一种含复杂形态植被河道中悬移质泥沙浓度工程预测方法

本发明属于自然科学研究中的水力学及河流动力学，尤其涉及一种含复杂形态植被河道中悬移质泥沙浓度工程预测方法。

背景技术：

1、在自然河流与湿地生态系统中，水生植被是重要的生态组成部分，广泛分布于河道、滩区及滨岸带。植被不仅为水生生物提供栖息环境，更显著改变水流结构、湍流特性与泥沙输移过程，对河床演变、水质净化及生态系统健康具有深远影响。随着全球河流生态修复工程的大规模实施，人工植被种植已成为改善河流环境的关键措施，深入研究植被-水流-泥沙的相互作用机理，具有重要的理论与工程价值。

2、传统水力学与泥沙运动理论主要基于无植被条件的明渠水流研究，已形成较为完善的理论体系。在悬移质泥沙垂向分布方面，现有技术基于湍流扩散理论提出了经典的rouse公式，建立了浓度分布与湍流特性的关系；从能量平衡角度提出了重力理论，通过划分液固两相并分别建立能量方程，为悬沙运动研究提供了新视角；发展了两相流理论，引入泥沙悬浮特征长度，构建了更为统一的悬沙浓度垂向分布方程。这些理论在无植被条件下均能较好地描述泥沙分布规律，为河流泥沙动力学奠定了重要基础。然而，上述技术在应用于含植被河道时存在明显局限。植被的引入改变了水流阻力、湍流结构与能量耗散机制，导致传统模型预测结果与实际情况偏差显著。为应对这一问题，早期技术多将植被简化为均匀刚性圆柱阵列，虽便于分析，却与真实植被形态存在本质差异。后续技术的改进虽逐步引入植被分层假设和随机位移模型，但仍多基于扩散理论框架，且常将单位高度的植被阻水面积简化为常值或线性变化，忽略了其实质沿水深呈现的非线性特征。真实植被具有茎叶分层、柔性变形、非均匀分布等复杂形态，尤其对于芦苇、香蒲等水生植物，其沿垂向变化显著，直接影响流速分布与泥沙扩散，现有技术在此方面刻画不足，导致在植被形态复杂时预测精度下降。

3、目前，生态河道设计与修复中仍缺乏能够准确量化植被形态特征、耦合其与水流、泥沙相互作用的高精度预测方法。因此，开发一种基于真实植被的复杂形态，并能够精确预测悬沙浓度垂向分布的方法，对提升河流生态修复的科学性与工程效果具有重要意义。

技术实现思路

1、针对现有河道泥沙预测方法将水生植被阻水面积简化为常数、忽略茎叶垂向非线性形态，无法精准刻画植被-水流-泥沙耦合作用，导致复杂挺水植被河道悬移质泥沙浓度预测偏差大、难以直接用于生态修复工程设计的技术痛点，本发明提出一种含复杂形态植被河道中悬移质泥沙浓度工程预测方法。本发明创造性地把芦苇、宽叶香蒲两类主流挺水植被的垂向非线性阻水形态完整纳入泥沙预测流程，分层拆分植被河道水流剖面，打通植被形态参数、流速剖面、悬沙浓度三者的工程化计算链路，无需专业建模推导，仅依托现场常规监测数据即可输出全水深泥沙垂向分布结果，为河流生态修复、河床演变治理提供高精度、可落地的量化预测手段。

2、本发明提供了一种含复杂形态植被河道中悬移质泥沙浓度工程预测方法，包括以下过程：

3、s1，现场采集河道基础监测数据，分为四大类：河道水力参数、植被形态特征参数、泥沙固有特征参数、断面垂向流速实测数据；

4、s2，基于采集的植被形态特征参数分植被类型进行处理，分段计算全水深垂向非线性植被迎流阻水面积分布，输出植被垂向阻水分布结果；

5、s3，以结果为植被边界条件分层，采用河道水力参数和断面垂向流速实测数据，采用分层流速模型计算河道全水深时均流速剖面，输出垂向流速分布结果；

6、s4，结合结果、结果与河道水力参数、泥沙固有特征参数，代入泥沙浓度解析计算关系，以水面位置泥沙体积分数为边界条件逐水深求解得到逐水深点位泥沙体积分数，换算得到工程可用的全断面垂向悬移质泥沙浓度预测值。

7、优选的，所述 s1 中，现场采集河道基础监测数据的具体实现过程为：

8、河道水力参数：实测河道水深、水力坡度、断面平均流量；若无法直接测量水力坡度，通过上下游水位差与河道长度换算得到；

9、植被形态特征参数：区分芦苇、宽叶香蒲两类植被采集，包含植被总高度、茎秆分界高度、植株种植密度、叶片最大展开高度、茎秆最小阻水宽度、叶片最大阻水宽度；种植密度缺失时，实测植株横向、纵向种植间距换算得到；

10、泥沙固有特征参数：采集泥沙样本，通过粒度仪测定泥沙中值粒径、泥沙密度，再采用泥沙沉速经验公式计算颗粒静水沉速；

11、断面垂向流速数据：沿水深均匀布设多个监测点位，使用声学多普勒流速仪采集各点位瞬时流速，经时间平均剔除异常脉动，得到各垂向点位时均实测流速。

12、优选的，所述s2中，分植被类型处理植被参数、计算垂向阻水面积分布结果的具体过程为：

13、s21，判别河道内植被类型，分为芦苇型植被、宽叶香蒲型植被两类分支流程；

14、s22，若为芦苇型植被，按水深划分为茎秆段、叶片段、冠层淹没段三段分别计算阻水面积；茎秆段统一采用固定最小阻水宽度；叶片段依据二次曲线拟合垂向连续变化的阻水面积；冠层淹没段采用固定窄幅阻水宽度，整合所有水深点位数值，形成连续垂向阻水面积分布结果；

15、s23，若为宽叶香蒲型植被，忽略茎叶层间涡旋界面效应，依据叶片垂向宽度、植株密度直接分段计算全水深阻水面积，输出统一的垂向阻水面积分布结果。

16、优选的，所述s3的具体过程为：

17、s31，根据植被类型划分流速计算层级：芦苇型植被分为叶层、茎秆均匀流速子层、茎秆涡旋流速子层三层；宽叶香蒲型植被仅采用单层均匀流速计算；

18、s32，针对芦苇型植被分层求解流速：

19、所述河道水力参数和断面垂向流速实测数据包括：实测河道水深、水力坡度、断面平均流量、各垂向点位时均实测流速；

20、叶层：基于垂向阻水面积分布结果、实测河道水深、水力坡度、断面平均流量、各垂向点位时均实测流速计算叶层平均流速，再结合各水深局部阻水面积换算每个垂向点位局部流速；

21、茎秆均匀流速子层：茎秆阻水宽度恒定不变，直接求解稳定均匀流速；

22、茎秆涡旋流速子层：先计算叶茎交界面涡旋伸展宽度，判定涡旋对茎层的影响范围，采用幂级数近似求解涡旋层内各高度流速；

23、s33，采用分层流速模型计算芦苇三层流速及宽叶香蒲植被全水深流速结果；所述芦苇三层流速包括芦苇叶层局部点位流速、芦苇茎秆均匀流速和芦苇涡旋流速子层幂级数。

24、优选的，所述s33中，芦苇三层流速包括芦苇叶层局部点位流速、芦苇茎秆均匀流速和芦苇涡旋流速子层幂级数；

25、芦苇叶层局部点位流速计算公式：

26、；

27、式中：h河道水深，为植被高度水深；为叶层高度处局部时均流速；为()高度植被阻水面积；为叶层断面平均流速；

28、；

29、式中：为叶层断面平均流速；为重力加速度；j为河道水力坡度；为植被拖曳阻力系数；为植株种植密度；为叶层平均阻水面积；

30、芦苇茎秆均匀流速子层计算公式：

31、；

32、式中：为均匀子层高度时均流速；为茎秆最小固定阻水宽度；

33、芦苇涡旋流速子层幂级数计算公式：

34、；

35、式中：为涡旋子层高度时均流速；为底层基准流速；为涡旋无量纲参数，为卡门常数；

36、所述宽叶香蒲全水深单层流速计算公式为：

37、；

38、式中：为香蒲植被z高度时均流速；为香蒲垂向阻水面积。

39、优选的，所述s4具体过程为：

40、s41，提取全水深每个垂向点位对应的植被阻水面积、对应高度时均流速测量值，同步调取泥沙固有特征参数，包括：泥沙密度、水体密度、泥沙沉速、重力加速度；

41、s42，以水面位置泥沙体积分数作为计算边界条件，代入泥沙浓度解析计算关系，逐水深点位求解泥沙体积分数；引入误差修正参数抵消低含沙近似带来的计算偏差；

42、s43，将逐水深点位泥沙体积分数换算为工程现场通用单位悬移质泥沙浓度，输出整条河道断面完整垂向泥沙浓度分布曲线，完成植被河道悬移质泥沙定量预测。

43、优选的，所述s42 中，泥沙垂向体积分数采用如下解析计算公式：

44、；

45、式中：为任意水深z处泥沙体积分数；为水面处泥沙体积分数；为低含沙近似误差修正参数；为泥沙密度；为水体密度；为泥沙静水沉速；为重力加速度；为河道水深；为任意位置处的河道水深；为植被拖曳阻力系数；为植株种植密度；为植被垂向阻水面积；为纵向点流速。

46、优选的，优选的，s43 中，泥沙体积分数转换工程实测悬移质泥沙浓度采用如下换算公式：

47、；

48、式中：为工程通用悬移质泥沙浓度，单位()；s为s42求解得到的泥沙体积分数；为泥沙密度。

49、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

50、（1）本发明的研究对象更贴近真实植被形态，将植被单位高度的阻水面积沿水深方向的非线性变化引入悬移质泥沙浓度预测模型中，克服了传统方法将简化为常值或线性分布的局限。通过实验获取真实植被（如芦苇）的分布数据，并构建分段数学模型，显著提升了模型在复杂植被条件下的预测精度；

51、（2）本发明在velikanov重力理论模型基础上，引入了植被附加阻力项，建立了含植被水流的液相与固相能量平衡方程，形成了适用于含复杂形态植被河道的新型悬沙浓度预测模型，拓展了传统泥沙动力学理论的适用范围；

52、（3）本发明针对挺水植被的结构特征，将水流垂向划分为叶层、茎层及涡旋亚层，分别建立流速分布模型，能够准确反映植被形态对流速剖面的影响，为悬沙浓度模型提供了可靠的流速输入；

53、（4）本发明所需输入参数（如植被密度、阻水面积、流速分布等）均可通过实地调查或简单水槽实验获得，模型形式解析明确，便于嵌入现有河流动力学模拟软件中，具备良好的工程推广价值。