基于连续性扩散流湿地表面水流动力学模型.pdfVIP

水 利 学 报 年 月 第 卷 第 期 文章编号 基于连续性扩散流的湿地表面水流动力学模型 宋新山 邓 伟 东华大学环境科学与工程学院 上海 中国科学院成都山地灾害与环境研究所 四川成都 摘要 受表面密生植被的影响 湿地表面流总是处于高阻力 低流速状态 湿地表面流的水流动力学方程中 其水 流加速度项相对于地表高密度植被造成的高阻力项相比 可以忽略 由此 以水流连续性方程和忽略加速度项的 水流动力学方程为基础 构建基于连续性扩散流的湿地表面流动力学模型 该模型是一个抛物型偏微分方程 相 对于描述一般径流流态的圣维南双曲型偏微分方程组而言 其求解过程相对容易 模型中的表面流流量采用修正 的曼宁方程描述 表面糙率采用已有经验公式 数值计算方法采用六点差分格式 模拟结果表明 该模型能够体现 湿地表面流的高阻力 低流速特征 水深越浅 水流模式变化越慢 水深越大 表面流受植被阻力越小 水流模式变 化越快 关键词 湿地表面流 连续性扩散流 水动力学 圣维南方程 中图分类号 文献标识码 湿地的各种功能 如均化洪水 调节气候 降解污染 供给水源等无一不是因水而存在 但湿地又不 是传统意义上的河湖水体 它具有半水半陆的过渡性生态环境及过渡性水文情势 由此形成了特异 的水文水动力特征 这种湿地水文物理过程是湿地生物和化学过程的驱动力 它决定了湿地物质的传输 方式 维系着湿地生态功能的发挥 研究表明 湿地第一性生产力决定于其中水流的温度 水深 流 速 流向等 关于湿地水文情势的研究 目前的研究主要有根据长期观测资料利用数理统计方法或 类似神经网络类的方法进行水文预报 在较大范围内 利用数字高程模型 建立分布式水文模 型 更多的是根据观测资料和质量守恒原理 通过湿地水量平衡的方法研究其水文过程 上述研究 一般对较大范围是适用的 关于水文参数相对均一的较小范围内湿地表面流径流深 流向的定量化模拟 研究 目前尚未多见 另外 新兴的生态水力学目前重点在于河流水动力学和河流水生态系统之间的相 互关系研究上 针对湿地方面的研究尚未见报道 湿地水流动力学机制 从水文情势分析 湿地水流包括表层流和表面流 表层流产生于泥炭湿地的活动层和潜育湿地 的草根层中潜水位的变动带内 是水分在草根层或泥炭空隙中通过湿地土壤多孔介质的侧向渗流 一般 呈层流 运动形式服从达西定律 一般认为多数湿地都存在明显的不透水下伏层 所以垂向水力联系较 弱 因此在各向同性的湿地土壤中 其表层多孔介质流可用 偏微分方程求解 这和一般饱和 土壤水流运动方程求解过程一样 表面流是由于湿地土壤完全被水饱和后 潜水面上升到地表 湿地表面完全被水淹没 并且在一定 水力坡度的情况下产生的径流 从径流形式来看 湿地表面流主要有坡面漫流 片流和明渠流等 湿地 表面流中 微地形是其流速 流深 流方向等发生变化的重要因素 除此之外 湿地表面密生植被导致 收稿日期 基金项目 中科院湿地生态与环境重点实验室基金 东华大学优秀青年教师基金 作者简介 宋新山 河南叶县人 博士 副教授 主要从事水环境 环境数学模拟研究 的糙率过大也是影响湿地表面流流态的主要因素之一 一般湿地中总是有生长繁茂 密植 根系发达的 挺水植物 因此湿地水流总是处于高阻力 低流速的状态 与河流相比 湿地表面流的水流特征为洪峰 形成慢 峰值低 消退慢 基于连续性扩散流的湿地表面流动力学模型研制 一般河流水流形态可用圣维南方程组描述 包括水流连续性方程和水流动力学方程 其中的水流动 力学方程包括对流加速项 局地加速项 重力加速项以及阻力项 因此构成了一个双曲型偏微分方 程组 其数值解的求解过程相当繁琐 因此本文对之进行修正并应用于描述湿地表面流流态 湿地表 面流中 水流的加速项和湿地高密度地表植被造成的阻力项相