CN210194532U

CN210194532U - 用于推移质输沙率研究的植被群落河道模型

Info

Publication number: CN210194532U
Application number: CN201920813368.8U
Authority: CN
Inventors: Chao Liu; 刘超; Yuqi Shan; 单钰淇
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2019-02-21
Filing date: 2019-05-31
Publication date: 2020-03-27
Anticipated expiration: 2029-05-31

Abstract

本实用新型公开了一种用于推移质输沙率研究的植被群落河道模型，主要由水槽、位于水槽上游的上游水箱和加沙口、随机分布于水槽槽底上的模拟植被群落、位于水槽下游的下游水箱和集沙口，以及用于实现水沙循环的循环注水系统和循环加沙系统构成，该模拟植被群落在水槽内随机分布，其大小和密度能较真实的还原天然河道的植被群落生长特点；还能够实现对不同工况的模拟，有助于推移质输沙率研究工作的开展。此外，本实用新型在确定好植被群落的随机圆点后，便可确定了植被群落的分布情况，简化了植被群落布设流程和设计、施工难度，进而提高了工况构建效率，有助于提高推移质输沙率研究工作的工作效率。

Description

用于推移质输沙率研究的植被群落河道模型

技术领域

本实用新型属于水力学及河流动力学领域，涉及一种河道推移质输沙率预测技术，具体涉及一种用于推移质输沙率研究的植被群落河道模型。

背景技术

天然湿地、河流中生长了大量植被，这些植被分散在河道的不同区域，每个区域的植被又聚集在一起呈簇团状生长。小范围内聚集生长的植被被称为植被群落。植被群落通常独立生长，即河道内能同时存在多个植被群落，互相之间不关联且不连接，这是由于植被群落对河道中局部水流结构的影响形成的。当植被群落生长在河道中时，植被群落两侧因为水流偏转引起群落两侧的河床冲刷，形成冲刷坑，进而限制植被群落的横向扩张。当植被群落发展至高密度群落时，其尾端会产生卡门涡街引起植被群落尾端水流紊动激增，导致该植被群落尾端后侧河床出现冲刷，限制植被群落的纵向扩张。因此，河道中的植被一旦扎根生长在过流区域，由于上述两种原因，最终都会以大量独立群落的形式分布在河道中。

天然河道中的植被群落通常以随机分布的形式生长，因为植被会竞争土壤营养进而导致植被群落之间通常会保持一定的距离。这会促进植被以群落形式分布在河道过流区域。相对于大面积分布的植被，随机分布的植被群落会造成水流结构在横向和纵向上的复杂变化，导致推移质输沙能力在植被群落区域和无植被群落区域出现巨大差异，最终改变河道整体的输沙能力。对于天然河道，在水深及流量已知的条件下，水利工作者很希望能够有模型能够准确预测复杂植被群落分布条件下的河道推移质输沙率，这可以为河道生态修复，河道清淤整治等提供理论依据和技术支持。

然而，开展推移质输沙率的研究，尤其是预测有植被群落河道的推移质输沙率需要各种高密度植被群落河道和低密度植被群落河道模型作为研究基础，在此基础上再进行理论模型的研究。由于涉及工况较多，若采用传统的河道试验模型，不仅成本较高，耗时费力，而且植被群落的排布受人为影响，难以模拟自然河道植被群落分布，不利于推移质输沙率预测研究的开展。

发明内容

针对目前缺少针对用于推移质输沙率研究的植被群落河道模型的技术现状，本实用新型旨在提供一种基于随机生成机制的植被群落河道模型，能够实现植被群落河道模型的高效搭建，该河道模型能够用于开展推移质输沙率的研究。

本实用新型基于天然河道植被群落的随机分布特点，参考收集的天然河道植被群落密度(2～8个/m²)范围，设计一种有随机分布植被群落的河道模型，该模型中的植被群落随机分布，植被群落大小和植被群落密度能较真实的还原天然河道的植被群落生长特点。

本实用新型提供的用于推移质输沙率研究的植被群落河道模型，包括水槽、位于水槽上游的上游水箱和加沙口、随机分布于水槽槽底上的模拟植被群落、位于水槽下游的下游水箱和集沙口，以及用于实现水沙循环的循环注水系统和循环加沙系统；任一模拟植被群落圆心到水槽边壁的间距不小于D/2，D为植被群落的直径；所述循环注水系统由循环水泵和输水管道构成，循环水泵的进口通过输水管道与下游水箱连通，循环水泵的出口通过输水管道与上游水箱连通；所述循环加沙系统由循环沙泵和输沙管道构成，循环泵的进口通过输沙管道与下游的集沙口连通，循环沙泵的出口通过输沙管道与上游的加沙口连通。

上述用于推移质输沙率研究的植被群落河道模型，所述模拟植被群落由底板和固定于底板上的模拟植被株构成。所述底板为PVC材质的底板，所述模拟植被株为木棍。模拟植被群落由若干模拟植被株依照设定的植株密度进行布设，每株模拟植被株对应PVC底板上的一个安装孔，通过改变单位空间内植株密度，可以实现在相同植被群落直径D条件下，获得高密度或低密度植被群落。所述模拟植被株的木棍的直径与PVC底板上安装孔的直径相同。PVC底板上安装孔中心位置代表其在PVC底板坐标系中的坐标，以便于对模拟植被群落圆心进行定位。底板上相邻两安装孔的中心间距为1～1.4cm。不同PVC底板的使用可以依据植被群落密度确定。

上述用于推移质输沙率研究的植被群落河道模型，所述集沙口呈漏斗状结构，以避免运动泥沙进入水箱，堵塞水循环管道。通过上述循环注水和循环加沙系统相互配合，可以使水槽内上游流速达到设定值。由于该水槽为水沙循环封闭试验水槽，因此整个水槽内河床泥沙和运动泥沙总量恒定。为了最大程度减小上游来流引起的水流紊动，水槽前布置有水流消能系统。水槽试验中水流消能系统为本领域已经披露的常规设施，参见普通高等教育“十一五”国家级规划教材：水力学(第四版，吴持恭，出版时间2008年)。

上述用于推移质输沙研究的植被群落河道模型，通过模拟植被株与PVC底板上安装孔的自由组合，能够得到具有任一密度植被群落的河道，实现对不同工况的模拟，有助于推移质输沙率研究工作的开展。

上述用于推移质输沙率研究的植被群落河道模型，所述模拟植被群落的高度大于水流深度，即所有模拟植被株为非淹没植被，这样能更加真实的还原天然河道中的植被群落对推移质运动的影响。这是因为天然河道中成熟且生长状态良好的植被群落都由非淹没植被植被组成，非淹没植被可由水下根系吸收水、土壤、沉积泥沙中的养分，同时由水上非淹没叶片开展光合作用形成富能有机物，保障自身生长。

与现有技术相比，本实用新型提供的用于推移质输沙率研究的植被群落河道模型，具有如下十分突出的优点和有益技术效果：

1、本实用新型植被群落河道模型主要由水槽、随机分布于水槽槽底上的模拟植被群落、循环注水系统和循环加沙系统等构成，该模拟植被群落在水槽内随机分布，其大小和密度能较真实的还原天然河道的植被群落生长特点。

2、本实用新型模拟植被群落由底板和固定于底板上的模拟植被株构成，底板上设计有呈阵列排布的安装孔，通过模拟植被株与底板上安装孔的自由组合，能够得到具有任一密度植被群落的河道，实现对不同工况的模拟，这有助于推移质输沙率研究工作的开展，特别是推移质输沙率预测研究，填补了本领域该项技术的空白。

3、本实用新型任一模拟植被群落圆心到水槽边壁的间距大于等于D/2，以保证每个植被群落均是完整的。

4、本实用新型底板上每个安装孔均具有各自的位置坐标，在确定好植被群落的随机圆点后，便可确定了植被群落的分布情况，简化了植被群落布设流程和设计、施工难度，进而提高了工况构建效率，有助于提高推移质输沙率研究工作的工作效率。

5、本实用新型采用的水槽为水沙循环封闭试验水槽，能够保证整个水槽内河床和运动泥沙总量恒定。

6、本实用新型不仅适用于推移质输沙率研究，也为其它水利工程研究提供了模型构建基础，在本领域具有广泛的通用性。

附图说明

图1为用于推移质输沙率研究的植被群落河道模型示意图。

图2为有植被群落的河道概化示意图。

图3为带孔PVC底板的安装孔坐标系统示意。

图中，1-水槽，2-底板，3-模拟植被株，4-上游水箱，5-输水管道，6-下游水箱，7-循环水泵，8-输沙管道，9-循环沙泵。

具体实施方式

以下将结合附图给出本实用新型实施例，并通过实施例对本实用新型的技术方案进行进一步的清楚、完整说明。显然，所述实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型内容，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，都属于本实用新型所保护的范围。

实施例

本实施例通过水槽模拟实验对本实用新型提出的用于推移质输沙率研究的植被群落河道模型作详细说明。

试验设备

主要设备如表1所示。

表1有植被群落河道推移质输沙率试验的仪器设备

本实施例所构建的工况中不变参数具体如下：单位面积内的植被群落数量设定n＝6.4个/m²；试验水深H＝12cm；河道平均流速U_∞＝30cm/s；泥沙粒径为0.5mm；单株植被的直径d＝0.6cm。每组工况中有变化的参数详见表2，其中，相同植被群落直径D条件下，P系列工况m(棵/cm²)的值约为S系列工况m(棵/cm²)的3倍，P系列和S系列工况分别对应高密度和低密度植被群落。在上述上游流速U_∞＝30cm/s条件下，植被拖曳力系数C_D≈1.04，为了计算简便，这里所有工况中统一选取为C_D＝1。

本实施例提供的用于推移质输沙率研究的植被群落河道模型，如图1所示，包括水槽1、位于水槽上游的上游水箱4和加沙口、随机分布于水槽槽底上的模拟植被群落、位于水槽下游的下游水箱6和集沙口，以及循环注水系统和循环加沙系统。

模拟植被群落由底板2和固定于底板上的模拟植被株3构成，底板材质为PVC，其上设计有呈阵列排布的若干用于承载模拟植被株的安装孔，孔中心位置代表其在PVC底板坐标系中的坐标。模拟植被株为木棍，木棍直径与底板上安装孔直径相同。任一模拟植被群落圆心到水槽边壁的间距不小于D/2，D为植被群落的直径。

循环注水系统由循环水泵7和输水管道5构成，循环水泵的进口通过输水管道与下游水箱连通，循环水泵的出口通过输水管道与上游水箱连通；循环加沙系统由循环沙泵9和输沙管道8构成，循环泵的进口通过输沙管道与下游的集沙口连通，循环沙泵的出口通过输沙管道与上游的加沙口连通。收沙口呈漏斗状结构，一侧与水槽尾端衔接，另一侧与下游水箱入水口衔接。为了最大程度减小上游来流引起的水流紊动，水槽有效试验段前布置有消能墙作为水流消能系统，消能墙的高度高于水槽内水流深度。由上述水槽、上游水箱、下游水箱、加沙口、集沙口、循环注水系统和循环加沙系统构成了水沙循环封闭试验水槽。

本实施例所构建的其中一个工况如图2所示，水槽内设置有16个随机分布的模拟植被群落，每个模拟植被群落圆心到水槽边壁的间距大于等于D/2，D为植被群落的直径。

下面结合植被群落河道模型构成对上述用于推移质输沙率研究的植被群落河道模型搭建过程进行介绍。

水槽1的试验段长2.5m，宽1m，试验段区域(2.5m×1m)内预随机分布16个植被群落，群落直径D及内部阻水面积φ如表2所示。如图1所示，首先水槽试验段内铺满PVC底板，这些PVC底板上有均匀分布的呈阵列排布的圆形安装孔，PVC底板中横纵相邻两安装孔中心点之间的间距均为1cm，安装孔直径与单株植被直径相同，以便于植被插入板中固定。以水槽试验段起始断面最右侧圆孔为起始点建立PVC底板安装孔坐标系(x，y)，起始孔位置为(1，1)，沿水流方向x分别为(2，1)，(3，1)，(4，1)…，沿横向y分别为(1，2)，(1，3)，(1，4)…，具体示意图如图3。该安装孔系统用于确定植被群落的圆心点坐标。圆心点坐标可以由MATLAB的常规随机数生成器生成。这里设置了1个圆心坐标生成限制。即，生成的圆心坐标位置必须能够完全容纳一个直径为D的植被群落，换言之，随机生成的圆心点坐标不能紧靠水槽河床边壁，该坐标与河床边壁的间距要大于等于D/2。具体限制规则为：当生成的圆心点很接近水槽边壁导致边壁至圆心的距离小于植被群落的半径D/2时，该圆心点不保存，再次生成一个新的圆心点，检验该位置是否能够容纳直径为D的植被群，如能，则保存下该圆心点，同时去掉圆心点对应植被群落面积

之后，继续生成一下个合适圆心点，并去掉对应植被群面积。重复上述过程，直至生成16个圆心点，得到16个圆心点的具体坐标。

按照上述的圆心生成方法，在每一组工况中生成16个圆心点坐标。将16圆心坐标标注在PVC底板上并勾画出植被群落的面积，依照设定的植被群落内部单位面积的植株密度m(见表2)，将模拟植被株随机插入植被群落所在区域，建造16个模拟植被群落。模拟植被群落的高度总是大于水深，因此，本实用新型仅考虑有非淹没植被群落的河道。

待水槽中模拟植被群落布置完毕后，开始向河床内铺沙，由循环加沙系统均匀的向试验段铺沙，保证植被群落内部和无植被群落区域的初始河床高程都为5cm。同时水槽试验段前布置了水流消能系统最大程度减小上游来流引起的水流紊动。加沙完毕后缓慢向水槽注水直至预期水深H(＝12cm)，并使循环沙泵和循环水泵同时运行，让整个水槽的水沙循环流动，稳定后的上游流速U_∞＝30cm/s。由于该水沙循环封闭试验水槽为一个封闭系统，因此整个水槽中河床和运动的泥沙总量是恒定的。

随着水沙循环封闭试验水槽的运行，初始的推移质输沙率会很大，然后随时间缓慢减小。当时间足够长时达到常数。经检验，试验水槽内达到水沙循环平衡状态至少需要8小时，因此，每组试验至少运行12小时以达到水沙循环平衡状态，即，此时的推移质输沙率为一个常数，与运行时间长短无关。每次推移质输沙率的采样时间为1分钟，采集4次分别装在4个铁盘内，将沙烘干后称重得到4次采集的单宽推移质输沙率，将4次结果平均得到一个试验组的单宽推移质输沙率。重复上述步骤，每个工况至少重复3次，将每个重复工况得到的单宽推移质输沙率平均得到该工况的平均推移质输沙率及其不确定性，所有单宽输沙率Q_s的测量结果汇总在表2中。

表2试验组别具体参数^a

^aQ_s为至少3组重复试验得到的平均单宽输沙率，其不确定性由重复试验计算得到；试验组数表示相同参数设置下的重复试验次数，将至少3组重复试验得到的单宽输沙率平均得到平均单宽输沙率，同时运用重复试验的至少3组结果计算平均单宽输沙率的标准差以表示单宽输沙率的波动范围。

如表2所示，利用该装置布置的8个不同工况得到了完全不同的推移质输沙率，这是因为推移质输沙率与河道中随机分布植被群落密切相关，不同大小和密度的植被群落会引起河道推移质输沙率的变化，具体来讲是，植被群落密度越大，面积越大，河道的推移质输沙率越大。由此可见，本实用新型提供的植被群落河道模型可以用于推移质输沙率研究，更有望用于有植被群落河道推移质输沙率的理论预测研究。

Claims

1.一种用于推移质输沙率研究的植被群落河道模型，其特征在于包括水槽(1)、位于水槽上游的上游水箱(4)和加沙口、随机分布于水槽槽底上的模拟植被群落、位于水槽下游的下游水箱(6)和集沙口，以及循环注水系统和循环加沙系统；任一模拟植被群落圆心到水槽边壁的间距不小于D/2，D为植被群落的直径；所述循环注水系统由循环水泵(7)和输水管道(5)构成，循环水泵的进口通过输水管道与下游水箱连通，循环水泵的出口通过输水管道与上游水箱连通；所述循环加沙系统由循环沙泵(9)和输沙管道(8)构成，循环泵的进口通过输沙管道与下游的集沙口连通，循环沙泵的出口通过输沙管道与上游的加沙口连通。

2.根据权利要求1所述用于推移质输沙率研究的植被群落河道模型，其特征在于所述模拟植被群落由底板(2)和固定于底板上的模拟植被株构成。

3.根据权利要求2所述用于推移质输沙率研究的植被群落河道模型，其特征在于所述底板为PVC材质的底板，所述模拟植被株为木棍。

4.根据权利要求3所述用于推移质输沙率研究的植被群落河道模型，其特征在于模拟植被株的木棍的直径与PVC底板上安装孔的直径相同。

5.根据权利要求3所述用于推移质输沙率研究的植被群落河道模型，其特征在于其特征在于底板上相邻两安装孔的中心间距为1～1.4cm。

6.根据权利要求1至5之一所述用于推移质输沙率研究的植被群落河道模型，其特征在于所述集沙口为上大下小漏斗状结构的集沙口。

7.根据权利要求1至5之一所述用于推移质输沙率研究的植被群落河道模型，其特征在于所述模拟植被群落的高度大于水流深度。

8.根据权利要求6所述用于推移质输沙率研究的植被群落河道模型，其特征在于所述模拟植被群落的高度大于水流深度。