[发明专利]一种含植物水流污染物扩散系数计算方法

说明书

本发明涉及一种含植物水流污染物扩散系数计算方法，该方法包括以下步骤：获取水流速度、污染物运移速度和植物直径，利用水流速度和植物直径计算植物雷诺数，利用水流速度、污染物运移速度和植物直径计算污染物运移雷诺数；基于植物雷诺数和植物相对高度，利用改进的Jamali方法计算得到植物影响下的污染物横向扩散系数；利用植物雷诺数获取植物拖曳力系数，基于植物拖曳力系数、运移雷诺数和植物相对高度，利用改进的Nepf方法计算得到植物影响下的污染物纵向扩散系数。与现有技术相比，误差更小，结果更精确。

技术领域

本发明涉及水动力学、环境动力学、污染物运移动力学领域，尤其是涉及一种含植物水流污染物扩散系数计算方法。

背景技术

近年来，由于污染物随水流排放的加剧，对湿地水环境及生态系统造成了严重的破坏。植物是水生生态系统的重要组成部分，能够减缓水流平均流速，减小河道输水能力，改变河流的水流结构和紊动特征，从而影响污染物在水流中的扩散和运移。在河道水流中，污染物在水生植物的作用下，其横向和纵向扩散均受到影响，改变其混合和稀释进程，影响水体污染程度。水流特征、植物的相对高度、密度及排布方式，都会对这一过程产生影响。因此，针对含植物水流，研究基于水流特征和植物参数的污染物扩散系数估算方法具有重要意义。

含植物水流污染物扩散受到水流紊动强度、水流流速和植物特性等多重因素的影响，机理十分复杂。不同淹没程度、植物刚度、密度和排布方式等植物特性的影响下，污染物扩散呈现不同的规律。目前，含植物水流污染物扩散系数计算多采用经验公式法，综合考虑多种植物特性的计算方法较少。Jamali方法虽然考虑了植物雷诺数、体积比对污染物横向扩散系数的影响，但忽略了植物相对高度的作用，且仅适用于刚性植物不完全淹没的情况。Nepf方法较好反映了植物阻力、植物体积比及运移雷诺数的影响，但对于含植物水流污染物纵向扩散系数的计算，还应综合考虑不同淹没程度、植物相对高度的情况。由于缺少适用于多种植物特征条件的污染物扩散系数计算方法，含植物水流污染物扩散运移和湿地水环境数值模拟等相关研究受到极大限制，不利于进一步开展湿地的生态保护及修复工作，亟需新技术的出现。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种含植物水流污染物扩散系数计算方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种含植物水流污染物扩散系数计算方法，该方法包括以下步骤：

步骤S1：获取水流速度、污染物运移速度和植物直径，利用水流速度和植物直径计算植物雷诺数Re_d，利用水流速度、污染物运移速度和植物直径计算污染物运移雷诺数Re_t；

步骤S2：基于植物雷诺数Re_d和植物相对高度，利用改进的Jamali方法计算得到植物影响下的污染物横向扩散系数D_y；

步骤S3：利用植物雷诺数Re_d获取植物拖曳力系数，基于植物拖曳力系数、运移雷诺数Re_t和植物相对高度，利用改进的Nepf方法计算得到植物影响下的污染物纵向扩散系数D_L。

所述植物雷诺数Re_d的计算公式为：

Re_d＝ud/v

其中，v为运动粘性系数，u为水流流速，d为植物直径。

所述改进的Jamali方法的表达式为：

其中，φ为植物体积比，a′表示为：

b′表示为：

其中，为植物相对高度。