2上海勘测设计研究院有限公司 上海 200434
摘要：糙率是表现管壁面粗糙程度对水流速度的影响系数。在有植物河道中，会对糙率产生影响。因此通过使用糙率计算公式，结合蒙特卡罗法不确定性分析理论，建立了有植物河道糙率计算的随机分析模型。本文通过实验，对该理论进行证实。发现该随机模型计算结果对有植物河道糙率计算有良好效果，通过本文希望给相关领域人士有所帮助。
关键词：有植物河道；糙率；随机模型
前言：
糙率代表着河堤以及岸壁等对水流阻力的影响数值，在计算糙率时需要考虑很多因素。例如天气影响，在恶劣天气下水流速度会有所变化，对糙率计算产生影响。并且糙率还受到河道地形，水流条件等影响。在河道中存在大量植物时，会使糙率计算难度增加，因为植物会对水流阻力产生影响，植物的高度，硬度，都是影响糙率的主要因素。由于在不同地区河道内植物种类也有所不同，因此其具有一定随机性，无法精准测量。本文在传统计算方法的基础上进行改善和优化，经过试验得出了有植物河道糙率的随机模型。
一、建立随机模型
（一）植物对糙率计算的影响
随着科学技术的飞速发展，人们的安全意识不断提高，近年来人们对于河道环境工程建设越来越重视起来。对于河道糙率的计算影响着河道建设工程的正常使用，因此必须对糙率进行详细计算。但是人们为了娱乐和观赏价值，经常会在河道内人工种植一些水生植物，植物可以保护水体生态平衡，增加河道美观程度。并且有助于保护水体和土体的环境，并对鱼类等生物也提供了栖息地和食物来源。但是从人类水力学的角度来看，水体生物在河道内的大量繁殖，会增加水流阻力，减少水流速度。减少河道的泄水流量，不利于工程的建设。植物影响糙率的主要因素是植物横向间隔，纵向间隔，植物所占水体体积，植物高度，密度等。并且由于植物种类不同，在不同时期大量繁殖或者枯萎，都会使河道糙率产生大幅度变化。
（二）运用蒙特卡罗法
蒙特卡罗法是随机模拟计算方法，其通过统计数据和概率进行分析，将所需要解决的计算问题和概率模型相结合，进行随机模拟，得出随机模拟数据。蒙特卡罗法一般的步骤分为以下几步，1.构成一个概率空间，2.从问题中选取实验性数据作为参考，3.通过生成的随机参数来运算模型的计算公式，得到相近的函数值，4.利用统计和概率的计算方法来得出计算结果[1]。通过这种方式，可以更快速方便的分析不确定数据，得到问题的相似解。并且在传统计算方法上进行改良，得到了新型公式，通过公式将植物密度，硬度，形状特点都作为固定量，并将植物横向间隔，纵向间隔，植物所占水体体积三个参数作为随机数值展开分析。
（三）随机参数分析以及识别
在计算有植物河道糙率时结果常常体现多样化，原因是由于不同时段水流阻力不同。并且不同河道水体宽度，长度，都会影响到糙率系数。根据实验发现，当植物排布越密集，则占领水体体积越大，对水流阻力也就越大。为了使有植物河道糙率随机性降低，尽量保持在相同水流阻力，相同水深的情况下进行数据采集。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆并且由于植物的分布为不可抗力因素，需要对现场进行实际分析测量，并且查阅当地相关资料，分析河道植物种类以及密度[2]。最为广泛应用的是现场实地测量分析，通过这种方式，可以更加有效的得出植物对水流阻力的影响数值。并且根据蒙特卡罗法进行数据统计和概率分析，得到多组不同随机样本，并且对这些随机样本进行统一分析。
二、以南京市华普乡一条河道为例进行研究
（一）河道概况
本文以南京市华普乡中一条矩形河道为例，开展了有植物河道糙率随机模型的研究实验。河道中植物多为水藻，并且正处于生长繁茂状态。河道水体清澈，水质良好，构建了良好的水体生态系统，但是河道输水和泄洪能力极差，对核岛工程建设有极大不良影响。通过现场测量得出实际数据，河道宽度2.1m，水深0.65m，水流速度0.18m/s，堤坡为0.6‰。并立即进行其他数据采集，开始实验。
（二）生成糙率随机模型
由于植物纵向间隔，横向间隔，植物体积均为随机性参数，因此通过蒙特卡罗法，得出三个数值结果。三个数值均为正态分布，三个数值的平均值和标准参数的误差分别为2.5cm，2.3cm，41ml和0.4，0.3，4.0。为了保证数据的准确性和可靠性，在同一时间又进行了两次数据采集，并进行实验。得出另外第一组的标准差分别为0.4，0.3，3.0。第二组为0.7，0.5，7.0。并根据第一组实验数据，进行蒙特卡罗法进行随机模型的生成，得出了随机数值。其中植物纵向间隔的随机数值在1.58到3.5之间浮动，横向间隔随机数值在1.9到2.9之间，植物所占水体体积随机浮动较大，为35到47之间[3]。
三、计算结果的数据分析比较
通过蒙特卡罗法的使用，可以根据实验所得出的数据运行模型，并且分别结算三组实验的糙率数值。通过分析得出第一组数值变化范围为0.056-0.,068，近似呈以0.067为峰值的负偏态分布，糙率在0.07到0.08之间的累积概率密度约为97.8%。根据第一组的实验结果，对第二组进行同样的方式进行分析，得出第二组糙率数值在0.07到0.08之前的累积概率密度约为95.4%，第三足的累计概率密度为93%。并且水力学中，统计经验值为大小在0.05-0.08之间，该数据结果符合标准，具有实际意义。
结论：本文在传统计算糙率数值的基础上，运用蒙特卡罗法，将植物纵向和横向间隔，植物水体体积为随机数值，进行对糙率计算的优化方式，得到了以下结论。首先，本文以南京华普乡矩形河道为例，运用有植物河道糙率随机模型，计算得出糙率数值在0.07到0.08之间的数据，并根据水力学标准，在0.05到0.08之间，使数据具有实际应用价值。其次本次实验所采集数据均使用蒙特卡罗法进行随机生成，因此具有很强的随机性，提升了实验结果的可靠性和全面性。
参考文献：
[1]于显亮,彭杨,吴志毅.动态规划算法在河道糙率反演中的应用[J].中国农村水利水电,2017,12(5):87-90.
[2]刘俊楠,魏春金,张树文.一类具有负面效应的随机浮游动植物模型(英文)[J].生物数学学报,2017,15(1):12-24.
[3]郑爽,吴一红,白音包力皋,等.含水生植物河道曼宁糙率系数的试验研究[J].水利学报,2017,48(7):874-881.
论文作者:陆姗姗1,陈福容2
论文发表刊物:《基层建设》2018年第11期
论文发表时间:2018/6/11
标签：河道论文; 植物论文; 数值论文; 水体论文; 水流论文; 模型论文; 间隔论文; 《基层建设》2018年第11期论文;