础资料包括河道地形地质资料、水文资料、植被发育河岸土体性质和尺寸；
模型建立单元，用于基于河流模拟理论，根据所述河道基础资料建立三维水流泥沙运动数学模型；
计算单元，用于根据测量得到的边界资料对所述三维水流泥沙运动数学模型进行解析，得到所述流速数据。
本发明的有益效果如下：
本发明提出的一种考虑植被根系影响的河岸坍塌快速预测方法及系统，可快速、有效地判断植被根系发育条件下，河岸是否发生坍塌，并能够预测河岸坍塌发生的时间和发生坍塌的宽度尺寸，可为植被根系影响的河岸坍塌预测及河道治理与保护提供技术支撑。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种考虑植被根系影响的河岸坍塌快速预测方法，其特征在于，包括：
根据收集到的植被根系影响条件下河岸坍塌的河道基础资料确定河岸崩塌的河岸近岸处的流速数据；
测定河岸的植被根系的特征指标；所述特征指标包括根系直径、单根抗拉强度和剪切坍塌面的根系数量；
基于所述特征指标对植被根系影响下含根土体进行测定，得到所述植被根系影响下的含根土力学强度特征；所述含根土力学强度特征包括含根土的容重和含根土的抗拉强度；
基于根系与土体间拉拔缠绕关系，根据所述特征指标确定含根土有效粘聚力；
根据所述流速数据、所述植被根系的特征指标、所述含根土力学强度特征和所述含根土有效粘聚力判断河岸是否为坍塌状态；
所述基于根系与土体间拉拔缠绕关系，根据所述特征指标确定含根土有效粘聚力，包括：
获取河岸土体粘聚力、根系发生变形后的倾斜角、土的内摩擦角、根土复合体的剪切坍塌面面积；
根据公式
Figure FDA0003528768890000011
计算所述含根土有效粘聚力；其中，c为所述含根土有效粘聚力，cs为所述河岸土体粘聚力；βr为所述倾斜角；
Figure FDA0003528768890000012
为所述内摩擦角；As为所述剪切坍塌面面积；di为坍塌面的第i个所述根系直径；ni为坍塌面的第i个所述根系直径对应的所述根系数量；Ti为坍塌面的第i个所述根系直径对应的所述单根抗拉强度。
2.根据权利要求1所述的考虑植被根系影响的河岸坍塌快速预测方法，其特征在于，所述根据收集到的植被根系影响条件下河岸坍塌的河道基础资料确定河岸崩塌的河岸近岸处的流速数据，包括：
收集所述河道基础资料；所述河道基础资料包括河道地形地质资料、水文资料、植被发育河岸土体性质和尺寸；
基于河流模拟理论，根据所述河道基础资料建立三维水流泥沙运动数学模型；
根据测量得到的边界资料对所述三维水流泥沙运动数学模型进行解析，得到所述流速数据。
3.根据权利要求1所述的考虑植被根系影响的河岸坍塌快速预测方法，其特征在于，所述测定河岸的植被根系的特征指标，包括：
基于水-根-土耦合作用机理，分别采用游标卡尺和拉拔试验测定所述根系直径和所述单根抗拉强度。
4.根据权利要求1所述的考虑植被根系影响的河岸坍塌快速预测方法，其特征在于，所述基于所述特征指标对植被根系影响下含根土体进行测定，得到所述植被根系影响下的含根土力学强度特征，包括：
根据环刀法测量未扰动的根土复合体，得到所述含根土的容重；
基于所述单根抗拉强度，根据所述根土复合体进行拉伸试验，得到所述含根土的抗拉强度。
5.根据权利要求2所述的考虑植被根系影响的河岸坍塌快速预测方法，其特征在于，所述根据所述流速数据、所述植被根系的特征指标、所述含根土力学强度特征和所述含根土有效粘聚力判断河岸是否为坍塌状态，包括：
依据河岸冲刷侧蚀理论，测定河岸侧蚀系数；
根据公式
Figure FDA0003528768890000021
计算在预设时间的河岸下层冲刷距离；其中，ΔBf为所述河岸下层冲刷距离；Δt为所述预设时间；λ为所述河岸侧蚀系数；γ为水体容重；u为所述流速数据中的河道水流流速；uc为所述流速数据中的泥沙起动流速；γb为所述含根土的容重；
基于植被根系影响下河岸坍塌机理与力学模式，根据公式
Figure FDA0003528768890000022
计算在绕轴模式下坍塌的临界挂空宽度；其中，ΔWt为所述绕轴模式下坍塌的临界挂空宽度；Tb、γb分别为所述含根土的抗拉强度和所述含根土的容重；Hu为上部土层的高度；
基于植被根系影响下河岸坍塌机理与力学模式，根据公式
Figure FDA0003528768890000031
计算在剪切模式下坍塌的临界挂空宽度；其中，ΔWc为所述剪切模式下坍塌的临界挂空宽度；c为所述含根土有效粘聚力；
判断所述绕轴模式下坍塌的临界挂空宽度和所述剪切模式下坍塌的临界挂空宽度中的最小值是否小于所述河岸下层冲刷距离，若是，则确定河岸为坍塌状态，若否，则确定河岸为稳定状态。
6.根据权利要求5所述的考虑植被根系影响的河岸坍塌快速预测方法，其特征在于，所述根据所述流速数据、所述植被根系的特征指标、所述含根土力学强度特征和所述含根土有效粘聚力判断河岸是否为坍塌状态之后，还包括：
若所述河岸为坍塌状态，则根据所述流速数据、所述植被根系的特征指标、所述含根土力学强度特征和所述含根土有效粘聚力确定河岸发生坍塌的所需时间和临界宽度。
7.根据权利要求6所述的考虑植被根系影响的河岸坍塌快速预测方法，其特征在于，所述若所述河岸为坍塌状态，则根据所述流速数据、所述植被根系的特征指标、所述含根土力学强度特征和所述含根土有效粘聚力确定河岸发生坍塌的所需时间和临界宽度，包括：
根据公式
Figure FDA0003528768890000032
确定所述所需时间；其中，T为所述所需时间；
将所述绕轴模式下坍塌的临界挂空宽度和所述剪切模式下坍塌的临界挂空宽度中的最小值确定为所述临界宽度。
8.一种考虑植被根系影响的河岸坍塌快速预测系统，其特征在于，包括：
流速确定模块，用于根据收集到的植被根系影响条件下河岸坍塌的河道基础资料确定河岸崩塌的河岸近岸处的流速数据；
特征指标测定模块，用于测定河岸的植被根系的特征指标；所述特征指标包括根系直径、单根抗拉强度和剪切坍塌面的根系数量；
力学特征测定模块，用于基于所述特征指标对植被根系影响下含根土体进行测定，得到所述植被根系影响下含根土体的力学强度特征；所述力学强度特征包括含根土的容重和含根土的抗拉强度；
粘聚力确定模块，用于基于根系与土体间拉拔缠绕关系，根据所述特征指标确定含根土有效粘聚力；
判断模块，用于根据所述流速数据、所述植被根系的特征指标、所述含根土力学强度特征和所述含根土有效粘聚力判断河岸是否为坍塌状态；
所述基于根系与土体间拉拔缠绕关系，根据所述特征指标确定含根土有效粘聚力，包括：
获取河岸土体粘聚力、根系发生变形后的倾斜角、土的内摩擦角、根土复合体的剪切坍塌面面积；
根据公式
Figure FDA0003528768890000041
计算所述含根土有效粘聚力；其中，c为所述含根土有效粘聚力，cs为所述河岸土体粘聚力；βr为所述倾斜角；
Figure FDA0003528768890000042
为所述内摩擦角；As为所述剪切坍塌面面积；di为坍塌面的第i个所述根系直径；ni为坍塌面的第i个所述根系直径对应的所述根系数量；Ti为坍塌面的第i个所述根系直径对应的所述单根抗拉强度。
9.根据权利要求8所述的考虑植被根系影响的河岸坍塌快速预测系统，其特征在于，所述流速确定模块具体包括：
收集单元，用于收集所述河道基础资料；所述河道基础资料包括河道地形地质资料、水文资料、植被发育河岸土体性质和尺寸；
模型建立单元，用于基于河流模拟理论，根据所述河道基础资料建立三维水流泥沙运动数学模型；
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