一种生态浮岛对水流垂向上纵向流速沿程预测方法

技术领域

本发明属于自然科学研究中的水力学及河流动力学技术领域，尤其涉及一种生态浮岛对水流垂向上纵向流速沿程预测方法及其模型搭建方法。

背景技术

生态浮岛是一种创新型的生态修复工程技术。它利用漂浮植被的特性，在浮动的平台上种植植被，形成具有生态功能的浮动岛屿。相比漂浮植被，生态浮岛更加灵活，可以按需设计不同形状和大小的岛屿。此外，生态浮岛还可以与其他生态修复措施如人工湿地和水生植被带相结合，形成综合的生态系统，对于水环境的净化以及生态修复起着重要的作用。

生态浮岛浮于水面，其根系生长在水中，相较于挺水植被水流结构更为复杂。根据生态浮岛根部的长度，可以将河道在垂向上分为浮岛层和水层，这种分层方法可以更好地研究植被与水流的相互作用。在浮岛层和水层交界面附近，由于垂向上纵向流速的快速发展变化，使得两层交界面附近产生Kelvin-Helmholtz涡(以下简称KH涡)，在浮岛层和水层均有一定的入侵深度分别定义为δ

目前，已有学者对含生态浮岛的水流运动进行了一些研究，主要关注水流经过植被后的充分发展情况。然而，在垂向上沿程变化方面的研究还比较有限，尚未形成简便的计算预测方式，因此，在实际工程中，大规模应用仍然存在一定的困难。为了进一步推动该领域的发展，需要深入研究沿程变化的影响因素，并寻找简单有效的计算方式，以便更好地应用于实际工程中。这样的研究将有助于提高生态浮岛水流运动的工程应用性，并为水环境美化和生态修复提供更可行的解决方案。

发明内容

为解决现有技术的不足之处，本发明提出了生态浮岛水流垂向上的纵向流速沿程分布计算方法，可简捷的应用于河道赋有生态浮岛的情况，有助于简便快捷的实现纵向流速在垂向上沿程分布的计算。

本发明第一方面提供了一种生态浮岛对水流垂向上纵向流速沿程预测模型的搭建方法，包括以下过程：

步骤1，以生态浮岛迎水面对应河床底部中心处为原点O建立坐标系，x为水流发展方向，z为水深方向，采用指数函数建立水流在生态浮岛垂向上的沿程流速U

步骤2，采用指数函数结合流量守恒定律，计算确定水流分别在浮岛层和水层内平均纵向流速的沿程分布；

步骤3，基于流速的连续性变化，建立浮岛层和水层边界处的微分方程，计算确定浮岛层与水层边界处的流速；

步骤4，针对流速U

优选的，所述步骤1的具体过程为：

根据指数函数公式，U

浮岛层：

水层：

其中，U

优选的，所述步骤2的具体过程为：

浮岛层内水流沿程变化情况满足如下关系：

U

其中，U

水流调整区的长度X

其中，X

生态浮岛层中，水流沿程计算公式为：

其中，U

在生态浮岛前缘(x＝0)，浮岛层纵向流速计算公式为：

U

其中，h

在水流充分发展区域内(x≥X

U

其中，U

对于水层来讲，沿程纵向流速U

HU

从而确定水流分别在浮岛层和水层内平均纵向流速的沿程分布。

优选的，所述植被阻力系数C

C

其中，r

优选的，所述指数衰减长度L

L

优选的，所述步骤3中，由于流速在交界面上是连续的，因此速度的变化量也是连续的，对于公式(1)中的未知数

从而建立浮岛层和水层边界处的微分方程。

优选的，所述步骤4的具体过程为：

影响U

L

其中，L

L

其中，L

δ

δ

采用简化模型预测δ

其中，δ

本发明第二方面提供了一种生态浮岛对水流垂向上纵向流速沿程预测方法，包括以下过程：

S1，测量河道中水流和生态浮岛的参数，包括水深、流量、生态浮岛的宽度、生态浮岛浸入水中的高度、生态浮岛下的净水高度、单位面积上生态浮岛内的植被个数、植被直径；

S2，将S1获得的参数输入到如第一方面所述的搭建方法所搭建的生态浮岛对水流垂向上纵向流速沿程预测模型中；

S3，计算并输出在S1中水流和生态浮岛参数影响下，生态浮岛连续型覆盖的水流垂向上纵向流速U

本发明第三方面还提供了一种生态浮岛对水流垂向上纵向流速沿程预测设备，所述设备包括至少一个处理器和至少一个存储器，所述处理器和存储器相耦合；所述存储器中存储有如第一方面所述的搭建方法所搭建的预测模型的计算机执行程序；所述处理器执行存储器中存储的计算机执行程序时，使处理器执行并输出生态浮岛连续型覆盖的水流垂向上纵向流速。

本发明第四方面还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有如第一方面所述的搭建方法所搭建的预测模型的计算机程序或指令，所述程序或指令被处理器执行时，使处理器执行并输出生态浮岛连续型覆盖的水流垂向上纵向流速。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)提供了一种便捷而准确的方法，能够明确计算生态浮岛覆盖河道时，河道沿程垂向流速的发展情况，这使得河道水流流速的计算更加方便和准确。

(2)综合考虑了多种因素对河道流速分布的影响，包括植被分布密度、植被高度、水深、河床摩擦力等。因此，本发明具有一定的普适性，可以应用于不同生态浮岛覆盖河道的流速预测情况。

(3)通过本发明的方法，可以更好地理解和预测生态浮岛对河道水流的影响，为水环境美化和生态修复等实际工程提供更有效的解决方案。

(4)本发明的技术在研究和管理生态浮岛覆盖河道时具有重要的应用价值，有助于优化河流生态系统的运行和维护，提高水域环境的质量和可持续性。

综上所述，本发明在生态浮岛水流研究领域具有显著的优势和实际应用效果，为相关领域的科学研究和工程实践提供了有益的贡献。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述的仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1是本发明生态浮岛对水流垂向上纵向流速沿程预测模型搭建方法的流程逻辑图。

图2是有生态浮岛水流的沿程流速发展示意图。其中，U

图3是有生态浮岛水流的垂向结构示意图。

图4是实施例1中的数值模型的示意图(俯视)。

图5是实施例1中垂向上沿程流速U

图6是实施例2中预测设备的简易结构框图。

具体实施方式

实施例1：

针对有生态浮岛河道垂向上沿程流速分布的计算预测方法，本发明首先需要搭建一种生态浮岛对水流垂向上纵向流速沿程预测模型，模型搭建过程如图1所示。模型搭建完成后，再利用模型进行预测计算：测量河道中水流和生态浮岛的参数，包括水深、流量、生态浮岛的宽度、生态浮岛浸入水中的高度、生态浮岛下的净水高度、单位面积上生态浮岛内的植被个数、植被直径；将获得的参数输入到所搭建的模型中；计算并输出在此场景中水流和生态浮岛参数影响下，生态浮岛连续型覆盖的水流垂向上纵向流速U

本实例采用Zhao et al.(Zhao F,Huai W,Li D.Numerical modeling of openchannel flow with suspended canopy[J].Advances in Water Resources.2017,105:132-43.)的数值模型，对本模型预测的有效性进行说明。

本数值模型采用Delft3D-Flow模型。采用了基于k–ε紊流闭合模型的方法，得出三维非线性浅水方程的有限差分解。数值模型的计算域长度为40m，宽度为0.6m，高度为0.36m，在植被斑块上游有10m长的区域用于水流发展，植被斑块长度为30m，斑块宽度覆盖整个断面为0.6m，斑块高度为0.18m。计算域网格尺寸为0.05m×0.05m×0.009m，共有800×12×40个网格。进口边界的流量设定为34.9L/s，出口边界的水深设定为0.36m。底部摩擦使用了曼宁粗糙度系数0.01。在处理数据时，研究人员在植被区域中心的后方x断面(x＝1、2、3、4、5、7、10、15m处)上选择了8条测线，并对这些测线上的数据进行了平均处理。这样得到了时空平均的流速数据，以更好地分析研究结果。

表1实验数据相关信息列表

其中，Q为经处理后的流量(采用的流量为生态浮岛宽度上对应垂向上的流量大小)，d为生态浮岛中植被直径，h

本发明以生态浮岛迎水面对应河床底部中心处为原点O建立坐标系如图3所示，x为水流发展方向，z为水深方向。其中，以植被斑块迎水面对应河床底部中心处为原点O建立坐标系，x为水流发展方向，z为水深方向，H为水深，以z＝h

根据指数函数公式，U

浮岛层：

水层：

浮岛层内水流沿程变化情况满足如下关系：

U

其中，U

水流调整区的长度X

其中，X

生态浮岛层中，水流沿程计算公式为：

其中，U

在生态浮岛前缘(x＝0)，浮岛层纵向流速计算公式为：

U

其中，h

在水流充分发展区域内(x≥X

其中，U

此时浮岛层内对应的纵向流速在各区域的求解情况已经明确。而对于水层来讲，沿程纵向流速U

HU

由于流速在交界面上是连续的，因此速度的变化量也是连续的，对于公式(1)中的未知数

影响U

L

其中，L

L

其中，L

δ

δ

采用简化模型预测δ

其中，δ

结合上述公式(1a)、(1b)计算的预测值与实际测量的值进行比较分析，计算均方根误差为：

其中，U

需要进一步说明的是，本发明提供的解析模型对于连续型全断面覆盖的生态浮岛可以直接适用，对于部分覆盖河道的生态浮岛需要对实验测得的流量数据进行进一步处理。

实施例2：

如图6所示，本发明同时提供了一种生态浮岛对水流垂向上纵向流速沿程预测设备，设备包括至少一个处理器和至少一个存储器，同时还包括通信接口和内部总线；存储器中存储有如实施例1所述的搭建方法所搭建的预测模型的计算机执行程序；所述处理器执行存储器存储的计算机执行程序时，可以使处理器执行并输出生态浮岛连续型覆盖的水流垂向上纵向流速。其中内部总线可以是工业标准体系结构(Industry StandardArchitecture，ISA)总线、外部设备互连(Peripheral Component，PCI)总线或扩展工业标准体系结构(XtendedIndustry Standard Architecture，EISA)总线等。总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，本申请附图中的总线并不限定仅有一根总线或一种类型的总线。其中存储器可能包含高速RAM存储器，也可能还包括非易失性存储NVM，例如至少一个磁盘存储器，还可以为U盘、移动硬盘、只读存储器、磁盘或光盘等。

设备可以被提供为终端、服务器或其它形态的设备。

图6是为示例性示出的一种设备的框图。设备可以包括以下一个或多个组件：处理组件，存储器，电源组件，多媒体组件，音频组件，输入/输出(I/O)的接口，传感器组件，以及通信组件。处理组件通常控制电子设备的整体操作，诸如与显示，电话呼叫，数据通信，相机操作和记录操作相关联的操作。处理组件可以包括一个或多个处理器来执行指令，以完成上述的方法的全部或部分步骤。此外，处理组件可以包括一个或多个模块，便于处理组件和其他组件之间的交互。例如，处理组件可以包括多媒体模块，以方便多媒体组件和处理组件之间的交互。

存储器被配置为存储各种类型的数据以支持在电子设备的操作。这些数据的示例包括用于在电子设备上操作的任何应用程序或方法的指令，联系人数据，电话簿数据，消息，图片，视频等。存储器可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器(SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(EPROM)，可编程只读存储器(PROM)，只读存储器(ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。

电源组件为电子设备的各种组件提供电力。电源组件可以包括电源管理系统，一个或多个电源，及其他与为电子设备生成、管理和分配电力相关联的组件。多媒体组件包括在所述电子设备和用户之间的提供一个输出接口的屏幕。在一些实施例中，屏幕可以包括液晶显示器(LCD)和触摸面板(TP)。如果屏幕包括触摸面板，屏幕可以被实现为触摸屏，以接收来自用户的输入信号。触摸面板包括一个或多个触摸传感器以感测触摸、滑动和触摸面板上的手势。所述触摸传感器可以不仅感测触摸或滑动动作的边界，而且还检测与所述触摸或滑动操作相关的持续时间和压力。在一些实施例中，多媒体组件包括一个前置摄像头和/或后置摄像头。当电子设备处于操作模式，如拍摄模式或视频模式时，前置摄像头和/或后置摄像头可以接收外部的多媒体数据。每个前置摄像头和后置摄像头可以是一个固定的光学透镜系统或具有焦距和光学变焦能力。

音频组件被配置为输出和/或输入音频信号。例如，音频组件包括一个麦克风(MIC)，当电子设备处于操作模式，如呼叫模式、记录模式和语音识别模式时，麦克风被配置为接收外部音频信号。所接收的音频信号可以被进一步存储在存储器或经由通信组件发送。在一些实施例中，音频组件还包括一个扬声器，用于输出音频信号。I/O接口为处理组件和外围接口模块之间提供接口，上述外围接口模块可以是键盘，点击轮，按钮等。这些按钮可包括但不限于：主页按钮、音量按钮、启动按钮和锁定按钮。

传感器组件包括一个或多个传感器，用于为电子设备提供各个方面的状态评估。例如，传感器组件可以检测到电子设备的打开/关闭状态，组件的相对定位，例如所述组件为电子设备的显示器和小键盘，传感器组件还可以检测电子设备或电子设备一个组件的位置改变，用户与电子设备接触的存在或不存在，电子设备方位或加速/减速和电子设备的温度变化。传感器组件可以包括接近传感器，被配置用来在没有任何的物理接触时检测附近物体的存在。传感器组件还可以包括光传感器，如CMOS或CCD图像传感器，用于在成像应用中使用。在一些实施例中，该传感器组件还可以包括加速度传感器，陀螺仪传感器，磁传感器，压力传感器或温度传感器。

通信组件被配置为便于电子设备和其他设备之间有线或无线方式的通信。电子设备可以接入基于通信标准的无线网络，如WiFi，2G或3G，或它们的组合。在一个示例性实施例中，通信组件经由广播信道接收来自外部广播管理系统的广播信号或广播相关信息。在一个示例性实施例中，所述通信组件还包括近场通信(NFC)模块，以促进短程通信。例如，在NFC模块可基于射频识别(RFID)技术，红外数据协会(IrDA)技术，超宽带(UWB)技术，蓝牙(BT)技术和其他技术来实现。

在示例性实施例中，电子设备可以被一个或多个应用专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现，用于执行上述方法。

实施例3：

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有如实施例1所述的搭建方法所搭建的预测模型的计算机程序或指令，所述程序或指令被处理器执行时可以使处理器执行并输出生态浮岛连续型覆盖的水流垂向上纵向流速。

具体地，可以提供配有可读存储介质的系统、装置或设备，在该可读存储介质上存储着实现上述实施例中任一实施例的功能的软件程序代码，且使该系统、装置或设备的计算机或处理器读出并执行存储在该可读存储介质中的指令。在这种情况下，从可读介质读取的程序代码本身可实现上述实施例中任何一项实施例的功能，因此机器可读代码和存储机器可读代码的可读存储介质构成了本发明的一部分。

上述存储介质可以是由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器(SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(EPROM)，可编程只读存储器(PROM)，只读存储器(ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘(如CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD-20ROM、DVD-RAM、DVD-RW、DVD-RW)、磁带等。存储介质可以是通用或专用计算机能够存取的任何可用介质。

应理解，上述处理器可以是中央处理单元(英文：Central Processing Unit，简称：CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(英文：Digital Signal Processor，简称：DSP)、专用集成电路(英文：Application Specific Integrated Circuit，简称：ASIC)等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合发明所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。

应理解存储介质耦合至处理器，从而使处理器能够从该存储介质读取信息，且可向该存储介质写入信息。当然，存储介质也可以是处理器的组成部分。处理器和存储介质可以位于专用集成电路(Application Specific Integrated Circuits，简称：ASIC)中。当然，处理器和存储介质也可以作为分立组件存在于终端或服务器中。

这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。

用于执行本公开操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如Smalltalk、C++等，以及常规的过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本公开的各个方面。

以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。