一种淤泥质海岸浮泥形成条件的定量计算方法

摘要

本发明公开了一种淤泥质海岸浮泥形成条件的定量计算方法，属于淤泥质海岸工程泥沙研究技术领域。本发明的步骤是：首先建立工程海域的二维潮流泥沙数学模型，并以此为基础，分析工程海域的水动力及泥沙环境，为浮泥形成条件定量研究提供水动力参数；然后建立浮泥形成条件定量研究模型，并采用异重流发生判别公式作为浮泥形成条件的定量研究方法，最后用异重流发生判别公式作为浮泥形成条件的定量研究方法，确定公式中的参数，进而定量计算航道或深槽内浮泥形成的条件。本发明的优点在于确定了淤泥质海岸浮泥形成条件的定量研究方法，采用异重流发生的判别公式可以用来定量研究淤泥质海岸浮泥的形成条件。

主权项

一种淤泥质海岸浮泥形成条件的定量计算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤A，根据港口工程的位置，建立工程海域的二维潮流泥沙数学模型，采用有限体积法求解二维潮流泥沙数学模型，得到浮泥形成条件定量计算所需的水动力及泥沙参数，所述二维潮流泥沙数学模型的控制方程见式（1）～（6）：①连续方程：$\frac{\partial h}{\partial t}+\frac{\partial h\bar{u}}{\partial x}+\frac{\partial h\bar{v}}{\partial y}=\mathrm{hS}---\left(1\right)$②运动方程：$\begin{array}{c}\frac{\partial h\bar{u}}{\partial t}+\frac{\partial h{\bar{u}}^2}{\partial x}+\frac{\partial h\bar{u}·\bar{v}}{\partial y}=f\bar{v}h-\mathrm{gh}\frac{\partial \eta }{\partial x}-\frac{h}{{\rho }_0}\frac{\partial p_a}{\partial x}-\\ \frac{{\mathrm{gh}}^2}{2{\rho }_0}\frac{\partial \rho }{\partial x}+\frac{{\tau }_{\mathrm{sx}}}{{\rho }_0}-\frac{{\tau }_{\mathrm{bx}}}{{\rho }_0}+\frac{\partial }{\partial x}\left(h{T}_{\mathrm{xx}}\right)+\frac{\partial }{\partial y}\left(h{T}_{\mathrm{xy}}\right)+h{u}_{s}S\end{array}---\left(2\right)$$\begin{array}{c}\frac{\partial h\bar{v}}{\partial t}+\frac{\partial h\overline{\mathrm{uv}}}{\partial x}+\frac{\partial h{\bar{v}}^2}{\partial y}=-f\bar{u}h-\mathrm{gh}\frac{\partial \eta }{\partial y}-\frac{h}{{\rho }_0}\frac{\partial p_a}{\partial y}-\\ \frac{{\mathrm{gh}}^2}{2{\rho }_0}\frac{\partial \rho }{\partial y}+\frac{{\tau }_{\mathrm{sy}}}{{\rho }_0}-\frac{{\tau }_{\mathrm{by}}}{{\rho }_0}+\frac{\partial }{\partial x}\left({\mathrm{hT}}_{\mathrm{xy}}\right)+\frac{\partial }{\partial y}\left(h{T}_{\mathrm{yy}}\right)+{\mathrm{hv}}_{s}S\end{array}---\left(3\right)$$T_{\mathrm{xx}}=2A\frac{\partial \bar{u}}{\partial x},T_{\mathrm{xy}}=A(\frac{\partial \bar{u}}{\partial y}+\frac{\partial \bar{v}}{\partial x}),T_{\mathrm{yy}}=2A\frac{\partial \bar{v}}{\partial y}---\left(4\right)$$A=c_s^2{l}^2\sqrt{2S_{\mathrm{ij}}{S}_{\mathrm{ij}}},S_{\mathrm{ij}}=\frac{1}{2}(\frac{{\partial u}_i}{\partial x_j}+\frac{\partial u_j}{\partial x_i})(i,j=\mathrm{1,2})---\left(5\right)$③悬沙运动方程：$\begin{array}{c}\frac{\partial \bar{c}}{\partial t}+u\frac{\partial \bar{c}}{\partial x}+v\frac{\partial \bar{c}}{\partial y}=\\ \frac{1}{h}\frac{\partial }{\partial x}\left(h{D}_x\frac{\partial \bar{c}}{\partial x}\right)+\frac{1}{h}\frac{\partial }{\partial y}\left({\mathrm{hD}}_y\frac{\partial \bar{c}}{\partial y}\right)+Q_L{C}_L\frac{1}{h}+E\end{array}---\left(6\right)$上式中：x、y—直角坐标系坐标；t—时间变量；η—波面高程；d—静水水深；h=η+d—总水深；u、v—x、y方向上的流速；方向上的垂线平均速度；P_a—大气压强；ρ—水流密度；ρ₀—水密度的参考；S—点源处的流量的大小；g—重力加速度；u_s、v_s—点源的流速；τ_sx、τ_sy、τ_bx、τ_by—x、y方向上的表面风速和底部应力；f—科氏参数，f=2ωsinφ，ω为地球旋转角速度，φ为纬度；T_xx、T_xy、T_yy—横向应力；A为水平涡粘系数；c_s为常数；l为网格特征长度；为垂线平均含沙量；D_x、D_y分别为x、y方向上的扩散系数；Q_L为单位面积上的点源流量；C_L为点源含沙量；E为底部泥沙冲、淤项；步骤B，建立浮泥形成条件定量研究模型，具体分步骤如下：B‑1，采用下式确定含沙水体密度与含沙量的关系：${\rho }^{\prime }=\rho +(1-\frac{\rho }{{\rho }_s})S---\left(7\right)$上式中：ρ＇为含沙水体的密度，单位为kg/m³；ρ为水的密度，单位为kg/m³，ρ_s为泥沙的密度，单位为kg/m³，S为含沙量，单位为kg/m³；B‑2，采用异重流发生判别公式来定量研究淤泥质海岸浮泥的形成条件，所述异重流发生判别公式如下：$\frac{U_0}{\sqrt{\mathrm{\Delta \rho gH}/{\rho }^{\prime }}}\le \alpha ---\left(8\right)$上式中：U₀为垂线平均流速，单位为m/s，H为水深，单位为m；△ρ为水体的密度差，单位为kg/m³；α为浑水的弗劳德系数，α的取值范围是0.65～1.0；g为重力加速度，单位为m/s²；B‑3，定义淤泥质海岸异重流发生时刻的水体垂线平均含沙量作为浮泥即将形成的临界含沙量，将式（7）代入式（8），得到临界含沙量计算公式（9），如下：$S\ge (\frac{{U_0}^2}{{\alpha }^2\mathrm{gH}}\rho +\frac{{\rho }_s-\rho }{{\rho }_s}{S}_0)/(1-\frac{{U_0}^2}{{\alpha }^2\mathrm{gH}})\frac{{\rho }_s-\rho }{{\rho }_s}---\left(9\right)$式中：S₀为背景含沙量；步骤C，计算分析步骤：采用公式（3），根据步骤A建立的二维潮流泥沙数学模型，获取水动力参数，并选取合适的背景含沙量条件，根据步骤B‑3得到的临界含沙量计算公式，分析计算不同航道设计尺度下浮泥的形成条件。