粉沙质和淤泥质海岸泥沙运动数值模拟方法

摘要

本发明公开了一种粉沙质和淤泥质海岸泥沙运动数值模拟方法。主要步骤包括：步骤一、建立基本方程，所述基本方程包括水流连续方程、水流运动方程、悬移质输移扩散方程、床面冲淤变化方程；步骤二，计算悬沙沉速、泥沙冲淤函数、波流共同作用下的床面剪切应力；步骤三，泥沙数学模型的建立和求解；步骤四，模型验证，包括水流验证、含沙量验证；步骤五，根据泥沙数学模型判定悬沙沉速场。本发明在考虑淤泥质和粉沙质泥沙特性的基础上，构建泥沙数学模型，可以同时模拟两种不同性质泥沙运动；不仅如此，利用所建立的泥沙数学模型还可以计算悬沙的沉速场，据此分析研究区域的特征和影响因素。

主权项

1.一种粉沙质和淤泥质海岸泥沙运动数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：建立基本方程，所述基本方程包括水流连续方程、水流运动方程、悬移质输移扩散方程、床面冲淤变化方程；步骤二，计算悬沙沉速、泥沙冲淤函数、波流共同作用下的床面剪切应力；具体如下：(1)悬沙沉速：针对中值粒径小于63μm和含沙量小于10kg/m³的泥沙，关于沉速与含沙量之间的关系式：ωkS^α     （5）式中k、a为经验系数，ω为泥沙沉降速度，S为含沙量；⑵泥沙冲淤函数：泥沙冲淤函数F_s与底部剪切应力及泥沙特征的关系由下式确定：式中：τ为水流底部剪切应力；τ_d为不淤临界剪切应力；τ_e为起动临界剪切应力；α为淤积概率；M为冲刷系数；ω为泥沙沉降速度；(3)波流共同作用下的床面剪切应力：(3)-a，当只考虑水流作用时，床面平均剪切应力：${\tau }_c=\frac{1}{2}\rho f_c{U}_c^2$式中：ρ为水体密度；U_c为水流平均速度；f_c为水流摩阻系数，可用下式计算$f_c=2{\left\{2.5\right[\ln \left(\frac{30h}{k}\right)-1\left]\right\}}^{-2}---\left(7\right)$其中k为床面阻力系数，h为平均水深；(3)-b，当只考虑波浪作用时，床面平均剪切应力：${\tau }_w=\frac{1}{2}\rho f_w{U}_b^2---\left(8\right)$式中：ρ为水体密度；U_b为波浪底部水质点水平运动速度；f_w为波浪摩阻系数，其中f_w=0.00251exp[5.21(A/k_s)^-0.19]   A/k_s＞1.57     （9）=0.3                          A/k_s≤1.57其中k_s为Nikuradse糙率，取30z₀；z₀为波浪摩阻高度；A为波浪近底质点运动的振幅，按照线性波理论近似表示为：$A=\frac{H}{\pi }\frac{1}{\mathrm{sh}(2\mathrm{\pi h}/L)}---\left(10\right)$式中，H代表波浪高度，L代表波浪的长度；(3)-c，当波流共同作用，采用波浪摩阻系数概念$\frac{{\tau }_{\mathrm{mean}}}{{\tau }_c+{\tau }_w}=\frac{{\tau }_c}{{\tau }_c+{\tau }_w}(1+b{\left(\frac{{\tau }_c}{{\tau }_c+{\tau }_w}\right)}^p{(1-\frac{{\tau }_c}{{\tau }_c+{\tau }_w})}^q)---\left(11\right)$$\frac{{\tau }_{\max }}{{\tau }_c+{\tau }_w}=1+a{\left(\frac{{\tau }_c}{{\tau }_c+{\tau }_w}\right)}^m{(1-\frac{{\tau }_c}{{\tau }_c+{\tau }_w})}^n---\left(12\right)$式中：τ_c为考虑纯水流作用下的切应力，τ_w为考虑纯波浪作用的切应力，b、p、q、a、m、n为综合表达式；步骤三，泥沙数学模型的建立和求解：以MIKE21为工具，结合步骤一的基本方程、步骤二的计算结果建立泥沙数学模型，然后采用有限体积法求解泥沙数学模型，计算网格为三角网格，最大网格尺度1500m，最小20m；步骤四，泥沙数学模型验证：4-1，采用实测中潮资料对泥沙数学模型进行水流验证；4-2，采用平均含沙量作为检验的标准，相对应的动力条件为典型中潮资料加上年均有效波高波浪场，对泥沙数学模型进行含沙量验证；步骤五，根据泥沙数学模型判定悬沙沉速场：5-1，根据悬沙沉速来判断泥沙性质：当沉速大于1mm/s的泥沙属于粉沙质泥沙，沉速在0.6mm/s以下的泥沙判定为淤泥质泥沙，而既包括粉沙质泥沙又包括淤泥质泥沙的粉沙淤泥质泥沙，其沉速范围为0.6mm/s~1mm/s；5-2，根据模型图中潮周期内不同沉速线的外包络线判断悬沙沉速场与底质分布。