一种含淹没柔性植被河道阻力系数的计算方法技术

本发明专利技术涉及一种含淹没柔性植被河道阻力系数的计算方法，包括确定淹没柔性植被河道下的Darcy

【技术实现步骤摘要】
一种含淹没柔性植被河道阻力系数的计算方法


[0001]本专利技术属于水力学及河流动力学领域，特别涉及一种含淹没柔性植被河道阻力系数的计算方法。

技术介绍

[0002]水生植被广泛存在于天然河道中，是河流生态系统中的重要组成部分。一方面，水生植被可以通过吸收、稀释河流中的污染物来净化河流，对生态修复起到重要作用。另一方面，水生植被的存在会改变河流水流的阻力，使水流呈现复杂的水动力特征，降低了行洪能力。故研究水生植被河道水流阻力对河流生态及河道防洪有着重要的意义。根据水生植被的形态特征，水生植被可分为刚性植被和柔性植被，其区别在于，柔性植被在水流影响下表现出一定的运动和弯曲，从而导致植被顶部的水流更加紊乱，使得其河道阻力系数与刚性植被的情况不同。虽然目前对柔性植被化河道的水流特性研究相对较多，但大部分研究者忽略了植被本身形态的影响，且尚未形成含植被形态变化的阻力系数计算公式。
[0003]因此，如何加强对柔性植被变形、摆动等问题的研究，完成含植被形态变化的阻力系数的准确计算，是一个需要解决的问题。

技术实现思路

[0004]为了克服现有技术的问题，本专利技术将柔性植被的变形考虑进去，提出了一种含淹没柔性植被河道阻力系数(即Darcy
–
Weisbach系数f)的计算方法。所述的方法可应用于不同水深、不同植被密度、不同植被高度等条件下的淹没柔性植被河道阻力系数计算，其结果可对河流生态保护及防洪措施提供理论依据。
[0005]本专利技术的目的是这样实现的：
[0006]一种含淹没柔性植被河道阻力系数的计算方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1)：确定淹没柔性植被河道下的Darcy
–
Weisbach系数f解析公式；
[0008]所述公式为：
[0009][0010]式中，h
c
为柔性植被弯曲前的高度；L
c
为调整长度尺度；h
v
为柔性植被弯曲后的高度；h
w
为水深；ΔU＝U
s
‑
U
v
为自由水层水流运动速度U
s
与植被层水流速度U
v
的差；
[0011]步骤2)：通过对步骤1)所述f解析公式的分析，找出公式中对f有影响的植被因子，建立植被因子之间的无量纲关系；
[0012]步骤3)：通过包括文献检索在内的方式搜集获得河道、植被相关数据，将数据分为训练组与验证组，采用遗传算法，得到f与各个无量纲因子之间的关系；
[0013]步骤4)：采用相关系数及均方根误差，将f的实测值及计算值进行比较，由此评价f与各个无量纲因子之间的拟合程度。
[0014]进一步的，步骤1)中，所述调整长度尺度L
c
的计算公式如下：
[0015]L
c
＝(C
d
mD)
‑1[0016]式中，C
d
为植被阻力系数；m为植被分布密度；D为植被宽度。
[0017]进一步的，步骤2)中，所述对f有影响的植被因子包括：植被阻力系数C
d
、植被分布密度m、植被宽度D、柔性植被弯曲后的高度h
v
、水深h
w
、柔性植被弯曲前的高度h
c
，分析得到三个无量纲因子h
c
/L
c
、h
v
/h
c
及h
c
/h
w
，定义：
[0018][0019]从而建立f与α、β、γ之间的函数关系，其中，α、β、γ为自变量，f为因变量，函数关系定义为：
[0020]f＝F(α,β,γ)
[0021]从而得到f与各个无量纲因子之间的关系如下：
[0022][0023]进一步的，步骤4)中，所述相关系数的计算公式如下：
[0024][0025]所述均方根误差的计算公式如下：
[0026][0027]式中，r为相关系数；RMSE为均方根误差；X
i
、Y
i
分别为f的计算值和实测值；分别为变量X
i
、Y
i
的均值；N为数据长度。
[0028]进一步的，步骤4)中，f的实测值由经典Darcy
–
Weisbach公式计算得到：
[0029][0030]式中，τ0＝ρu
*
为水流和固体边界之间的湍流剪应力，ρ为水的密度，u
*
为摩阻流速；U
b
为断面平均流速。
[0031]本专利技术相比现有技术的优点和有益效果是：
[0032](1)本专利技术在综合了水深、植被分布密度、植被高度、植被宽度等的基础上，考虑了淹没柔性植被的形态特征，创新性的将植被受水流作用弯曲前的高度引入河道阻力系数，提出了含淹没柔性植被河道阻力系数的计算方式，具有良好的适用性；
[0033](2)在防洪与生态保护中，可通过本专利技术提出的方法快速精确计算河道阻力系数及其糙率，可对河流生态保护及防洪措施提供理论依据；
[0034](3)本专利技术是结合水力学、河流动力学及量纲和谐，采用遗传算法，得到的淹没柔性植被河道下的Darcy
–
Weisbach系数f计算公式，具有一定的理论依据和科学性。
附图说明
[0035]下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。
[0036]图1是本专利技术实施例二所述达西
‑
维斯巴赫系数f的公式计算值与实测值的对比图。
具体实施方式
[0037]实施例一：
[0038]本实施例提供了确定淹没柔性植被河道下的Darcy
–
Weisbach系数f解析公式的理论分析步骤，具体包括：
[0039]经典Darcy
–
Weisbach公式的阻力系数f可表示为：
[0040][0041]式中，τ0＝ρu
*
为水流和固体边界之间的湍流剪应力，ρ为水的密度，u
*
为摩阻流速，U
b
为断面平均流速。
[0042]对于每单位的河床面积，在淹没条件下，由植被的形状阻力决定的植被剪应力远大于水流与固体边界之间的湍流剪应力τ0，故有：
[0043][0044]式中：C
d
为植被阻力系数，m为植被分布密度，D为植被宽度，h
v
为柔性植被弯曲后的高度，U
v
为植被层水流运动速度；τ
v
为由植被形状所产生的剪应力。
[0045]联立公式(1)、(2)有：
[0046][0047]式中：L
c
＝(C
d
mD)
‑1为调整长度尺度。
[0048]植被层中的水流速度与整体断面平均流速的比本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含淹没柔性植被河道阻力系数的计算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1)：确定淹没柔性植被河道下的Darcy
–
Weisbach系数f解析公式；所述公式为：式中，h
c
为柔性植被弯曲前的高度；L
c
为调整长度尺度；h
v
为柔性植被弯曲后的高度；h
w
为水深；ΔU＝U
s
‑
U
v
为淹没植被上方的自由水层的断面平均流速U
s
与植被层的断面平均流速U
v
的差；步骤2)：通过对步骤1)所述f解析公式的分析，找出公式中对f有影响的植被因子，建立植被因子之间的无量纲关系；步骤3)：通过包括文献检索在内的方式搜集获得河道、植被相关数据，将数据分为训练组与验证组，采用遗传算法，得到f与各个无量纲因子之间的关系；步骤4)：采用相关系数及均方根误差，将f的实测值及计算值进行比较，由此评价f与各个无量纲因子之间的拟合程度。2.根据权利要求1所述含淹没柔性植被河道阻力系数的计算方法，其特征在于，步骤1)中，所述调整长度尺度L
c
的计算公式如下：L
c
＝(C
d
mD)
‑1式中，C
d
为植被阻力系数；m为植被分布密度；D为植被宽度。3.根据权利要求1或2所述含淹没柔性植被河道阻力系数的计算方法，其特征在于，步骤2)中，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：董飞，王伟杰，刘玲花，王威浩，黄爱平，陈学凯，赵芳，艾庆华，司源，马冰，刘标，姜家良，李今今，张剑楠，余琅，赵彦芳，朱志鹏，雷阳，杨晓晨，阎柳青，侯军华，李文文，刘韶杰，邓欣，邓秘，李木子，白冰，任俊旭，
申请(专利权)人：中冶南方城市建设工程技术有限公司，
类型：发明
国别省市：