(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111288010.6 (22)申请日 2021.11.02 (71)申请人 武汉大学 地址 430072 湖北省武汉市武昌区珞珈山 武汉大学 (72)发明人 槐文信　党晓凤　朱政涛　杨中华　 柳梦阳　 (74)专利代理 机构 武汉科皓知识产权代理事务 所(特殊普通 合伙) 42222 代理人 俞琳娟 (51)Int.Cl. G06F 30/28(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 水动力与基质相耦合的植被消长模型构建 方法及装置 (57)摘要 本发明提供水动力与基质相耦合的植被消 长模型构建方法及装置， 能够准确地模拟河道水 生植被的发展过程， 方法包括： 收集研究区域的 实测数据作为输入数据； 以二维浅水方程组为控 制方程， 采用有限体积法求解控制方程， 概化植 被阻力特征， 以研究区域实测的速度阈值和植被 区域内的基质沉积范围作为判断植被潜在生长 区域； 以河道 适宜植被生长的速度阈值作为判断 条件， 将水动力模型计算结果与速度阈值比较确 定植被发展的潜在区域； 采用植被覆盖区域内基 质沉积模式的定量描述结果， 确定植被演替过程 中植被密度增大的影响范围； 以速度阈值和主要 沉积区域这两个植被生境因子共同确定植被的 分布情况， 并视为一个计算周 期， 反复迭代计算 直至植被面积趋 于稳定。 权利要求书3页 说明书7页 附图3页 CN 114117952 A 2022.03.01 CN 114117952 A 1.水动力与基质相耦合的植被消长模型构建方法， 其特 征在于， 包括如下步骤： 步骤I： 收集研究区域的水文、 地形 数据作为模型输入数据； 步骤II： 以二维浅水方程组为控制方程， 采用有限体积法求解控制方程， 利用等效曼宁 系数法概化植被阻力特征， 同时以实测的速度阈值和植被区域内的基质沉积范围作为判断 植被潜在生长区域， 实现河道内水生 植被消长的动态模拟； 步骤III： 以该河道适宜植被生长的速度阈值作为判断条件， 将水动力模型计算结果与 速度阈值比较确定植被发展的潜在区域； 步骤IV： 采用植被覆盖区域内基质沉积模式的定量描述结果， 确定植被演替过程中植 被密度增大的影响范围； 以速度阈值和主要沉积区域这两个植被生境因子共同确定植被的 分布情况， 并视为一个计算周期， 反复迭代计算直至植被面积趋于稳定， 得到最终的植被恢 复结果。 2.根据权利要求1所述的水动力与基质相耦合的植被消长模型构建方法， 其特 征在于： 其中， 在步骤II中， 采用等效曼宁系数概化植被区内床面切应力、 植被拖曳力以及植被 区与无植被区交界处形成的二次流对水流的叠加影响： 式中， nv为植被等效曼宁系数； k为二次流附加阻力系数； hv为植被高度； g为重力加速 度； h为水深； c为植被密度； Cd为拖曳力系数； nb为河床曼宁系数； d为单个植株的直径； αv为 形状系数。 3.根据权利要求1所述的水动力与基质相耦合的植被消长模型构建方法， 其特 征在于： 其中， 在步骤I I中， 二维浅水 方程组为： S＝Sb+Sf    (3) 矩形单元中离散后的控制方程： 式中， U为守恒量； t表示时间； x、 y为笛卡尔坐标系； u、 v分别为x、 y方向的水流流速； F、 G 分别表示x、 y方向的数值通量； S表示源项， 其中Sb、 Sf分别表示地形源项、 摩阻源项； Sx、 Sy分 别表示各类源项在x、 y方向的分量； h为水深； g为重力加速度； 采用正方形形网格划分研究 区域， i、 j分别表示网格单元编号、 边界在某一网格单元中的编号； Δt为时间步长； FE、 FW、 GN、 GS分别是东、 西、 北和南界面的通 量矢量。 4.根据权利要求1所述的水动力与基质相耦合的植被消长模型构建方法， 其特 征在于： 其中， 在步骤I中， 根据研究区域的水文、 地形数据， 以二维浅水方程组与Godunov型有权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114117952 A 2限体积法为框架建立二维浅水水动力模型， 采用正方形网格剖分计算区域， 给定计算区域 基本参数、 初始计算条件并给定相应的进 出口水文、 地形边界条件， 输入由初始 植被分布情 况求得的糙 率文件进行计算， 得到 本计算周期的速度场、 水深数据。 5.根据权利要求1所述的水动力与基质相耦合的植被消长模型构建方法， 其特 征在于： 其中， 在步骤III中， 由实验或者野外调研情况确定适宜该河段植被的速度阈值， 与模 型计算得到的速度场进行比较， 速度低于速度阈值的区域将会有新的植被生长， 即此处的 糙率调整为植被等效糙率值； 而速度高于速度阈值的区域， 原有植被将 被移除， 糙率调整为 河床的糙率值。 6.根据权利要求1所述的水动力与基质相耦合的植被消长模型构建方法， 其特 征在于： 其中， 在步骤IV中， 根据实验得到植被区内细颗粒的净沉积分布情况作为植被覆盖区 域内基质沉积模式的定量描述结果： 将水流流过的植被区域划分为水流调整段、 过渡段和充分发展段， 在植被前缘的水流 调整段内， 存在由于植被阻挡而产生的垂向分流， 导致植被化河床的颗粒沉积相对裸床减 小； 在水流发展区域， 距植被前缘的距离X＞XD， XD是水流调整段的长度， 计算公式见公式 (6)； 式中， φ为固体 体积分数， 在距前缘距离Lp处净沉积增加到峰值， 沉积峰值的位置与发展区域长度成比例： Lp＝ (0.78±0.19)XD； 定义在距离植被前缘0.8Lp～3Lp的范围作为主要沉积区域， 将此区域内的植被密度调 整为稠密植被对应的密度值， 并由公式(1)概化植被斑块区域糙率得到相应的糙率值， 最 终 得到由新的植被分布确定的糙 率文件。 7.根据权利要求1所述的水动力与基质相耦合的植被消长模型构建方法， 其特 征在于： 其中， 在步骤IV中， 反复迭代直到连续三个计算周期的阻塞因子B的变化均小于0.5％， 即ΔB/B≤0.005， 此时认为河道 内水生植被已经演化为较为稳定的景观形态， 作为最终的 植被恢复结果； VA为植被区域 面积， CA为有效区域 面积。 8.基于植被消长模型的河道水生 植被生态修复过程模拟装置， 其特 征在于， 包括： 动态模拟部， 以二维浅水方程组为控制方程， 采用有限体积法求解控制方程， 利用等效 曼宁系数法概化植被阻力特征， 同时以实测的速度阈值和植被区域内的基质沉积范围作为 判断植被潜在生长区域， 实现河道内水生 植被消长的动态模拟； 潜在区域确定部， 以该河道适宜植被生长的速度阈值作为判断条件， 将水动力模型计 算结果与速度阈值比较确定植被发展的潜在区域； 影响范围确定部， 采用植被覆盖区域内基质沉积模式的定量描述结果， 确定植被演替 过程中植被密度增大的影响范围； 迭代计算部， 以速度阈值和主要沉积区域这两个植被生境因子共同确定植被的分布情 况， 并视为一个计算周期， 反复迭代计算直至植被面积趋于稳定， 得到最终的植被恢复结权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114117952 A 3