复式河道植被区泥沙起动计算方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种复式河道植被区泥沙起动计算方法及系统，所述方法包括获取泥沙颗粒的物理特性，构建实验水槽模型，配置传感器；根据实验参数进行模拟实验，并基于预配置的传感器从已构建的实验水槽模型中获取各个工况下水流的流态参数；构建泥沙起动模型，以泥沙颗粒的物理特性和水流的流态参数作为模拟的输入条件，对泥沙起动过程进行模拟，得到泥沙起动的过程和特征数据；将泥沙起动模型的模拟结果和实测数据进行对比，评估泥沙起动模型的实用性和精度，若符合条件，输出泥沙起动模型，以备后续计算复式河道植被区的泥沙起动过程。本发明专利技术提高了模拟的精度和数据处理速度，对水生植物的形态与河道之间的相互作用关系描述的更加准确。更加准确。更加准确。

【技术实现步骤摘要】
复式河道植被区泥沙起动计算方法及系统


[0001]本专利技术涉及水利模拟仿真技术，尤其是一种复式河道植被区泥沙起动计算方法及系统。

技术介绍

[0002]水生植物是河流、湖泊、河口和海岸带等水域生态系统的重要组成部分，它们对水流和泥沙运动有着显著的影响。一方面，水生植物可以增加水流的阻力，减小水流的流速，削弱波浪对岸滩的冲击，从而保护河岸和海岸线，维持水域的稳定性和多样性。另一方面，水生植物也会改变水体的紊动特征，影响泥沙输运和污染物迁移过程。水生植物可以促进泥沙的沉积和固结，提高底泥的有机质含量和营养盐浓度，从而改善水质和底质。同时，水生植物也会影响泥沙的再悬浮和输移，降低水体的透明度和光照强度，从而影响光合作用和初级生产力。研究水生植物对水流和泥沙运动的影响特性，对于理解和保护水域生态系统具有重要的意义。然而，由于水生植物的种类、形态、密度、刚度、分布等多样性，以及水流和泥沙运动的复杂性，这一研究领域仍然存在许多问题和困难。
[0003]例如，水生植被的几何形态和刚度对水流结构和泥沙输移的影响还不够清楚，目前多数研究使用刚性圆柱来模拟水生植被，不能代表天然真实植被的复杂特征。水生植被与河道形态演变的相互作用机理还不明确，如何在时空尺度上对河流形态调整和植被演化生长二者之间进行有效地耦合模拟仍有待进一步研究。泥沙起动的判别条件和预测模型还不完善，现有的泥沙起动模型均是经验性或半经验性的，受制于植被区内流速和泥沙浓度同时准确测量的困难。
[0004]总之，复式河道植被区泥沙起动计算仿真模拟还存在诸多问题，需要进一步的研究和创新。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：构建一种复式河道植被区泥沙起动计算方法，以解决现有技术存在的上述问题之一。根据本专利技术的另一个方面，提供一种实现系统，以实体化上述方法。
[0006]技术方案：提供一种复式河道植被区泥沙起动计算方法，包括如下步骤：步骤S1、获取泥沙颗粒的物理特性，构建实验水槽模型，配置传感器；步骤S2、根据实验参数进行模拟实验，并基于预配置的传感器从已构建的实验水槽模型中获取各个工况下水流的流态参数；步骤S3、构建泥沙起动模型，以泥沙颗粒的物理特性和水流的流态参数作为模拟的输入条件，对泥沙起动过程进行模拟，得到泥沙起动的过程和特征数据；步骤S4、将泥沙起动模型的模拟结果和实测数据进行对比，评估泥沙起动模型的实用性和精度，若符合条件，输出泥沙起动模型，以备后续计算复式河道植被区的泥沙起动过程。
[0007]根据本申请的一个方面，所述步骤S1进一步为：
步骤S11、根据研究目标选择预定类型的泥沙颗粒，收集泥沙颗粒，测量或调取泥沙颗粒的物理特性，所述泥沙颗粒至少包括部分标记颗粒；步骤S12、构建实验水槽模型，所述实验水槽模型包括至少一段由透明玻璃制成的水槽本体；所述水槽本体的底部设置有至少两排沿水槽本体长度方向延伸的水生植物模型固定部；所述水生植物模型可拆卸安装于水生植物模型固定部；步骤S13、在实验水槽模型中安装水位测针、多普勒测速仪和摄像装置，所述摄像装置沿水槽的长度和高度方向安装，摄像装置的拍摄范围至少覆盖部分水生植物模型所在的区域。
[0008]根据本申请的一个方面，所述步骤S12中，所述水生植物模型包括中空透明的刚性有机玻璃棒、中空透明的柔性有机高分子棒、可连通并固定在所述刚性有机玻璃棒和柔性有机高分子棒自由端的水生植物枝叶模拟模型，以及与所述刚性有机玻璃棒、柔性有机高分子棒和水生植物枝叶模拟模型均连通的指示物系统。
[0009]根据本申请的一个方面，所述步骤S2进一步为：步骤S21、调取实验参数并配置于实验水槽模型和各个传感器中，在水生植物模型中注入自来水，进行模拟，获取预定时间内的第一流速和第一图像数据，形成第一图像数据集合；步骤S22、保持实验参数不变，在水生植物模型中注入指示物，再次进行模拟，获取预定时间内的第二流速和第二图像数据，形成第二图像数据集合；步骤S23、调取第一图像数据集合，进行预处理，获得泥沙区域的表面图像；并基于泥沙区域的表面图像，获取泥沙颗粒的运动轨迹和速度场，采用差分法对泥沙颗粒的速度进行求导，获取泥沙颗粒的加速度，形成加速度场数据；步骤S24、调取第二图像数据集合，进行预处理，获得水生植物枝叶模拟模型和柔性水生植物的弯曲角度；步骤S25、基于包括水体密度和水流速度在内的测量数据计算水生植物模型的阻力系数、以及紊流强度和雷诺应力，形成每个工况下水流的流态参数集合。
[0010]根据本申请的一个方面，所述步骤S3进一步为：步骤S31、构建描述泥沙起动临界剪切力与水生植物淹没度、平均流速和紊流强度之间关系的泥沙起动模型；所述泥沙起动模型为神经网络模型，包括输入层、隐藏层和输出层；步骤S32、输入层包括水生植物模型淹没度、平均流速和紊流强度在内的流态参数以及泥沙颗粒的物理特性，隐藏层采用S型传递函数作为激活函数，输出层包括泥沙起动临界剪切力一个节点；采用最小均方误差作为性能函数；利用Levenberg
‑
Marquardt算法作为训练算法；采用遗传算法优化泥沙起动模型的参数；步骤S33、在训练完成后，对泥沙起动过程进行模拟；得到泥沙起动的过程和特征数据。
[0011]根据本申请的一个方面，所述步骤S4进一步包括：步骤S41、基于泥沙起动的过程和特征数据生成泥沙起动的模拟图像并与实测图像进行对比；步骤S42、利用均方根误差、平均绝对百分比误差和决定系数作为评价指标；再通
过泥沙起动过程的经验公式评估泥沙起动模型的精度；步骤S43、若符合条件，输出泥沙起动模型。
[0012]根据本申请的一个方面，所述步骤S32还包括：步骤S32a、基于动态水流进行模拟，并获取第二图像；基于第二图像获取水流速度场数据，并计算速度变化量，形成速度变化量集合；步骤S32b、以速度变化量作为水流速度网络中的节点，基于欧式距离计算节点之间的相似性，并以此建立水流速度网络的边；步骤S32c、计算水流速度网络的统计量，所述统计量包括度分布、聚类系数、平均路径长度和介数；步骤S32d、分析水流速度网络的统计量与水流速度场物理特征之间的关联关系，并基于关联关系对泥沙起动过程进行优化。
[0013]根据本申请的一个方面，所述步骤S32a还包括：获取水流速度场数据；针对紊流边界层的水平速度进行平滑，将水流速度数据转化为至少两个子序列；针对每个子序列，计算其水平方向上相邻两点之间的速度变化量，并将其作为节点。
[0014]根据本申请的一个方面，步骤S32a还包括：根据第二图像判断是否存在湍流，若存在；基于第二图像获取湍流过程中射流的径向和周向水流速度数据并进行滤波平滑，并将其分成至少两个子序列，对每个子序列，计算其径向和轴向方向上相邻两点之间的速度增量，并将其作为节点。
[0015]根据本申请的另一个方面，提供一种复式河道植被区泥沙起动计算系统，包括：至少一个处理器；以及与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.复式河道植被区泥沙起动计算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1、获取泥沙颗粒的物理特性，构建实验水槽模型，配置传感器；步骤S2、根据实验参数进行模拟实验，并基于预配置的传感器从已构建的实验水槽模型中获取各个工况下水流的流态参数；步骤S3、构建泥沙起动模型，以泥沙颗粒的物理特性和水流的流态参数作为模拟的输入条件，对泥沙起动过程进行模拟，得到泥沙起动的过程和特征数据；步骤S4、将泥沙起动模型的模拟结果和实测数据进行对比，评估泥沙起动模型的实用性和精度，若符合条件，输出泥沙起动模型，以备后续计算复式河道植被区的泥沙起动过程。2.如权利要求1所述的复式河道植被区泥沙起动计算方法，其特征在于，所述步骤S1进一步为：步骤S11、根据研究目标选择预定类型的泥沙颗粒，收集泥沙颗粒，测量或调取泥沙颗粒的物理特性，所述泥沙颗粒至少包括部分标记颗粒；步骤S12、构建实验水槽模型，所述实验水槽模型包括至少一段由透明玻璃制成的水槽本体；所述水槽本体的底部设置有至少两排沿水槽本体长度方向延伸的水生植物模型固定部；所述水生植物模型可拆卸安装于水生植物模型固定部；步骤S13、在实验水槽模型中安装水位测针、多普勒测速仪和摄像装置，所述摄像装置沿水槽的长度和高度方向安装，摄像装置的拍摄范围至少覆盖部分水生植物模型所在的区域。3.如权利要求2所述的复式河道植被区泥沙起动计算方法，其特征在于，所述步骤S12中，所述水生植物模型包括中空透明的刚性有机玻璃棒、中空透明的柔性有机高分子棒、可连通并固定在所述刚性有机玻璃棒和柔性有机高分子棒自由端的水生植物枝叶模拟模型，以及与所述刚性有机玻璃棒、柔性有机高分子棒和水生植物枝叶模拟模型均连通的指示物系统。4.如权利要求2或3所述的复式河道植被区泥沙起动计算方法，其特征在于，所述步骤S2进一步为：步骤S21、调取实验参数并配置于实验水槽模型和各个传感器中，在水生植物模型中注入自来水，进行模拟，获取预定时间内的第一流速和第一图像数据，形成第一图像数据集合；步骤S22、保持实验参数不变，在水生植物模型中注入指示物，再次进行模拟，获取预定时间内的第二流速和第二图像数据，形成第二图像数据集合；步骤S23、调取第一图像数据集合，进行预处理，获得泥沙区域的表面图像；并基于泥沙区域的表面图像，获取泥沙颗粒的运动轨迹和速度场，采用差分法对泥沙颗粒的速度进行求导，获取泥沙颗粒的加速度，形成加速度场数据；步骤S24、调取第二图像数据集合，进行预处理，获得水生植物枝叶模拟模型和柔性水生植物的弯曲角度；步骤S25、基于包括水体密度和水流速度在内的测量数据计算水生植物模型的阻力系数、以及紊流强度和雷诺应力，形成每个工况下水流的流态参数集合。5.如权利要求2或3所述的复式河道植被区泥沙起动计...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛万云，吴修锋，吴时强，戴江玉，王芳芳，聂贝，仲召源，崔嘉宇，樊顾飞，徐佳怡，
申请(专利权)人：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，
类型：发明
国别省市：