長江口潮流摩阻流速和粗糙長度計算方法探討.docx

1、第30卷第4期2010年8月水文JOURNALOFCHINAHYDROLOGY一as：Vol.30No.4Aug.,2010長江口潮流摩阻流速和粗糙長度計算方法探討喬紅杰二張靜怡二徐小明2(1.河海大學水文水資源學院，江蘇南京210098；2.河海大學理學院，江蘇南京210098)摘要：在研究河口區(qū)域水流垂線流速分布規(guī)律時，厚阻流速和粗糙長度是描述水流摩阻特性的兩個重要的物理量，并在物理內(nèi)涵上反映了水流的摩阻特性。本文通過對5種計算摩阻流速u及粗糙長度Z。的方法分析研究，選擇卡曼-普朗特方法和對數(shù)拋物方法作為本文計算摩阻流速和粗糙長度的方法。通過對長江口海螺碼頭水域和王子碼頭水域的實測資料計算

2、，并對計算所得到的丁和乙)進行一致性和相關性分析，以及對各層實測流速與計算流速過程線的比較，得到對數(shù)拋物方法是計算長江口潮流的u*和乙最佳方法的結論。關鍵詞：摩阻流速；粗糙長度；卡曼-普朗特方法；對數(shù)拋物方法中圖分類號:P731.23文獻標識碼:A文章編號:1000-0852(2010)04-0023-051前言要的變量。若令也=仍二因其具有流速的量綱，稱收稿日期：2009-05-18作者簡介：猝紅杰(1985-),男，河南南陽人，碩士研究生，研究方向為水文學及水資源。改革開放以來，長江口具有的特殊的地理位置優(yōu)勢為該地區(qū)經(jīng)濟的迅猛發(fā)展創(chuàng)造了條件。為滿足經(jīng)濟飛速發(fā)展的需要，近年來，該河段內(nèi)布設了

3、大量的水運工程及多座跨江大橋，準確掌握工程水域水流的三維流態(tài)對這些工程的建設至關重要，而水域的垂線流速分布是施工中需要的基本參數(shù)。由于河口區(qū)域的水流受到海洋潮流的影響，水下地形比較復雜，水流的運動變化規(guī)律難以把握，因此要想準確掌握水流的三維流態(tài)，必須認真分析影響該區(qū)域水流的各種因素，比如：摩阻流速、粗糙長度、渦粘性系數(shù)、河段的沖淤情況等。在研究河口區(qū)域水流垂線流速分布規(guī)律時，摩阻流速及粗糙長度是兩個重要的物理量，在物理內(nèi)涵上反映了水流的摩阻特性。本文通過對5種計算摩阻流速及粗糙長度的方法對比研究，選出較為合理的計算方法，結合長江門實測水文資料進行計算，對二者進行一致性和相關性分析，從而選出適合

4、長江口水域情況的最優(yōu)的計算方法，為生產(chǎn)實踐的需要提供參考。2基本原理在河流水沙運動過程中，摩阻流速是一個極為重其為摩阻流速。式中：丁。為邊界處的切應力;p為水的容重。河床的粗糙長度是研究河口海岸沉積物運移及水流結構的重要因素，它由顆粒粗糙度、底形粗糙度和推移質(zhì)粗糙度組成叫下面列出了5種平時用到的計算摩阻流速及粗糙長度的方法，并分析了各自的優(yōu)缺點：(1) 卡曼-普朗特方法是一種傳統(tǒng)的流速分布公式，其表達式為：兮修)(1)式中斗為流速；卡曼系數(shù)k=0.4；z為測點距離底床的水深。(2) 對數(shù)線性方法囹是從流體動力學原理出發(fā)，運用普朗特混合長度及卡曼自相似理論建立的一種適合于河口海岸近底層區(qū)域的潮流

5、速分布公式，其表達式為:”=汁(務-半式中為水深；參數(shù)a則反映了潮流加速度對流速剖面的影響。(3) 對數(shù)拋物方法閆是依據(jù)潮流運動的表面邊界條件，在對數(shù)線性模式的基礎上擴展研究得到，其表達式為：式中:A為一假定參數(shù)，其所表示的意義見文獻5。(4) 素動動能耗散率法是在均勻、純剪切流動過程中，雷諾應力對時均流速做功的紊動動能產(chǎn)生率等于紊動動能耗散率若將紊流脈動流速分別沿x、y方向的分量設為四，即u；會，利用時均流速對數(shù)分布公式可導出以下關系式：u=(eKz)(4)(5) 近底兩層流速時間系列估計粗糙長度法是假定在距離河床乙=0.34m和Z2=1.0m處測得的流速詢和也滿足對數(shù)分布，且其值僅隨時間間

6、隔的不同變化。若假設粗糙長度在一定時間內(nèi)是常數(shù)，則底層流速與上層流速成線性關系。用最小二乘法求粗糙長度，記回歸方程斜率為a,得吉(5)天然河道中，常用的垂線流速分布公式有拋物公式、對數(shù)公式、橢圓公式等。以上所列舉的5種方法中，應用卡曼-普朗特方法估算“和是在半對數(shù)流速分布圖上用最小二乘回歸法適線，建立”依Inz的回歸方程，并依據(jù)該回歸方程的斜率及截距計算出s和%的估值。對數(shù)線性方法在近底Im內(nèi)計算精度較高向，對于本文所研究的水域的垂線布置點的水深普遍超過7m,故本文將不采用該方法，而對于對數(shù)拋物方法，利用實測流速資料，運用枚舉法結合最小二乘法進行擬合求解吐對于枚舉的值，用區(qū)間定位法同找到符合目

7、標函數(shù)的值，研究表明它適用于全水深叫是一個實用的典型的潮流速分布模式。對于紊動動能耗散率法計算“*,由于紊動動能耗散率與測點位置的關系式確定起來比較困難，該方法在應用上存在不便。對于近底兩層流速時間系列估計粗糙長度,計算方法雖然很有可取性，但由于它僅計算出單一的乙值，無法用之計算摩阻流速值，這將導致在分析二者的一致性及相關性時出現(xiàn)較大的誤差，故本文也將不采用該方法。3實例分析針對所選取的計算摩阻流速和粗糙K度的兩種方法，即卡曼-普朗特方法(簡稱卡曼方法)及對數(shù)拋物方法，本文選取長江口海螺碼頭水域及王子碼頭水域的實測資料進行分析，比較二者的優(yōu)劣性。長江河口屬于中等強度的潮汐河口，河口內(nèi)潮流受地形

8、影響.屬于非正規(guī)半日淺海潮，潮波變形明顯”海螺碼頭與上游的王子碼頭相隔大約15km,所測數(shù)據(jù)可以較好的反映長江口潮水河段的水文特性。兩碼頭水域測流垂線布置情況如圖1所示。圖】兩碼頭水域垂線布置圖Fig.1Theverticaldispo)crMsofsedimentdischargeoftheYanheriverJ|.YellowRiver.2008.(inChinese)|3|井涌.無定河徑流-致性及人類活動定fit影響分析A.水生態(tài)監(jiān)測與分析學術論壇論文集C.濟南：山東地圖出版社.2008.10.(JINGYong.Analysisofflowconsistencyandeffectofh

9、umanactivitiesinWudingheriver(A).ProceedingsofAquaticEcosystemsMonitoringandanalysisAcademicForumC.Jinan:ShandongCartographicPublishingHouse,2(X)8.(inChinese)CharacteristicsofWaterandSedimentinSourceAreaofBeiluoheRiverJINGYong.CHENFang-li,GEFen-li,GUMing-xing(HydrologyandWaterResourcesSurveyofShaanx

10、il*rwince,Xian710068,China)sourceareaAbstract:From1970sto1980s,therunoffandsedimenttransfersdecreasedyearbyyearintheBeiluohewatershed,especiallyin1990s.Basedontheanalysisofthecharacteristicsofwaterandsediment,thispaperevaluatedthechangetrendsofwalerandsedimentinfloodandnon-floodperiodsinlhesourceare

11、aabovethestationsofWuqiandZhidan.Italsoanalyzedthecharacteristicsofwaterandsedimentincludingthemedianparticlesize,meanparticlesize,coarseandfinesandundertheinfluencesofdifle;r-entearthsurface,precipitationandhumanactivities.Furthermore,theimpactsofprecipitationandhumanactivitiesonthewaterandsediment

12、inthestudyareawerediscussed.Keywords:changeofwaterandsediment;assessment;humanactivity；BeiluoheRiver（上接第27頁）Yi-xin.Preliminarystudyonthetidalvelocityprofileinthenear-x)ltomlayerintheestuaryandcoastwatersJJJounialofSedimentResearch.2OO6,(l):25-31.(inChinese)(5J郝嘉凌.宋志堯，等.河門海岸潮流速分布模式研究J.泥沙研究，2007,(4):3

13、4-41.(HAOJia-lingiONGZhi-yao,ctal.Studyonthetidalvelocityprofileintheestuarineandcoastalareas|J(JournalofSedimentR(*3carch.2007,(4):34-41.(inChinese)6A.PerlinJ.N.Mourn,elal.Amodifiedlaw-of-lhc-wallappliedtoo-ceanicbottomboundarylayers|J|J.ofGeophysicalKesean：h,2O()5,l10(CI0S10).7孔俊,宋志堯，等.挾沙能力公式的最佳確定

14、J).海洋工程,2005,23(1):93-96.(KONGJun.SONGZhi-yao.etal.OptimumapproachtodetermineIliecoefficientsinsediment-carryingcapabilityformulaJ.TheOceanEnginccring,2(X)5,23(1):93-96.(inChines。)|8MartinT.ilagan.HowardB.Demuth著，戴英，等譯.神經(jīng)網(wǎng)絡設計M|.北京：機械工業(yè)出版社.2002.(MartinT.Hagan,HowardB.Demuth,translatedbyDAIKui.etal.Ne

15、uralNetworkDesignMJ.Beijing:ChinaMachinePress,2002.(inChinese)DiscussiononCalculationMethodofTidalShearVelocityandRoughnessLengthinYangtzeRiverEstuaryQIAOHong-jie1,ZHANGJing-yi1,XUXiao-ming2(1.CollegeofHydrologyandWalerResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China；2.CollegeofScience,HohaiUniversity,

16、Nanjing210098,China)Abstract:Whenstudyingtheverticalflowvelocitydistributionintheestuaryregion,shearvelocityandroughnesslengtharetwomainphysicalparametersindescriptionofwaterflowfrictioncharacteristics,whichreflecttheintrinsicphysicalcharacteristicsofwaterflow.Throughanalysisoffivecalculationmethods

17、ofshearvelocity(皈)androughnesslength(Z),KennanPrandllmethodandlog-parahilamethodcanbechosenasthemethodstocalculateshearvelocityandroughnesslength.Throughcalculationofthetwopracticalexamples,HailuoWharfandWangziWharfwaterareaofYangtzeRiverEstuary,combiningwiththeconsistencyanalysisandcorrelationanalysisofu.and&andcompariso