河口海岸潮流速分布研究进展

总结了在水流加减速作用、水流密度和悬沙浓度造成的水流分层、地形变化、风、波浪、底沙等因素影响下国内外河口海岸潮流速分布研究现状。分析了现有潮流速分布模式及修正模式存在的问题,指出潮汐水流垂向结构的研究关键是潮流剪切应力垂线分布公式的合理性;对潮流速分布模式进行了研究展望。     

河口海岸近底层潮流速分布模式初步研究

许多现场实测资料表明,潮流近底流速剖面偏离传统的对数分布。虽然偏离值可能不大,但利用对数剖面去计算河底粗糙长度和剪切应力时会引起较大的误差。有研究者的数值试验表明,如果通过流速是对数分布来估计粗糙长度和底部切应力,偏差可能超过100%(Kuo等,1996)。本文从流体动力学原理出发,利用Prandtl混合长度和Von Karman自相似理论,建立河口海岸近底层潮流速分布的对数线性模式。通过对英国大陆南部西Solent水道实测水流垂向分布进行枚举粗糙长度z0结合最小二乘法拟合,并将计算结果与传统的对数模式的结果比较,表明本文模式有以下优点:①精度高,计算值更接近实测值;②所确定的粗糙长度z0和摩阻流速u*的相关系数更高,且两者在相位上更趋一致。     

南黄海辐射沙洲西洋水道垂向流速分布计算研究

利用传统对数分布描述潮流垂向流速分布时,常与现场实测资料有所偏差。考虑到悬沙垂向分布不均造成的水体分层效应,引入水体分层参数对动量传递系数进行修正,将悬沙垂向指数分布公式应用到流速分布计算中,推导出悬沙梯度引起水体分层效应时的垂向流速分布公式。与南黄海辐射沙洲西洋水道实测流速数据的对比分析表明,该分布与实测数据的相关程度明显高于传统对数分布,垂向流速分布结构更加符合实际情况。由于悬沙在水体底层的减阻作用,得到的摩阻流速小于由对数分布得到的摩阻流速,可以真实反映西洋水道内潮流底部的摩阻特性。     

样本容量对明渠垂线流速分布对数公式拟合的影响

针对明渠垂线流速分布测量样本容量对对数公式拟合的影响问题,通过水槽试验,应用激光多普勒测速仪,在0.2倍水深内布设110个点进行垂线流速测量;按相对等距原则,从110个测量数据中共生成11组不同样本容量的流速系列进行统计分析。结果表明:试验测得的垂线流速分布符合对数公式;对数公式拟合所得的摩阻流速、积分常数及其统计变量相关系数和变差系数随样本容量大小的变化而变化,当样本容量逐渐变大时,渐渐趋于稳定,符合统计理论的大数定律;合理反映垂线流速分布变化的试验,其测点需要一定的样本容量;试验得到的垂线流速在间距分布比较均匀的条件下,0.2倍水深内所需样本容量为50左右。     

挟沙水流卡门常数的理论研究

挟沙水流的流速分布,特别是其中的卡门常数,一直是冲积河流水力学研究的热点问题之一.实测资料表明挟沙水流流速分布仍遵循对数流速分布规律,但在主流区的卡门常数要小于清水时的卡门常数,而在近底区的卡门常数与清水基本一致.在引入颗粒切应力的基础上,从理论上推导了同时适用于主流区和近底区的统一流速分布模型.利用该流速分布模型,得到挟沙水流的卡门常数沿垂线是变化的结论,即从近底区的约0.4渐变到主流区的小于0.4.并给出了主流区卡门常数的理论表达式,认为主流区卡门常数与近底区的泥沙浓度和泥沙粒径有关.该卡门常数的理论公式与实测资料较为吻合.     

有浮泥水域的平面二维泥沙数学模型研究

近底泥沙存在底沙和悬沙的频繁交换,数学模型难以精确模拟,浮泥的发育更使近底泥沙边界条件趋于复杂,一个有效的平面二维泥沙数学模型需要正确处理挟沙力、起动流速、泥沙沉速等泥沙参数,本文应用罗肇森对浮泥研究得到的理论和经验公式,成功模拟了椒江口和灵江河段的潮流运动及水体含沙量分布特征,合理预测了水下地形的冲淤变化特点,对有浮泥发育的河口及近海水沙模拟研究作了有益的探索。     

全值域有定义的对数紊流流速分布公式研究

目前,声学多普勒流速剖面仪垂线流速盲区插补只能采用指数流速分布、常数流速分布两种模式,而对数紊流流速分布公式是基于动量传递理论推导出的垂线流速分布公式,该公式因在边界处(y=0)没有定义而应用不便。基于此,从天然河道的河床是由泥沙组成的非固定边界的实际出发,提出在边界面上液体质点仍然存在混掺运动的假设,借助动量传递理论推导出全值域有定义的对数紊流流速分布公式。并且采用宜昌水文站4条实测垂线流速对公式进行拟合验证。结果表明：该公式拟合得到的误差有正有负,最大误差为-3.66%,精度符合水文资料整编规范要求。推导出的公式在垂线水深的所有值域内有定义,该公式可为声学多普勒流速剖面仪垂线流速盲区插补提供一种思路。     

粗化层形成过程中水沙特性试验

通过水槽试验，对卵砾石粗化层形成和破坏时近底水流结构特性和输沙率变化过程进行测量。结果表明：随着河床粗化程度的增加，近底水流结构紊动强度增大，时均流速沿水深分布偏离对数律；粗化层形成与再破坏过程中，推移质输沙率均以指数形式衰减，床沙中细颗粒的减少使粗化的历时增加，峰值增大。     

复合指数模型及其在海流测量中的应用

对海流分层流速数据进行分析,提出了复合指数模型,并将该模型与常见的几个海流垂向分布模型作了适用性比较。复合指数模型参数多,线型灵活,对不同海域、不同水深垂向海流流速分布适用性较好。二次函数法适用于海水较浅的海域。扩展后的对数线性模型适用范围较小,对垂向流速拟合效果较差。在实际应用中,应结合ADCP,把海流垂向分布模型运用到海流流速的测量处理当中。     

流场实时测量中示踪球性能的研究

在基于颗粒示踪和图像处理方法的流场实时测量中，示踪颗粒的性能对流速测量的精度影响很大。为此，设计了一种半球形带沿的颗粒，其淹没深度较小，可以适用于较浅的水流条件，并通过试验研究了其分散性和跟随性。从试验结果可以看出，这种颗粒在运动过程中基本不会聚积成团，其运动速度达到稳定的时间和水流流速大致成对数曲线关系。示踪球的稳定速度和碎纸屑基本一样，可以认为这种颗粒能代表当地水流的运动速度。     

波浪潮流共同作用下长兴岛海区二维悬沙输运数值模拟研究

根据近岸地区波浪、潮流与泥沙运动的规律,把波浪运动概化为在潮周期中具有时均意义的波浪流分布场,将波浪辐射应力以及波流底部剪切应力耦合到潮流运动方程和悬沙输运方程中,建立了非结构网格下近岸波浪和潮流共同作用下的二维悬沙输运数值模型。时间离散采用欧拉向前格式,空间离散采用有限体积法的显式格式。将模型应用于矩形海湾实验和大连长兴岛附近海区悬沙冲淤过程的实际算例。结果表明:波浪对潮位影响很小,但是对近岸流速有较为明显的影响;波流共同作用对近岸泥沙浓度影响比单纯考虑潮流作用可提高40%～100%的幅度。     

基于定点连续观测的钱塘江涌潮特性研究

本文基于天文大潮期间钱塘江涌潮河段定点连续实测的最新资料,对钱塘江涌潮的潮位、潮流、盐度和浊度等特性参数进行分析研究。潮位、平均流速、垂向分层流速和盐度、浊度变化数据表明:涨落潮期间该河段的潮位呈双峰变化过程,涌潮抵达时水位骤然升高,之后下降,约40.0 min后,水位再次开始升高至高潮位,涌潮到达约3.5 h之后逐渐变为憩流;涌潮Fr为1.10,涌潮形态呈现为波状涌潮且水波较弱。涌潮到达瞬间,流场整体发生转向,流速大于涌潮前流速,且底层流速增大幅度大于表、中层,流速分层不明显。盐度在涌潮到达后约40.0 min后开始明显增大,与流速的改变相比存在一定的滞后,主要因为潮流入侵引起盐度增加。底层浊度随涌潮的到达而同步升高,主要是涌潮导致流场剧烈变化,引起床面冲刷和大量细颗粒泥沙悬浮;之后,浊度随涨潮流减弱而逐渐减小,憩流时达到最小,而后随着流速转向及退潮流增大而再次增大。该研究为钱塘江涌潮特性分析和钱塘江取水及岸滩冲淤防护等工程提供了科学依据。     

一二维联解潮流数学模型在防洪评价中的应用

针对单纯使用一维或二维数学模型难以准确高效模拟大型涉水工程对水域影响的问题,通过利用一、二维联解潮流数学模型,在珠江口某港区码头工程附近使用二维模型,对该区域流场和流速变化范围进行模拟,其余水域采用一维模型模拟。结果表明,工程对珠江东四口门及工程周边水域水位、流速、河道潮量及分流比、潮排、潮灌、排涝等影响不大。结论认为,一、二维数学模型联解计算可以用于大型工程,尤其是海域内大型工程的防洪评价计算,并能够得出较为可靠的计算结果。     

江苏沿海潮流数值模拟与潮流能估算

潮流能是一种海洋可再生能源,具有广阔的应用前景。通过数值模拟方法,对江苏沿海的潮流能分布进行估算。首先建立了江苏沿海平面二维潮流数学模型,并利用多次现场实测资料进行验证;基于数学模型计算结果,分析了江苏沿海的潮流场特征;其次,利用准调和分析方法对15 d潮流模拟结果进行调和分析得到6个分潮调和常数,并继而得到最大可能流速和潮流能流密度;最后,利用估算方法对海区的潮流能进行了估算。研究结果表明,江苏沿海燕尾港以南水域平均潮流能流密度相对较高,其中废黄河口附近海域、苏北辐射沙洲水道区域潮流能最为集中,平均能流密度最大值为700~1 200 W/m2,理论上具有较高的开发与应用价值。     

潮汐通道边坡潮流垂向结构及其底床冲淤数值模拟

本文阐述了潮汐通道边坡潮流、悬沙垂向结构，并建立了边坡流速垂向梯度解析式。通过理论关系式和现场观测资料分析论证，得知横向湍流掺混作用是造成边坡流速垂向分布较均匀的主要动力机理，考虑到潮汐通道边坡水动力场和悬沙场分布特点，应用平面二维泥沙运动数值模型模拟边坡区底床冲淤趋势，模式经岙山边坡试算，所获结果与该底床冲淤现状基本一致。     

基于ECOMSED的非恒定流水域盐水入侵数值模拟

为了研究非恒定流水域盐水入侵后的水流特性,利用ECOMSED三维海洋水动力模型,对该水域的潮流场和盐度场进行了三维数值模拟。模拟结果显示:在水槽弯曲处靠近主流线一侧盐度较高;靠近河口处的盐度纵向变化受潮差影响较大;底层咸水入侵的最远距离远大于表层;盐水分层现象在小潮时相对更为明显。该数学模型基本反映了非恒定流水域的盐水入侵特性,并可用于进一步分析盐分输移的机理以及预测盐度的分布情况。     

波流共同作用下围垦促淤计算方法研究

在改进王义刚等提出的淤泥质海岸围垦淤积计算方法基础上,提出了波流共同作用下围垦促淤计算方法。采用实测水沙资料对挟沙力公式进行率定,得到了横沙东滩水域波流共同作用下半潮平均水沙关系式,其相关系数明显优于仅考虑潮流作用的水沙关系式。采用上述计算方法和水沙关系式对横沙东滩促淤圈围工程的淤积效果进行计算,计算结果与实测值较为接近。由于考虑了波浪作用对含沙量的贡献,比仅考虑潮流作用的计算模式具有明显优势,以后可进一步尝试采用本模式研究砂质和粉砂质潮滩促淤效果问题。     

A NUMERICAL MODEL FOR FLOW-SALT-SEDIMENT MOVEMENT IN TIDAL ESTUARIES

Ａ　ＮＵＭＥＲＩＣＡＬ　ＭＯＤＥＬ　ＦＯＲ　ＦＬＯＷ－ＳＡＬＴ－ＳＥＤＩＭＥＮＴ　ＭＯＶＥＭＥＮＴ　ＩＮ　ＴＩＤＡＬ　ＥＳＴＵＡＲＩＥＳＡＮＵＭＥＲＩＣＡＬＭＯＤＥＬＦＯＲＦＬＯＷ－ＳＡＬＴ－ＳＥＤＩＭＥＮＴＭＯＶＥＭＥＮＴＩＮＴＩＤＡＬＥＳＴＵＡＲ...