本技术公开了一种植被化河道内流速和雷诺应力横向分布的预测方法,属于水力学及河流动力学技术领域,包括确定水深平均的二维纵向流速横向分布控制方程;以非淹没植被群落上游端边界中心位置为原点,将河道沿垂直于水流的方向划分为植被区和无植被区;确定植被区和无植被区的水深平均纵向流速横向分布解析模型;提出解析模型的边界条件并求解,获得各横断面流速横向分布;基于预测的流速横向分布构建雷诺应力横向分布预测模型,对雷诺应力横向分布进行预测。本发明采用上述方法,从水流动量方程和连续方程出发,推导出植被化河道内流速横向分布的控制方程,根据边界条件求解,实现了各横断面流速横向分布和雷诺应力横向分布的预测。
背景技术
植被群落经常在天然河流中出现,形成了有植被群落的植被化河道。植被群落的出现会对其周围局部河道水流结构产生影响。当水流流向植被群落时会受到植被施加的拖曳力,在植被群落前端上游来流会发生横向偏转,导致植被区域内部的水流流速减缓,从而降低水流的携沙能力,水中的悬移质易在植被群落内部沉积。相反,在植被区域外部相邻的河道中,水流流速增大,加大了水流的携沙能力,引起植被区域外侧的河床遭受冲刷。而植被群落区域内外的流速差导致在植被区域与非植被区域处存在较大的流速梯度,流速梯度越大则雷诺应力越大,容易使河床的沉积泥沙发生再悬浮。因此,流速分布和雷诺应力分布与河床演变过程紧密相关。
天然河道中植被群落多为非淹没植被,非淹没植被与淹没植被相比,两者在水面下的部分,均有扎根于河床泥沙中的根系部分对水中沉积的营养物和有机物进行吸收。但是非淹没植被存在有水面以上的部分,这部分枝叶相较于淹没植被在水中位于水面以下河床以上的部分能够为植被提供更多的养分,一是因为光和作用,二是因为空气中的氧气比水中的氧气含量更多。虽然前人对有植被化河道的流速分布开展了研究,但这些研究都是采用仪器测量每一点的流速分布来开展研究的,提出理论计算模型仅用于预测植被群落河道中充分发展区域的流速横向分布及植被区域内的流速纵向分布。还不能对整个植被河道内的流速分布进行预测。另外,还没有可对植被化河道内的沿程雷诺应力横向分布的预测模型。此外,开展详细的流速测量需要花费大量的人力、物力和时间,更重要的是,在野外考察中,很多河道因为水流条件急、地势险等因素不适宜于开展流速测量,无法获取有植被群落河道中的流速分布,阻碍进一步开展水流、泥沙和植被的相互作用关系研究。
实现思路