南黄海辐射沙洲西洋水道垂向流速分布计算研究.docx

1、文章编号：1001-4179(2015)03-0009-05南黄海辐射沙洲西洋水道垂向流速分布计算研究肖孑婚质，尊瑞M2（1.河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，江苏南京210098；2.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京210098）摘要：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，引入水体分屡参教时动量传递系教选行修正，将悬沙垂向指效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蜃效应时的参向流速分布公式。与南黄海藉射沙洲西洋水道实剥流速效据的对比分析表明，该分布与实制数据的相关程度明翌高于传统对数分布，垂向

2、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。关键词：分层效应；浪速垂线分布；摩阻流速；西洋水道；辐射沙洲中图法分类号：TV14文献标志码：ADOI：10.16232/ki.1001-4179.2015.03.0031研究背景南黄海辐射沙洲海域潮流作用较强，受岸外沙脊群特殊地形的影响，各潮流通道的流速变化特征有所不同。垂线流速分布是流速变化特征的具体体现，紊流的内部结构、能植传递过程及阻力特性等各种动力要素均与其相关，近岸地区悬沙扩散及物质输运的研究也以流速分布研究为基础。西洋水道是南黄海辐射沙

3、背群北部最大的潮流通道，潮流流速沿水深分布不均匀、变化大。在涨落潮过程中，有时最大流速并不位于水体表面，憩流时刻流速往往偏离传统的对数分布形态。关于辐射沙洲的流速分布，已有相关学者进行了研究，研究方法主要采用水文资料分析、实测数据拟合以及数值模拟计算等，但拟合公式的适用性并不确定，且大多数公式无法反映潮流流速分布的变化特性，憩流时刻计算值与实测值误差较大；同时.沙脊之间较强的潮流对水底和边坡的冲刷作用，使水体中含有大量悬沙，悬沙浓度的垂向分布不均会导致水体垂向密度分层，进而影响垂向流速分布。若不考虑密度分层的影响，悬沙对水体紊动及能量交换的作用难以体现，无法准确、全面地描述辐射沙洲地区的流速分

4、布。造成流速分布偏离对数分布的原因有很多，由于悬沙浓度及盐度、温度在水体间不均匀分布，引起水体分层现象，是重要原因之一。本文利用水体分层参数X寸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，推导了悬沙浓度引起水体分层效应下的垂向流速分布公式。将该公式应用于苏北辐射沙洲西洋水道的垂线流速计算中，结果表明，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。进而初步研究分析西洋水道内潮流底部的摩阻特性，结果表明提出的垂线流速分布能更好表达潮流运动。2考虑水体分层的潮流流速分布收稿日期：20M-08-02基金项目：国家自然科学施金顼目（4127601

5、7）；国家海洋局公益项目（201205005-2）作者简介：肖千璐，女，博士研究生，主要从事河口海岸水动力及泥沙运动方面的研完。E-mail：lubao_xiao潮流一般可分为中性水流（充分混合水流）和分层水流，而分层水流包括稳定分层和非稳定分层。对于一发育完整的潮流边界层，在无风浪且水流密度和悬沙浓度所造成的分层现象不明显的悄况下，边界层水流可以看成是完全紊动的，即假设边界层流速分布符合VonKarman-Prandtl模型，呈对数分布duw,式中，"为潮流流速，为床面摩阻流速；印为卡门常数，研究表明取值为0.390.4】；z为海底至计算点的距离。根据Boussinesq假定，雷诺

6、应力与流体流速垂直梯度成正比关系(2)(2)-7dudu式中，p为水体密度；u',、为脉动流速；£为素流扩散系数，也称涡粘性系数。纵向动量传递系数卜可写为(3)(3)duP击式中，£,可根据脉动流速计算的切应力值求出。在进行相关研究时，-般假设切应力沿垂线为线性分布，即T=(1-.)=P.(1-亍)，丁0为床面切应力，人为水深。当垂线流速服从(1)式分布时则可推出动量传递系数沿垂线分布的表达式P护.(1_号)=KU,Z-y)(4)Tdudu(5)(6)垂向流速分布亦可被写为业=虫(1三)dzLh)在河口和海岸地区，悬沙垂向分布不均和热盐分层现象的存在，都会导致水体密

7、度梯度的分层效应，并对流体的混合产生抑制作用，可用数来描述，心为分层强度/V与流速剪切强度S的比值，当描述悬沙梯度引起的分层效应时，均数可定义为ll2g(s-1)csfwf%3=-F.uwdz式中，g为重力加速度；5=Ps/P为相对密度，Ps为泥沙密度；Cs'、w'分别为泥沙浓度和水体垂向速度的脉动值.悬沙梯度引起的水体分层会导致动量:传递系数发生改变，参照Smith和McLean的研究成果，对式(4)进行修正-阴)(7)式中，B为常数，取值为4.75.5。根据紊流理论雷诺平均过程中的梯度假定，有以下已知关系式u'w'=-dz-78csem(8)5S时危式中Ms

8、为泥沙扩散系数，J与鸟可认为成比例关系，比例系数a取为0.71.0。悬沙质虽浓度梯度可用一维悬沙扩散方程表示dc/dz=-a)sc/es,c为计算点的悬沙质量浓度。将式(4).(6)和(7)代入式(5)中，整理后得式中，a=四=l'/c,L为莫宁K度比u.尺。因此.修正后的动量传递系数可写为KU.Z(-令尸J=kj(1-y)(1"%)=I+fiazch(10)将上式代入式(5)中，得到考虑悬沙浓度分层影响的流速梯度表达式,m.(1+Bazc)du_J_hH_七dz.z.kzKZ(1f)u,acdu,vdu5式中，第1项即为水流完全紊动和混合情况卜的流速梯度，第2项为悬沙分布不

9、均引起的流速梯度修正值。对式(11)进行积分，并利用定解条件uv(z0)=0(z。为底床糙率，其值很小，与水流雷诺数以及床面粗糙度密切相关)，式(11)可写为心)=%虹三)+坝(业项，KZQK)Z1'T="n(z)+us(z)(12)可以看出，悬沙浓度垂线分布对流速分布有一定影响，选择不同的悬沙垂线分布得到的流速分布有所不同。从实用的观点来看，此处选择常用的悬沙垂向指数分布公式c(z)=c,exp(-yy),c，为参考高度z,处的悬沙浓度，y与悬浮指标及水深有关，则式(12)可表示为心)=土血三)+些(13)KZQKJZIf由于式(】3)无法用初等函数表示积分结果，导致难以得

10、到u(z)的解析解。可选择合理的数值解法对积分进行计算，或按此处采用无穷级数代替式(13)中的不定积分项。为讨论方便，假设参考高度z,处流速为零，即Z。=z,虽然可能会产生一定的误差，但对后面结果的分析影响不大。此时，得到悬沙浓度引起水体分层时的垂向流速分布心）=%拍（三）xZoKyy（-）（Z-%）44m!（几+m+1）L了实际工程应用时，可根据不同情形考虑合适的精度要求，取有限项进行计算。当仅取无穷级数第一项时,公式可简化为,、,Z、/3*（S-1）3sCqU（z）=ln（）5（z_z。）Xzou.（15）基于实测资料，采用最小二乘法进行拟合计算，选取合理的y值即可得到各站位垂线流速分布。

11、3辐射沙洲西洋水道流速分布针对西洋水道内4个实测站（SIS4）点的流速观测资料，分别利用对数分布和上文所述的流速分布进行计算，并比较分析计算结果。需要注意的是，与对数分布相比，式（15）中相应参数的物理意义已经发生改变，计算时，并不是在传统对数分布计算结果的基础上简单进行值的加减，而是应用两种分布形式，分别拟合计算，得到每种分布的最佳拟合结果。31各层流速相关性将两种分布计算所得各层流速与实测各层流速进行相关分析计算，相关系数见表1。表1两种流速分布各层流速计算值与实测值相关系数项目$1S2S3S4对数分布式(IS)对敏分布式(IS)对散分布式(15)对敏分布式(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从表1可知，两

13、种分布均与实测数据偏差较小。相对而言，式（15）的相关系数均在0.99以上，显示了比对数分布更好的趋势。3.2流速剖面图图1,2给出了落潮期间S1、S2站位连续5h内两种流速分布与实测值比较，由图中可以看出，落潮期间，流速由底层到表层呈现单调递增的趋势。根据水体分层和混合的动力属性，由于悬沙密度大于水体密度，当悬沙浮于水中时，需要消耗水体的垂向紊动能域，使流速剖面一定程度地偏高对数分布，靠近水体表面的流速比对数分布往里偏，或往外偏，这可能与水体分层稳定性及涨落潮流速大小有关，式（15）计算值可较为准确地描述这种偏离情况。图3,4为涨潮期间S3、S4站位连续5h内两种流速分布与实测流速的垂向分布

14、比较，由图可知，西洋水道内涨潮流速大于落潮流速，但涨潮期间的垂向分布特征与落潮时相差不大，大多数时刻表现为表层流速大于底层流速。由于西洋海域潮流具有较强的往复流特征，尤其底层水流受到水道底部走向控制，往复流特征较为明显。当潮流1E处于转流状态时，流向由水体底部首先发生改变，随后发展至整个水深，流速较小，流速分布往往呈现非单调趋势，此时对数分布已无法描述憩流情况。式（】5）计算结果则与实测数据较为一致.整体上可描述近底层水流结构及流速分布情况。由此可见，式（15）可适用于潮流涨落潮期间和憩流情况下垂向流速分布的描述。无论是单调或非单调型的分布趋势，流速计算值与实测值的误差均小于对数分布计算值，只

15、是在一些特征站位的某时刻，表层流速计算值和实测数值存在一定误差。4摩阻流速特征分析根据式（15）可计算得到与实测潮流流速相对应的摩阻流速。由于4个实测站位所处的地形和过水断面几何边界特征有所不同，涨落潮流流速变化特征并不一致。通过计算可知，全潮最大摩阻流速为0.08-0.1m/s,出现在涨潮或落潮中后期流速最大的时段。摩阻流速与各水层流速均有较好的正线性关系，线性相关系数高达0.9以上，这也与以往研究结果相似（9-，0,o以S1和S3测站为例，摩阻流速与各层流速的线性相关系数见表2。由表2可以看出，摩阻流速与中部水层流速的线性关系最好，这说明中部水层的流速能较好地反映摩阻流速的变化；而与表、底

16、层流速的线性关系较差，这是因为表层流速受风和风浪的影响较大，而底层流速受惯性和底床摩擦作用的影响，对整个水层的加减速反应不灵敏。就涨潮和落潮而言，涨潮占优的测站涨潮时摩阻流速与各层流速的线性关系好于落潮，说明二者线性关系在一定程度上取决于流速梯度随流速强度的变化悄况，随着流速增加或减小，流速梯度的变化越不规则、变幅越大，即二者的线性关系越差。西洋水道中的潮流水体含有大量细颗粒悬沙，悬沙对潮流流速分布及底层摩阻特性的影响不可忽视。野外观测和室内试验均发现了细颗粒悬沙减阻效应的642o.o.ae.云MKESIII实渊值M式（15）-足鞭分布3Ui/(»s-l>(a)0:00实测式（

17、对散分布1.0流函，（AS，）0.2o.o.v'mwKv实测（1式（16）-利数分布流速，（»»）642o.o.o./'实测值/K（I5），-电散分我CMW*等2.0流新（»»>04:00图1S1站位0：0004：00时的订算实测流速对比08642oLO.O.O.0.yMmwRse判<1式5）8642OO.0.0.O.8642Oo.ao.0.o.O.gzMXM耍图2S2站位17:00-21:00的计算实测流速对比08642ohaQo.0.(a)20：00I实测01-式(15)!布图3S3站位20：000：00的计算实测流速对比

18、实测（式（-分布642o.o.o.vwmKK霁64o.O.实测值,*15）瓶数分有流/(s')642aQo.g:%K*K哗o.O.(e)23：00：00的计算实测流速对比切应力相差较大，悬沙的减阻效应更为明显，在观测期'间4个站位摩阻流速减小了15%50%。C.E.Adams认为悬沙浓度垂向分布不均造成的水体密度分层是减阻效应产生的主要原因，密度分层越强，减阻图4S4站位19：0023现象"2。图5为根据两种流速分布计算出的摩阻流速，式（15）为考虑水体密度分层效应的流速分布，计算出的摩阻流速总体小于由对数分布得到的摩阻流速，尤其在潮流流速较大时，两者差值较大，相应底

19、部效应越显著，反之越弱。然而，悬沙对底摩阻的削弱效应并不适用于整个水深，由于潮流流速还受到惯性及水流加减速影响，水体中其他分层处切应力变化与底部不一定相同，还要综合其它因素考虑相应流速变化。衰2摩阻流速与各层流速线性相关系数测点底层0.2A0.4h0.6h0.8/1表层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图5不同流速分布公式计算出

20、的摩阻流速（S3站）5结语利用考虑水体分层效应推导出的流速分布和传统对数分布，计算辐射沙洲西洋水道的各层流速，并将计算值与实测值进行相关性分析，发现前者普遍显示了比后者更好的相关性。垂向分布曲线也表明，考虑水体分层效应的流速分布，能更准确地刻画潮流在涨落潮时及憩流时的垂直结构。计算得到的摩阻流速与各层流速均有较好的线性关系，进一步说明了其合理性。通过计算对比可知，流速观测期间悬沙浓度对近底水层的减阻效应较为明显，尤其在潮流流速较大时，两者差值较大，相应底部切应力相差较大。参考文献：1 江苏省海涂资源研完中心.江苏近海泠洋嫁合调查与评价总报告M.北京：科学出版杜，2012.2 DyerKR.Co

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25、isasterandDefense,MinistryofEducation,HohaiUniversity,Nanjing210098,China；2.CollegeofHarbor,CoastalandOffshoreEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)Abstract：Thecalculatedtidalflowvelocityprofilethatisexpressedwiththeusuallogarithmiclawalwaysdepartedfromtheobserveddata.StratifiedfloweffectinducedbytheunevendistributionofsuspendedsedimentisconsideredandthefluxRichardsonNumberisadoptedtomodifythecoefficientofmomentumtransfer.Thepower-typeverticaldistributionofsuspendedsedimentconcentrationisappliedtothede