本發(fā)明涉及環(huán)境水力學(xué)，更具體的說，特別涉及滲流河道植被水流結(jié)構(gòu)模擬系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

1、水生植被廣泛分布于河岸、溪流和渠道中，改變了河道的水流特性。例如，由植物引起的河道水流結(jié)構(gòu)變化顯著影響水動力學(xué)，植被的影響在很大程度上取決于它所提供的額外阻力。因此，研究水流與植被之間復(fù)雜相互作用的物理過程具有重要意義。植被對水流動力學(xué)的影響在很大程度上取決于它所提供的額外阻力。

2、現(xiàn)有技術(shù)中，對有植被的明渠水流的流動特性已有許多研究。在穩(wěn)定的非均勻流中，阻力系數(shù)沿植被路徑呈現(xiàn)拋物線形狀。水流的不均勻性導(dǎo)致了拋物線特征。植被對水流的影響不僅取決于河道特性，也取決于植被特性。柔性植被在天然河道和河岸生態(tài)中起著重要作用。在挺水植被斑塊中存在著遮擋和遮蔽兩種效應(yīng)：遮擋效應(yīng)增大了阻力系數(shù)，而遮蔽效應(yīng)，尤其是在植被斑塊的前緣和尾部，減小了柔性冠層由于彎曲變形而產(chǎn)生的阻力。

3、由于顆粒材料的多孔性以及河流和地下水位之間的水位差，水以滲透的形式通過沖積河道、河流和溪流的邊界而滲透。盡管現(xiàn)有技術(shù)中對有植被的明渠水流的流動特性已有許多研究，但對有向下滲流的挺水剛性植被的流動特性仍未進行研究。

4、因此，現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，有待于進一步改進和發(fā)展。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、(一)發(fā)明目的：為解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的是提供滲流河道植被水流結(jié)構(gòu)模擬系統(tǒng)和方法，研究滲流河道植被水流特性。

2、(二)技術(shù)方案：為了解決上述技術(shù)問題，本技術(shù)方案提供滲流河道植被水流結(jié)構(gòu)模擬系統(tǒng)，包括模型預(yù)測單元、實驗測量單元、結(jié)果比較單元以及結(jié)果分析單元；所述模型預(yù)測單元基于圣維南方程建立滲流河道植被阻力系數(shù)方程以及水深模型，并預(yù)測得到不同植被密度、不同滲流強度下的預(yù)測水深值；

3、所述實驗測量單元包括滲流實驗?zāi)K，所述滲流實驗?zāi)K設(shè)置滲流水槽實驗，得到不同植被密度、不同滲流強度下的實測水深值；

4、所述結(jié)果比較單元根據(jù)預(yù)測水深值與實測水深值進行比較，得到水深模型的預(yù)測精度結(jié)論；

5、所述結(jié)果分析單元根據(jù)所述水深模型的預(yù)測精度結(jié)論分析得到滲流河道植被阻力系數(shù)，并分析影響滲流河道植被阻力系數(shù)的因素。

6、優(yōu)選的，對恒定非均勻漸變流，在植被處于非淹沒的情況下，采用局部均勻流的假定對水流進行受力分析，滲流河道植被阻力系數(shù)通過水深h＝c1ln|x+c2|+c3來預(yù)測預(yù)測任意植被密度下的水深預(yù)測值hpredicted；

7、其中，cd為植被的拖拽力系數(shù)；m為植被分布密度；d為植被寬度；g為重力加速度，φveg為植被的密集度，h為水深，x為水流方向；c1，c2，c3為參數(shù)，通過matlab軟件進行穩(wěn)健回歸分析來確定。

8、優(yōu)選的，所述滲流實驗?zāi)K包括滲流水槽，所述滲流水槽上游設(shè)有水泵，通過所述水泵從蓄水池向所述滲流水槽供水，上游入水口設(shè)置蜂窩狀的消能管來平順水流，所述滲流水槽的末端有可調(diào)節(jié)的尾門，保證水流均勻下泄至蓄水池中，在所述滲流水槽中設(shè)置不同的植被密度，從而測量在不同植被密度下的水深；在所述滲流水槽的下部分設(shè)置有滲流水槽凹槽，在所述滲流水槽凹槽部位底部均勻打孔，來模擬均勻滲流過程。

9、優(yōu)選的，采用高0.4m，直徑d＝0.007m的鋁制圓柱棒模擬剛性挺水植被，通過調(diào)整所述鋁制圓柱棒之間的距離來模擬植被之間的間距，得出不同的植被密度分別為0.267、0.150、0.096，得到不同植被密度的27種工況的水深實測值hmeasured。

10、優(yōu)選的，將不同滲流強度下的植被水深實測值與水深預(yù)測值進行對比，通過均方根誤差來分析水深實測值與水深預(yù)測值之間的擬合程度：

11、式中:hpredicted為水深預(yù)測值；hmeasured為水深實測值；n為各工況下測點個數(shù)。

12、優(yōu)選的，的9組水深實測值的整體rmse＝0.00042；的9組水深實測值的整體rmse＝0.00023；的9組水深實測值的整體rmse＝0.00026。

13、優(yōu)選的，根據(jù)所述水深模型的水深預(yù)測值進行分析，得到所述滲流河道植被阻力系數(shù)；并根據(jù)所述滲流河道植被阻力系數(shù)方程得到不同滲流強度下的植被阻力系數(shù)的變化規(guī)律，并對所述不同滲流強度下的植被阻力系數(shù)進行分析，得到影響滲流河道植被阻力系數(shù)的影響因素。

14、優(yōu)選的，在不同滲流強度下，所述滲流河道植被阻力系數(shù)沿程呈現(xiàn)三種變化趨勢，并且這三種變化曲線在植被區(qū)末端的滲流河道植被阻力系數(shù)會集中在一定的取值區(qū)間；當時，沿程滲流河道植被阻力系數(shù)取值區(qū)間是[0.1，0.4]；當時，沿程滲流河道植被阻力系數(shù)取值區(qū)間是[0.11，0.21]；當時，沿程滲流河道植被阻力系數(shù)取值區(qū)間是[0.08，0.22]；所述滲流河道植被阻力系數(shù)的值隨著植被密度的減小而減??；

15、滲流河道植被阻力系數(shù)沿程分別呈現(xiàn)三種變化趨勢：低滲流強度下：所述滲流河道植被阻力系數(shù)沿程單調(diào)減小；中滲流強度下：所述滲流河道植被阻力系數(shù)先增大后減?。桓邼B流強度下：所述滲流河道植被阻力系數(shù)先減小后增大。

16、優(yōu)選的，滲流河道植被阻力系數(shù)n的變化范圍越大，對水流的阻力效應(yīng)越顯著，尤其在高滲流強度條件下表現(xiàn)最為明顯；滲流河道植被阻力系數(shù)其中：床坡效應(yīng)項：s0*＝0；流向壓力項：對流項：滲流項：n的變化由(p*-a*+s*)決定。

17、滲流河道植被水流結(jié)構(gòu)模擬方法，適用于所述滲流河道植被水流結(jié)構(gòu)模擬系統(tǒng)，具體包括以下步驟：

18、步驟1、基于圣維南方程建立滲流河道植被阻力系數(shù)方程以及水深模型，并預(yù)測得到不同植被密度、不同滲流強度下的預(yù)測水深值；

19、步驟2、設(shè)置滲流水槽實驗，得到不同植被密度、不同滲流強度下的實測水深值；

20、步驟3、根據(jù)預(yù)測水深值與實測水深值進行比較，得到水深模型的預(yù)測精度結(jié)論；

21、步驟4、根據(jù)所述水深模型的預(yù)測精度結(jié)論分析得到滲流河道植被阻力系數(shù)，并分析影響滲流河道植被阻力系數(shù)的因素。

22、(三)有益效果：本發(fā)明滲流河道植被水流結(jié)構(gòu)模擬系統(tǒng)和方法，通過圣維南方程建立滲流條件下的植被阻力系數(shù)方程和水深模型，利用圓柱鋁棒模擬剛性植被，通過開展室內(nèi)滲流實驗，模擬并驗證滲流條件下植被水流的水深沿程分布，從而分析得到不同植被密度和不同滲流強度下的挺水植被水流的結(jié)構(gòu)特性和阻力特征，得到不同植被密度和不同滲流強度、滲流條件下植被水流阻力系數(shù)，研究滲流條件下植被水流阻力系數(shù)的變化規(guī)律，有助于了解滲流河道植被水流結(jié)構(gòu)特性，并為河床或河岸生態(tài)修復(fù)實踐提供一定的參考。

技術(shù)特征：

1.滲流河道植被水流結(jié)構(gòu)模擬系統(tǒng)，其特征在于，包括模型預(yù)測單元、實驗測量單元、結(jié)果比較單元以及結(jié)果分析單元；所述模型預(yù)測單元基于圣維南方程建立滲流河道植被阻力系數(shù)方程以及水深模型，并預(yù)測得到不同植被密度、不同滲流強度下的預(yù)測水深值；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滲流河道植被水流結(jié)構(gòu)模擬系統(tǒng)，其特征在于，對恒定非均勻漸變流，在植被處于非淹沒的情況下，采用局部均勻流的假定對水流進行受力分析，滲流河道植被阻力系數(shù)通過水深h＝c1ln|x+c2|+c3來預(yù)測預(yù)測任意植被密度下的水深預(yù)測值hpredicted；

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滲流河道植被水流結(jié)構(gòu)模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述滲流實驗?zāi)K包括滲流水槽，所述滲流水槽上游設(shè)有水泵，通過所述水泵從蓄水池向所述滲流水槽供水，上游入水口設(shè)置蜂窩狀的消能管來平順水流，所述滲流水槽的末端有可調(diào)節(jié)的尾門，保證水流均勻下泄至蓄水池中，在所述滲流水槽中設(shè)置不同的植被密度，從而測量在不同植被密度下的水深；在所述滲流水槽的下部分設(shè)置有滲流水槽凹槽，在所述滲流水槽凹槽部位底部均勻打孔，來模擬均勻滲流過程。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的滲流河道植被水流結(jié)構(gòu)模擬系統(tǒng)，其特征在于，采用高0.4m，直徑d＝0.007m的鋁制圓柱棒模擬剛性挺水植被，通過調(diào)整所述鋁制圓柱棒之間的距離來模擬植被之間的間距，得出不同的植被密度分別為0.267、0.150、0.096，得到不同植被密度的27種工況的水深實測值hmeasured。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滲流河道植被水流結(jié)構(gòu)模擬系統(tǒng)，其特征在于，將不同滲流強度下的植被水深實測值與水深預(yù)測值進行對比，通過均方根誤差來分析水深實測值與水深預(yù)測值之間的擬合程度：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的滲流河道植被水流結(jié)構(gòu)模擬系統(tǒng)，其特征在于，的9組水深實測值的整體rmse＝0.00042；的9組水深實測值的整體rmse＝0.00023；的9組水深實測值的整體rmse＝0.00026。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滲流河道植被水流結(jié)構(gòu)模擬系統(tǒng)，其特征在于，根據(jù)所述水深模型的水深預(yù)測值進行分析，得到所述滲流河道植被阻力系數(shù)；并根據(jù)所述滲流河道植被阻力系數(shù)方程得到不同滲流強度下的植被阻力系數(shù)的變化規(guī)律，并對所述不同滲流強度下的植被阻力系數(shù)進行分析，得到影響滲流河道植被阻力系數(shù)的影響因素。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的滲流河道植被水流結(jié)構(gòu)模擬系統(tǒng)，其特征在于，在不同滲流強度下，所述滲流河道植被阻力系數(shù)沿程呈現(xiàn)三種變化趨勢，并且這三種變化曲線在植被區(qū)末端的滲流河道植被阻力系數(shù)會集中在一定的取值區(qū)間；當時，沿程滲流河道植被阻力系數(shù)取值區(qū)間是[0.1，0.4]；當時，沿程滲流河道植被阻力系數(shù)取值區(qū)間是[0.11，0.21]；當時，沿程滲流河道植被阻力系數(shù)取值區(qū)間是[0.08，0.22]；所述滲流河道植被阻力系數(shù)的值隨著植被密度的減小而減小；

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的滲流河道植被水流結(jié)構(gòu)模擬系統(tǒng)，其特征在于，滲流河道植被阻力系數(shù)n的變化范圍越大，對水流的阻力效應(yīng)越顯著，尤其在高滲流強度條件下表現(xiàn)最為明顯；滲流河道植被阻力系數(shù)其中：床坡效應(yīng)項：s0*＝0；流向壓力項：對流項：滲流項：n的變化由(p*-a*+s*)決定。

10.滲流河道植被水流結(jié)構(gòu)模擬方法，適用于所述滲流河道植被水流結(jié)構(gòu)模擬系統(tǒng)，其特征在于，具體包括以下步驟：

技術(shù)總結(jié)
滲流河道植被水流結(jié)構(gòu)模擬系統(tǒng)和方法，模型預(yù)測單元基于圣維南方程建立滲流河道植被阻力系數(shù)方程以及水深模型，并預(yù)測得到不同植被密度、不同滲流強度下的預(yù)測水深值；實驗測量單元設(shè)置滲流水槽實驗，得到不同植被密度、不同滲流強度下的實測水深值；結(jié)果比較單元根據(jù)預(yù)測水深值與實測水深值進行比較，得到水深模型的預(yù)測精度結(jié)論；所述結(jié)果分析單元根據(jù)水深模型的預(yù)測精度結(jié)論分析得到滲流河道植被阻力系數(shù)，并分析影響滲流河道植被阻力系數(shù)的因素。本發(fā)明有助于了解滲流河道植被水流結(jié)構(gòu)特性，并為河床或河岸生態(tài)修復(fù)實踐提供一定的參考。

技術(shù)研發(fā)人員：王偉杰,劉梅,劉曉波,王峰,董飛,牛文鈺,楊永森,丁俊岐,陳學(xué)凱,許媛,鄭彩玲,司源,張劍楠
受保護的技術(shù)使用者：中國水利水電科學(xué)研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30