一种生态河道阻力计算方法与流程

本发明涉及水力学及河流动力学，特别涉及一种生态河道阻力计算方法。

背景技术：

1、植被作为河流和湿地等水域生态系统的重要组成部分，在其中产生了很大的影响。植被的存在会分割河流，增大了流动阻力，降低了流速，导致河道水位增高和泥沙淤积，增大了洪水风险。因此需要正确评估植被对于水流的阻力至关重要，这也是河流水力学研究的热点问题。虽然目前对植被化河道的水动力学研究成果颇丰，但目前计算生态河道断面的阻力公式一方面具有局限性，不适合在一般条件下使用。另一方面，一些学者提出的公式形式复杂，不适合在实际生活中应用，因此，需要一个形式简单，预测效果良好的淹没条件下植被阻力的公式。

2、因此，由于现有技术的限制，人们无法解决。

技术实现思路

1、(一)发明目的：为解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种生态河道阻力计算方法。

2、(二)技术方案：为了解决上述技术问题，本技术方案提供一种生态河道阻力计算方法，应用于一种生态河道阻力计算系统，所述计算系统包括参数评估单元、分析计算单元和结果比较单元，具体包括：

3、步骤1、参数评估单元根据水力学manning-strickler公式和经典darcy–weisbach阻力系数公式，得到植被丛阻碍参数ηv和植被粗糙度参数kv；

4、步骤2、分析计算单元通过对植被丛阻碍参数ηv分析，建立植被丛阻碍参数ηv与待测河道中植被因子之间的无量纲关系；

5、步骤3、分析计算单元得到植被丛阻碍参数ηv和无量纲植被因子之间的定量关系，进而得到植被粗糙度参数kv和无量纲植被因子之间的定量关系；

6、步骤4、分析计算单元计算得到基于新的植被粗糙度参数的生态河道阻力计算方法和断面平均流速的计算方法；

7、步骤5、结果比较单元将断面平均流速的实测值与计算值进行比较，得出断面平均流速的准确率和精度。

8、优选的，所述ms公式为：其中，ks为粗糙度高度，水力半径r等效为水深hw；

9、所述经典darcy–weisbach阻力系数公式：其中，g为重力加速度，s为能量坡度，ub为断面平均流速，水力半径r等效为水深hw；

10、所述植被丛阻碍参数ηv和包含整个水流深度(即包括植被层和自由水层)的植被粗糙度参数kv之间的关系：kv＝ηvhv，其中，参数ηv表示植被丛对水流的阻碍效应，hv为植被高度。

11、优选的，所述步骤2具体为：

12、步骤201、分析计算单元通过对植被丛阻碍参数ηv的分析，得到对植被丛阻碍参数ηv有影响的植被因子，并根据所述植被因子得到无量纲因子；

13、步骤202、利用一阶闭合模型，分别建立起植被丛阻碍参数ηv与每个无量纲植被因子的关系，从而得到植被丛阻碍参数ηv和无量纲植被因子之间整体关系。

14、优选的，所述植被因子包括：植被分布密度m、植被杆径d、植被高度hv、水深hw；

15、根据所述植被因子得到三个无量纲因子：植被覆盖度φ＝πd2m/4，淹没度相对长度

16、优选的，控制变量依次确定植被覆盖度ηv分别与植被覆盖度φ、淹没度α以及相对长度β之间的函数关系；

17、通过固定所述植被直径，所述坡度，所述植被高度，所述水深，通过改变单位河床面积上的植被数量变化，来改变φ的取值，ηv与φ2呈现明显的线性关系；

18、通过固定所述植被直径，所述坡度，所述植被高度，单位河床面积上的植被数量，通过改变水深，来改变α的取值，ηv与α2呈现明显的线性关系；

19、通过固定所述植被直径，所述坡度，单位河床面积上的植被数量，同时改变hv和hw的值来保持α的值不变，ηv和β呈现反比例的关系。

20、优选的，所述植被丛阻碍参数ηv和无量纲植被因子之间的整体关系：

21、优选的，分析计算单元根据现有的实验数据进行数据拟合，得到n的取值，从而得到植被丛阻碍参数ηv和无量纲植被因子之间的定量关系；进而得到所述植被粗糙度参数：

22、优选的，分析计算单元根据植被粗糙度参数公式和m-s公式得植被阻力系数f表达式：

23、再根据植被阻力系数和经典darcy–weisbach阻力系数公式，可得到断面平均流速计算方法：

24、优选的，结果比较单元通过计算所述断面平均流速的实测值和断面平均流速的计算值的平均绝对误差和均方根误差，验证一种生态河道阻力计算方法的正确率；并将提出的断面平均流速计算方法与前人的计算方法精度做对比，来验证本发明所述的一种生态河道阻力计算方法的精度。

25、优选的，断面平均流速越大，表明生态河道阻力值越小；反之，断面平均流速越小，表明生态河道阻力值越大。

26、(三)有益效果：本发明一种生态河道阻力计算方法，综合了植被密度、植被高度、植被直径和水深等的基础上，考虑了淹没植被的形态特征，创新性的提出了植被粗糙度参数的计算公式；在防洪与生态保护中，可通过本发明提出的方法快速精确计算河道阻力系数及其断面平均流速，可对河流生态保护及防洪措施提供理论依据；是结合水力学、河流动力学及量纲和谐，得到的公式形式简洁，具有较高的精准度，对于预测天然河道中植被阻力对水流的影响，以及生态修复和水资源管理具有重要的参考价值。

技术特征：

1.一种生态河道阻力计算方法，其特征在于，应用于一种生态河道阻力计算系统，所述计算系统包括参数评估单元、分析计算单元和结果比较单元，所述计算方法具体包括：

2.根据权利要求1所述的一种生态河道阻力计算方法，其特征在于，所述ms公式为：其中，ks为粗糙度高度，水力半径r等效为水深hw；

3.根据权利要求1所述的一种生态河道阻力计算方法，其特征在于，所述步骤2具体为：

4.根据权利要求3所述的一种生态河道阻力计算方法，其特征在于，所述植被因子包括：植被分布密度m、植被杆径d、植被高度hv、水深hw；

5.根据权利要求4所述的一种生态河道阻力计算方法，其特征在于，控制变量依次确定植被覆盖度ηv分别与植被覆盖度φ、淹没度α以及相对长度β之间的函数关系；

6.根据权利要求5所述的一种生态河道阻力计算方法，其特征在于，所述植被丛阻碍参数ηv和无量纲植被因子之间的整体关系：

7.根据权利要求1所述的一种生态河道阻力计算方法，其特征在于，分析计算单元根据现有的实验数据进行数据拟合，得到n的取值，从而得到植被丛阻碍参数ηv和无量纲植被因子之间的定量关系；进而得到所述植被粗糙度参数：

8.根据权利要求7所述的一种生态河道阻力计算方法，其特征在于，分析计算单元根据植被粗糙度参数公式和m-s公式得植被阻力系数f表达式：

9.根据权利要求1所述的一种生态河道阻力计算方法，其特征在于，结果比较单元通过计算所述断面平均流速的实测值和断面平均流速的计算值的平均绝对误差和均方根误差，验证一种生态河道阻力计算方法的正确率；并将提出的断面平均流速计算方法与前人的计算方法精度做对比，来验证本发明所述的一种生态河道阻力计算方法的精度。

10.根据权利要求9所述的一种生态河道阻力计算方法，其特征在于，断面平均流速越大，表明生态河道阻力值越小；反之，断面平均流速越小，表明生态河道阻力值越大。

技术总结一种生态河道阻力计算方法，参数评估单元根据水力学MS公式和经典Darcy–Weisbach阻力系数公式，得到植被丛阻碍参数和植被粗糙度参数；分析计算单元通过对植被丛阻碍参数分析，建立植被丛阻碍参数与待测河道中植被因子之间的无量纲关系；得到植被丛阻碍参数和无量纲植被因子之间的定量关系，进而得到植被粗糙度参数和无量纲植被因子之间的定量关系；从而得到断面平均流速的计算方法；结果比较单元将断面平均流速的实测值与计算值进行比较，得出断面平均流速的准确率和精度。本发明综合了植被密度、植被高度、植被直径和水深等的基础上，考虑了淹没植被的形态特征，创新性的提出了植被粗糙度参数的计算公式。技术研发人员：王伟杰,刘晓波,董飞,杨永森,刘杰,徐振东,王峰,张学寰,卢明龙,张剑楠,冯达骞,赵彦芳,路婷雅受保护的技术使用者：中国水利水电科学研究院技术研发日：技术公布日：2024/7/29