南黃海輻射沙洲西洋水道垂向流速分布計(jì)算研究.docx

1、文章編號(hào)：1001-4179(2015)03-0009-05南黃海輻射沙洲西洋水道垂向流速分布計(jì)算研究肖孑婚質(zhì)，尊瑞M2（1.河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210098；2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京210098）摘要：利用傳統(tǒng)對(duì)數(shù)分布描述潮流垂向流速分布時(shí)，常與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料有所偏差。考慮到懸沙垂向分布不均造成的水體分層效應(yīng)，引入水體分屢參教時(shí)動(dòng)量傳遞系教選行修正，將懸沙垂向指效分布公式應(yīng)用到流速分布計(jì)算中，推導(dǎo)出懸沙梯度引起水體分蜃效應(yīng)時(shí)的參向流速分布公式。與南黃海藉射沙洲西洋水道實(shí)剝流速效據(jù)的對(duì)比分析表明，該分布與實(shí)制數(shù)據(jù)的相關(guān)程度明翌高于傳統(tǒng)對(duì)數(shù)分布，垂向

2、流速分布結(jié)構(gòu)更加符合實(shí)際情況。由于懸沙在水體底層的減阻作用，得到的摩阻流速小于由對(duì)數(shù)分布得到的摩阻流速，可以真實(shí)反映西洋水道內(nèi)潮流底部的摩阻特性。關(guān)鍵詞：分層效應(yīng)；浪速垂線分布；摩阻流速；西洋水道；輻射沙洲中圖法分類號(hào)：TV14文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.16232/ki.1001-4179.2015.03.0031研究背景南黃海輻射沙洲海域潮流作用較強(qiáng)，受岸外沙脊群特殊地形的影響，各潮流通道的流速變化特征有所不同。垂線流速分布是流速變化特征的具體體現(xiàn)，紊流的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、能植傳遞過(guò)程及阻力特性等各種動(dòng)力要素均與其相關(guān)，近岸地區(qū)懸沙擴(kuò)散及物質(zhì)輸運(yùn)的研究也以流速分布研究為基礎(chǔ)。西洋水道是南黃海輻射沙

3、背群北部最大的潮流通道，潮流流速沿水深分布不均勻、變化大。在漲落潮過(guò)程中，有時(shí)最大流速并不位于水體表面，憩流時(shí)刻流速往往偏離傳統(tǒng)的對(duì)數(shù)分布形態(tài)。關(guān)于輻射沙洲的流速分布，已有相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了研究，研究方法主要采用水文資料分析、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合以及數(shù)值模擬計(jì)算等，但擬合公式的適用性并不確定，且大多數(shù)公式無(wú)法反映潮流流速分布的變化特性，憩流時(shí)刻計(jì)算值與實(shí)測(cè)值誤差較大；同時(shí).沙脊之間較強(qiáng)的潮流對(duì)水底和邊坡的沖刷作用，使水體中含有大量懸沙，懸沙濃度的垂向分布不均會(huì)導(dǎo)致水體垂向密度分層，進(jìn)而影響垂向流速分布。若不考慮密度分層的影響，懸沙對(duì)水體紊動(dòng)及能量交換的作用難以體現(xiàn)，無(wú)法準(zhǔn)確、全面地描述輻射沙洲地區(qū)的流速分

4、布。造成流速分布偏離對(duì)數(shù)分布的原因有很多，由于懸沙濃度及鹽度、溫度在水體間不均勻分布，引起水體分層現(xiàn)象，是重要原因之一。本文利用水體分層參數(shù)X寸動(dòng)量傳遞系數(shù)進(jìn)行修正，將懸沙垂向指數(shù)分布公式應(yīng)用到流速分布計(jì)算中，推導(dǎo)了懸沙濃度引起水體分層效應(yīng)下的垂向流速分布公式。將該公式應(yīng)用于蘇北輻射沙洲西洋水道的垂線流速計(jì)算中，結(jié)果表明，該分布與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)程度明顯高于傳統(tǒng)對(duì)數(shù)分布，垂向流速分布結(jié)構(gòu)更加符合實(shí)際情況。進(jìn)而初步研究分析西洋水道內(nèi)潮流底部的摩阻特性，結(jié)果表明提出的垂線流速分布能更好表達(dá)潮流運(yùn)動(dòng)。2考慮水體分層的潮流流速分布收稿日期：20M-08-02基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)施金頊目（4127601

5、7）；國(guó)家海洋局公益項(xiàng)目（201205005-2）作者簡(jiǎn)介：肖千璐，女，博士研究生，主要從事河口海岸水動(dòng)力及泥沙運(yùn)動(dòng)方面的研完。E-mail：lubao_xiao潮流一般可分為中性水流（充分混合水流）和分層水流，而分層水流包括穩(wěn)定分層和非穩(wěn)定分層。對(duì)于一發(fā)育完整的潮流邊界層，在無(wú)風(fēng)浪且水流密度和懸沙濃度所造成的分層現(xiàn)象不明顯的悄況下，邊界層水流可以看成是完全紊動(dòng)的，即假設(shè)邊界層流速分布符合VonKarman-Prandtl模型，呈對(duì)數(shù)分布duw,式中，"為潮流流速，為床面摩阻流速；印為卡門常數(shù)，研究表明取值為0.390.4】；z為海底至計(jì)算點(diǎn)的距離。根據(jù)Boussinesq假定，雷諾

6、應(yīng)力與流體流速垂直梯度成正比關(guān)系(2)(2)-7dudu式中，p為水體密度；u',、為脈動(dòng)流速；£為素流擴(kuò)散系數(shù)，也稱渦粘性系數(shù)?？v向動(dòng)量傳遞系數(shù)卜可寫為(3)(3)duP擊式中，£,可根據(jù)脈動(dòng)流速計(jì)算的切應(yīng)力值求出。在進(jìn)行相關(guān)研究時(shí)，-般假設(shè)切應(yīng)力沿垂線為線性分布，即T=(1-.)=P.(1-亍)，丁0為床面切應(yīng)力，人為水深。當(dāng)垂線流速服從(1)式分布時(shí)則可推出動(dòng)量傳遞系數(shù)沿垂線分布的表達(dá)式P護(hù).(1_號(hào))=KU,Z-y)(4)Tdudu(5)(6)垂向流速分布亦可被寫為業(yè)=蟲(1三)dzLh)在河口和海岸地區(qū)，懸沙垂向分布不均和熱鹽分層現(xiàn)象的存在，都會(huì)導(dǎo)致水體密

7、度梯度的分層效應(yīng)，并對(duì)流體的混合產(chǎn)生抑制作用，可用數(shù)來(lái)描述，心為分層強(qiáng)度/V與流速剪切強(qiáng)度S的比值，當(dāng)描述懸沙梯度引起的分層效應(yīng)時(shí)，均數(shù)可定義為ll2g(s-1)csfwf%3=-F.uwdz式中，g為重力加速度；5=Ps/P為相對(duì)密度，Ps為泥沙密度；Cs'、w'分別為泥沙濃度和水體垂向速度的脈動(dòng)值.懸沙梯度引起的水體分層會(huì)導(dǎo)致動(dòng)量:傳遞系數(shù)發(fā)生改變，參照Smith和McLean的研究成果，對(duì)式(4)進(jìn)行修正-陰)(7)式中，B為常數(shù)，取值為4.75.5。根據(jù)紊流理論雷諾平均過(guò)程中的梯度假定，有以下已知關(guān)系式u'w'=-dz-78csem(8)5S時(shí)危式中Ms

8、為泥沙擴(kuò)散系數(shù)，J與鳥可認(rèn)為成比例關(guān)系，比例系數(shù)a取為0.71.0。懸沙質(zhì)雖濃度梯度可用一維懸沙擴(kuò)散方程表示dc/dz=-a)sc/es,c為計(jì)算點(diǎn)的懸沙質(zhì)量濃度。將式(4).(6)和(7)代入式(5)中，整理后得式中，a=四=l'/c,L為莫寧K度比u.尺。因此.修正后的動(dòng)量傳遞系數(shù)可寫為KU.Z(-令尸J=kj(1-y)(1"%)=I+fiazch(10)將上式代入式(5)中，得到考慮懸沙濃度分層影響的流速梯度表達(dá)式,m.(1+Bazc)du_J_hH_七dz.z.kzKZ(1f)u,acdu,vdu5式中，第1項(xiàng)即為水流完全紊動(dòng)和混合情況卜的流速梯度，第2項(xiàng)為懸沙分布不

9、均引起的流速梯度修正值。對(duì)式(11)進(jìn)行積分，并利用定解條件uv(z0)=0(z。為底床糙率，其值很小，與水流雷諾數(shù)以及床面粗糙度密切相關(guān))，式(11)可寫為心)=%虹三)+壩(業(yè)項(xiàng)，KZQK)Z1'T="n(z)+us(z)(12)可以看出，懸沙濃度垂線分布對(duì)流速分布有一定影響，選擇不同的懸沙垂線分布得到的流速分布有所不同。從實(shí)用的觀點(diǎn)來(lái)看，此處選擇常用的懸沙垂向指數(shù)分布公式c(z)=c,exp(-yy),c，為參考高度z,處的懸沙濃度，y與懸浮指標(biāo)及水深有關(guān)，則式(12)可表示為心)=土血三)+些(13)KZQKJZIf由于式(】3)無(wú)法用初等函數(shù)表示積分結(jié)果，導(dǎo)致難以得

10、到u(z)的解析解?？蛇x擇合理的數(shù)值解法對(duì)積分進(jìn)行計(jì)算，或按此處采用無(wú)窮級(jí)數(shù)代替式(13)中的不定積分項(xiàng)。為討論方便，假設(shè)參考高度z,處流速為零，即Z。=z,雖然可能會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，但對(duì)后面結(jié)果的分析影響不大。此時(shí)，得到懸沙濃度引起水體分層時(shí)的垂向流速分布心）=%拍（三）xZoKyy（-）（Z-%）44m!（幾+m+1）L了實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，可根據(jù)不同情形考慮合適的精度要求，取有限項(xiàng)進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)僅取無(wú)窮級(jí)數(shù)第一項(xiàng)時(shí),公式可簡(jiǎn)化為,、,Z、/3*（S-1）3sCqU（z）=ln（）5（z_z。）Xzou.（15）基于實(shí)測(cè)資料，采用最小二乘法進(jìn)行擬合計(jì)算，選取合理的y值即可得到各站位垂線流速分布。

11、3輻射沙洲西洋水道流速分布針對(duì)西洋水道內(nèi)4個(gè)實(shí)測(cè)站（SIS4）點(diǎn)的流速觀測(cè)資料，分別利用對(duì)數(shù)分布和上文所述的流速分布進(jìn)行計(jì)算，并比較分析計(jì)算結(jié)果。需要注意的是，與對(duì)數(shù)分布相比，式（15）中相應(yīng)參數(shù)的物理意義已經(jīng)發(fā)生改變，計(jì)算時(shí)，并不是在傳統(tǒng)對(duì)數(shù)分布計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)單進(jìn)行值的加減，而是應(yīng)用兩種分布形式，分別擬合計(jì)算，得到每種分布的最佳擬合結(jié)果。31各層流速相關(guān)性將兩種分布計(jì)算所得各層流速與實(shí)測(cè)各層流速進(jìn)行相關(guān)分析計(jì)算，相關(guān)系數(shù)見表1。表1兩種流速分布各層流速計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相關(guān)系數(shù)項(xiàng)目$1S2S3S4對(duì)數(shù)分布式(IS)對(duì)敏分布式(IS)對(duì)散分布式(15)對(duì)敏分布式(15)底快0.99380.99

12、850.96170.99880.99540.99730.9皈0.99840.2A0.99500.99880.96120.99720.99360.99510.99700.99750.4A0.99450.9991O.9M50.99110.99240.99700.98880.99950.6A0.99790.99820.96690.99410.99790.99850.99770.99870.8A0.99770.99870.98170.99640.99500.99830.99800.9993表腐0.99370.99500.97760.99240.98830.99130.99810.9937從表1可知，兩

13、種分布均與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)偏差較小。相對(duì)而言，式（15）的相關(guān)系數(shù)均在0.99以上，顯示了比對(duì)數(shù)分布更好的趨勢(shì)。3.2流速剖面圖圖1,2給出了落潮期間S1、S2站位連續(xù)5h內(nèi)兩種流速分布與實(shí)測(cè)值比較，由圖中可以看出，落潮期間，流速由底層到表層呈現(xiàn)單調(diào)遞增的趨勢(shì)。根據(jù)水體分層和混合的動(dòng)力屬性，由于懸沙密度大于水體密度，當(dāng)懸沙浮于水中時(shí)，需要消耗水體的垂向紊動(dòng)能域，使流速剖面一定程度地偏高對(duì)數(shù)分布，靠近水體表面的流速比對(duì)數(shù)分布往里偏，或往外偏，這可能與水體分層穩(wěn)定性及漲落潮流速大小有關(guān)，式（15）計(jì)算值可較為準(zhǔn)確地描述這種偏離情況。圖3,4為漲潮期間S3、S4站位連續(xù)5h內(nèi)兩種流速分布與實(shí)測(cè)流速的垂向分布

14、比較，由圖可知，西洋水道內(nèi)漲潮流速大于落潮流速，但漲潮期間的垂向分布特征與落潮時(shí)相差不大，大多數(shù)時(shí)刻表現(xiàn)為表層流速大于底層流速。由于西洋海域潮流具有較強(qiáng)的往復(fù)流特征，尤其底層水流受到水道底部走向控制，往復(fù)流特征較為明顯。當(dāng)潮流1E處于轉(zhuǎn)流狀態(tài)時(shí)，流向由水體底部首先發(fā)生改變，隨后發(fā)展至整個(gè)水深，流速較小，流速分布往往呈現(xiàn)非單調(diào)趨勢(shì)，此時(shí)對(duì)數(shù)分布已無(wú)法描述憩流情況。式（】5）計(jì)算結(jié)果則與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為一致.整體上可描述近底層水流結(jié)構(gòu)及流速分布情況。由此可見，式（15）可適用于潮流漲落潮期間和憩流情況下垂向流速分布的描述。無(wú)論是單調(diào)或非單調(diào)型的分布趨勢(shì)，流速計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的誤差均小于對(duì)數(shù)分布計(jì)算值，只

15、是在一些特征站位的某時(shí)刻，表層流速計(jì)算值和實(shí)測(cè)數(shù)值存在一定誤差。4摩阻流速特征分析根據(jù)式（15）可計(jì)算得到與實(shí)測(cè)潮流流速相對(duì)應(yīng)的摩阻流速。由于4個(gè)實(shí)測(cè)站位所處的地形和過(guò)水?dāng)嗝鎺缀芜吔缣卣饔兴煌?，漲落潮流流速變化特征并不一致。通過(guò)計(jì)算可知，全潮最大摩阻流速為0.08-0.1m/s,出現(xiàn)在漲潮或落潮中后期流速最大的時(shí)段。摩阻流速與各水層流速均有較好的正線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.9以上，這也與以往研究結(jié)果相似（9-，0,o以S1和S3測(cè)站為例，摩阻流速與各層流速的線性相關(guān)系數(shù)見表2。由表2可以看出，摩阻流速與中部水層流速的線性關(guān)系最好，這說(shuō)明中部水層的流速能較好地反映摩阻流速的變化；而與表、底

16、層流速的線性關(guān)系較差，這是因?yàn)楸韺恿魉偈茱L(fēng)和風(fēng)浪的影響較大，而底層流速受慣性和底床摩擦作用的影響，對(duì)整個(gè)水層的加減速反應(yīng)不靈敏。就漲潮和落潮而言，漲潮占優(yōu)的測(cè)站漲潮時(shí)摩阻流速與各層流速的線性關(guān)系好于落潮，說(shuō)明二者線性關(guān)系在一定程度上取決于流速梯度隨流速?gòu)?qiáng)度的變化悄況，隨著流速增加或減小，流速梯度的變化越不規(guī)則、變幅越大，即二者的線性關(guān)系越差。西洋水道中的潮流水體含有大量細(xì)顆粒懸沙，懸沙對(duì)潮流流速分布及底層摩阻特性的影響不可忽視。野外觀測(cè)和室內(nèi)試驗(yàn)均發(fā)現(xiàn)了細(xì)顆粒懸沙減阻效應(yīng)的642o.o.ae.云MKESIII實(shí)淵值M式（15）-足鞭分布3Ui/(»s-l>(a)0:00實(shí)測(cè)式（

17、對(duì)散分布1.0流函，（AS，）0.2o.o.v'mwKv實(shí)測(cè)（1式（16）-利數(shù)分布流速，（»»）642o.o.o./'實(shí)測(cè)值/K（I5），-電散分我CMW*等2.0流新（»»>04:00圖1S1站位0：0004：00時(shí)的訂算實(shí)測(cè)流速對(duì)比08642oLO.O.O.0.yMmwRse判<1式5）8642OO.0.0.O.8642Oo.ao.0.o.O.gzMXM耍圖2S2站位17:00-21:00的計(jì)算實(shí)測(cè)流速對(duì)比08642ohaQo.0.(a)20：00I實(shí)測(cè)01-式(15)!布圖3S3站位20：000：00的計(jì)算實(shí)測(cè)流速對(duì)比

18、實(shí)測(cè)（式（-分布642o.o.o.vwmKK霽64o.O.實(shí)測(cè)值,*15）瓶數(shù)分有流/(s')642aQo.g:%K*K嘩o.O.(e)23：00：00的計(jì)算實(shí)測(cè)流速對(duì)比切應(yīng)力相差較大，懸沙的減阻效應(yīng)更為明顯，在觀測(cè)期'間4個(gè)站位摩阻流速減小了15%50%。C.E.Adams認(rèn)為懸沙濃度垂向分布不均造成的水體密度分層是減阻效應(yīng)產(chǎn)生的主要原因，密度分層越強(qiáng)，減阻圖4S4站位19：0023現(xiàn)象"2。圖5為根據(jù)兩種流速分布計(jì)算出的摩阻流速，式（15）為考慮水體密度分層效應(yīng)的流速分布，計(jì)算出的摩阻流速總體小于由對(duì)數(shù)分布得到的摩阻流速，尤其在潮流流速較大時(shí)，兩者差值較大，相應(yīng)底

19、部效應(yīng)越顯著，反之越弱。然而，懸沙對(duì)底摩阻的削弱效應(yīng)并不適用于整個(gè)水深，由于潮流流速還受到慣性及水流加減速影響，水體中其他分層處切應(yīng)力變化與底部不一定相同，還要綜合其它因素考慮相應(yīng)流速變化。衰2摩阻流速與各層流速線性相關(guān)系數(shù)測(cè)點(diǎn)底層0.2A0.4h0.6h0.8/1表層SI0.94050.98490.99420.99750.98890.9755S20.80650.92710.95360.98740.94910.9028S30.94830.98360.99050.99770.98490.9550S40.95420.97820.99670.99620.98730.9890圖5不同流速分布公式計(jì)算出

20、的摩阻流速（S3站）5結(jié)語(yǔ)利用考慮水體分層效應(yīng)推導(dǎo)出的流速分布和傳統(tǒng)對(duì)數(shù)分布，計(jì)算輻射沙洲西洋水道的各層流速，并將計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)前者普遍顯示了比后者更好的相關(guān)性。垂向分布曲線也表明，考慮水體分層效應(yīng)的流速分布，能更準(zhǔn)確地刻畫潮流在漲落潮時(shí)及憩流時(shí)的垂直結(jié)構(gòu)。計(jì)算得到的摩阻流速與各層流速均有較好的線性關(guān)系，進(jìn)一步說(shuō)明了其合理性。通過(guò)計(jì)算對(duì)比可知，流速觀測(cè)期間懸沙濃度對(duì)近底水層的減阻效應(yīng)較為明顯，尤其在潮流流速較大時(shí)，兩者差值較大，相應(yīng)底部切應(yīng)力相差較大。參考文獻(xiàn)：1 江蘇省海涂資源研完中心.江蘇近海泠洋嫁合調(diào)查與評(píng)價(jià)總報(bào)告M.北京：科學(xué)出版杜，2012.2 DyerKR.Co

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