浅海潮流流速剖面参数的相位分析.docx

1、【水丈呢妙J浅海潮流流速剖面参数的相位分析倪志辉'，吴立春2（1.河海大学海洋学院，江苏南京210098；2.重庆教育学院，重庆400067）摘要：总结了潮流摩阻流速的确定方法，并根据对江苏岸外西洋海域的实剥资料进行了流速剖面参数的计算和相位分析，结果表明：浅海潮流的摩阻流速要早于平均流速达到最大值;受潮流海底紊动切应力的影响，底层最大流速到达时间要比上层及表层最大流速稍雀提前;在一个潮周期中，达到最大值的首先是摩阻流速及4&槌长度，然后是流速，我后才是水深。关键词：根槌长度；摩阻流速；平均流速；相位分析；流速制面；潮流；浅海中图分类号：P333文献标识码:Adoi:10.39

2、69/j.issn.1000-1379.2009.06.021在沿岸水域尤其是在浅海陆架和近岸区，潮流（非恒定流）在水流运动中起着主导作用。因此，研究潮流的流速剖面参数（如流速、潮位、粗糙长度、摩阻流速等）随时间变化的相位关系，对理解和模拟洪水预报、浅海与海洋水流、泥沙输运、污染物扩散和生物过程有策要作用。3详细分析了明渠非恒定流的流量、水位、流速之间的关系,认为非恒定流传播时，流速通常先达到最大值，然后是流量,其次是水深的最大值，而且其他的水力参数如阻力系数、摩阻流速等都是不同步的，并旦得出摩阻流速要先于平均流速达到最大值的结论。刘春晶认为不同高程水深的流速最大值的不同步现象可能是存在的，但

3、是也可能是由测fit和分析手段造成的具有不确定性。此外,Coleman等3-少均对非恒定流水力参数到达最大值的时刻进行过研究。陈宗储等2"）对潮流潮汐沿水深的最大流速发生时间进行了观测和分析，认为水深越大,潮流最大流速发生时间越毒前。杜勇“°）讨论了一种变截面河中潮位与潮流的相位关系。贺宝根'W通过实测崇明东滩的水位和流速得出一个潮次有两次流速高峰,并进行了相关分析。李占海'对摩阻流速和沿水深分布的各层流速进行了相关比较分析，得出摩阻流速和中层流速相关性最好。但是对于浅海潮流的水力参数（如水深、流速、摩阻流速、粗糙长度等）在相位上的统一关系，目前研究还比较少

4、见。笔者根据对江苏岸外西洋海域的实测资料，对流速剖面参数和相位进行了计算分析。1摩阻流速的确定方法（1）素动动能耗散率法在一个均一、纯剪切流动过程中，雷诺应力对平均流速做功的紊动动能产生率等于素动动能耗散率：-u'w'£=&式中:为时均流速档为紊动动能耗散率，与测点离床面高度Z有关，即6=£（£）；"'、"'分别为水平和垂向流速的瞬时脉动值。平均流速满足对数分布，则有u.=（*"（2）式中:"为摩阻流速;x为卡门常数。（2）高频观测法根据也力的原始定义，有t=p-u-'w

5、9;（3）摩阻流速即可由近底切应力Tb得到：式中:P为水流密度。（3）经验拖曳力系数法"6J。有时从测量数据中很难清楚确定摩阻流速，这时可以通过建立经验阻力系数、摩阻流速和参考流速（虬）的关系式Cd=来计算。通常选择海底以上1m的流速作为参考流速来计算CD：u.=（CDu；）,/2（5）（4）流速剖面法。在没有风浪、近底水流密度和悬沙浓度所造成的分层现象不明显的情况下，近底的水流可以看成是完全紊动。这样就可以假设近底水流符合对数流速分布公式。Dyer等就是用这种简便的方法求解边界层参数的。摩阻流速和粗糙长度可以通过Karman-Prandtl方程得出：u（z）=In-（6）KZo式中

6、:U（z）为离床面高度为Z处的流速;K=0.4。在潮流处于加减速阶段加速度较大的情况下，摩阻流速和粗糙长度可以采用宋志尧等）建立的对数线性分布模式：收稿日期：2008-07-03作看简介:倪志奸（1980），另，湖南街阳人.博士，研完方向为河口海岸水动力学及貌it整治。E-mail：benny251com式中:a。-r（-Jr+丁业毕一），反映潮流加减速对流速剖面4D|u.|u.的影响，其中。为水深、U为水深平均流速。当a=0时，式（7）可简化为式（6）。当需要考虑近底水流密度和悬沙浓度所造成的明显分层情况时，底部边界层参数计算需要根据Adams模型】：式中M为常数，通常取5.5；/?,为水体

7、分层参数,代表密度梯度对素动作用的抑制强度,其表达式为式中:p为水沙混合体的密度;g为重力加速度;氏与密度梯度成正比，与流速梯度成反比。当K=0时，式（8）可简化为式（6）,两式将具有相同的表达形式。方法1和方法2需要观测微加尺度上的流速特征，如垂向和水平方向上的紊动流速、紊动能量的耗散速率等.使用起来较为不便。方法3中的拖曳力系数不是常值，使用起来也不方便。方法4的流速削面法简单方便，被广泛采用°利用方法4时,假定浅海区没有风浪，近底水流密度和悬沙浓度所造成的分层现象不明显，采用式（6）计算潮流摩阻流速。2潮流水力参数相位分析在江苏近岸辐射状沙样群海区，有几个主要潮汐通道，其涨、落

8、潮流速均较大，如西洋实测最大垂线平均流速可达15m/s。根据1992年8月15日10月8日江苏岸外西洋海域进行的海洋水文测验资料，共有7条垂线，编号分别为17,垂线布置见图】。笔者采用这7条垂线1992年9月29口15：0030H14：00（大潮）和1992年10月6日08：007009：00（小潮）的测验数据。图1江苏岸外西洋海域测流站位置2.1水深与流速的相位关系由于在潮滩上落潮时滩面出露，因此最大水深可以用来代替潮差，以衡量潮势的强弱。最大水深（力）即在一个潮次中潮水所达到的水深的最大值，其一般出现在潮流转流的时刻所以最大水深的出现时刻也可以作为判断涨落潮的分界线。从图2和图3（平均流速

9、的正、负表示落潮和涨潮过程）可以看出，无论大潮或小潮，流速过程均呈现出明显的“双峰”型,涨落潮各有一次高流速，高水位期间的流速并不是高流速期。形成流速“双峰”型的原因是：在涨潮初，潮锋的作用使水流在涨潮时形成潮流高流速；落潮时，潮滩归槽水的不断注入并向时间图2水深与流速的相位关系比较（大潮，垂践3）80）12:00160020:00（HX）4:008:0012:00时间图3水深与流速的相位关系比较（小制，垂线5）80）12:00160020:00（HX）4:008:0012:00时间图3水深与流速的相位关系比较（小制，垂线5）(-:EV憩察式Br由图2可以看出，大潮最大水深到达时刻为3:00,

10、而最大流速到达时刻为涨潮初的23：00,最大流速提前4h出现。由图3可以看出，小潮最大水深到达时刻为2i：00,而最大流速到达时刻为17：00,最大流速也提前4h出现，最大水深滞后时间比率，=4/7=4/】3。0.31。由此可见，在一个潮次中，流速要先于水深达到最大值。2.2沿水深各层流速相位关系从大、小潮时沿水深各层流速相位关系可以看出，尽管从表层到底层流速具有相同的相位趋势，但仍可以看出底层最大流速到达时间要比较上层及表层域大流速稍微提前一些（提前1h左右"由此可以得出结论:最大流速超前发生的时间随深度的增加而增大。这个结论同陈宗墙等的研究结果相一致。形成这种相位差的原因是:越接

11、近海底，素动切应力越大，压强梯度首先与切应力取得平衡.所以底层最大流速出现时刻提前。2.3摩阻流速与流速的相位关系影响流速剖面分布的因素有多种，如风、波浪、水流的加减速、水体分层、悬沙浓度、底床形态等。潮流在多数时间都处于加减速过程,在加减速缓慢时流速剖面基本为对数分布，但在加速较快时流速剖面时常偏离对数分布。由于笔者采用对数分布模式流速剖面法来计算潮流摩阻流速，因此去除了偏离对数分布的实测数据。由图4、图5中可以看出：无论大潮或小潮，在数值大小方面,摩阻流速与流速有大致相同的变化趋势;在相位方面，最大摩阻流速到达时间都要比最大平均流速提前一些。根据变化趋势，可以大概估测最大摩阻流速比最大流速

12、要提前2h,也就是说最大流速滞后时间比率£=2/7=2/137）.170由此可见,在一个潮次中，摩阻流速要先于流速达到最大值。形成这种相位差的原因是沿水深各层最大流速存在相位差。海底的紊动切应力较大,因此摩阻流速最先达到平衡.即较沿水深的平均流速先取得最大值。2.4摩阻流速与粗糙长度的相位关系摩阻流速和粗糙长度都是流速剖面的重要参数。由式（6）可以看出，一旦摩阻流速确定，粗糙长度即可确定。为了便于比较，摩阻流速没有考虑方向，均取正值。8KX)12:0016:002000(HX)4:008:00时间085ME阻流速与流速的相位关系比较（小潮,垂统5）由图6、图7中可以看出，摩阻流速与粗

13、糙长度在相位关系上具有很好的一致性，说明二者同时达到最大值。这个结果同宋志尧的成果一致。I21OO8O6O4O2(X)O2&O.O.O.O.O.O.Q-O.TsEv«*f*I21OO8O6O4O2(X)O2&O.O.O.O.O.O.Q-O.TsEv«*f*时间摩阻流速与粗糙长度的相位关系比较（小潮，垂经5）3分析与讨论3.1关于摩阻流速与流速达到最大值的情况首先对式（6）两边对时间求导：du1.zdu.u.dz-r=In+dlKzQdtKzdt即du_u_七u.1az.dlu,dtkzdt(10)(11)(10)(11)当u取得最大值时，式（11）中普=0。

14、水深要晚于流速取dt得最大值，即夺0,加上心.均大于0,所以当0。因dtkzdt此,要满足方程左右平衡，上竺必小于0,也就是说u.已经udl达到最大值,处于减小阶段，从而在理论上推导出摩阻流速U.要早于流速U达到最大值。3.2关于各水力参数之间滞后时间比率由水深和流速的相位关系比较可知，最大水深滞后时间比率&=0.31；由摩阻流速和流速的相位关系比较可知，鼓大流速滞后时间比率6=0.】7。这同Nielson1221提出的最大流速滞后剪应力的相位角为45°以及Anwar'23】提出的最大悬沙浓度滞后时间比率的范围为0.17-0.3均非常接近。4结论(1) 摩阻流速要早于

15、流速达到最大值。(2) 受潮流海底紊动切应力的影响,沿水深从表层到底层的流速具有相同的相位变化趋势,但底层最大流速出现时间要比上层及表层最大流速稍微提前。(3) 在潮流剖面参数的相位关系中，到达最大值的先后顺序是:摩阻流速及粗糙长度首先同时达到最大值，然后是流速,最后才是水深。参考文献：1QuZUnshMidyopen-channelflowoveramobilebcdDj.Lausanne:EPFL,2003.2 刘春晶.明集非恒定流运动炭挣及推移质输沙待性的试验研究D.北京：清华大学,2004.3 ColemanNL.ObservationsofresiMancrcorfficientei

16、nanaturalchannelRB*ri:lASHSymposium,1962.4 TuH.GrafWH.FrictioninunMeadyopen-channelflowovergravelbedsJ).JoumdofHydraulicReMsarch,1993(1)：99-110.5 SongT,GrafWH.Velocityandturbulentdistributioninunsteadydepth-varyingopen-channelflows(J.J.ofHydr.Engin.,1996(9):752-763.6 陈宗.浅海潮流(分fit)铅直分布的一种类不J.海洋与湖沼，19

17、64(3)：252-259.7 方国洪.潮液垂食结构的基本特征理论和观测的比较J.海洋科学，1984(3)：1-11.8 叶安乐.分潮流最大流速发生时刻随深度变化的特征J.海洋通报，1984(0:1-8-李身铎.长江口潮流的垂直结构J.海洋与湖沼.1985(4):26!-273.9 杜勇.一种变截面河口中潮位与潮渣相位关系的探讨J.海洋学报，1989(2)：!36-142.10 贺宝根.长江口潮滩水动力过程泥沙输移与冲淤变化D.上海:华东帅范大学.2004.11 李占海.江苏大事潮滩潮流边界层特征研究JL海洋工程,颂7(3)：53-60.12 PeriinA.MournJN,KlymakMD.

18、etal.AModifiedLaw-of-the-wallAppliedtoOceanicBottomBoundaryLayenJJ.ofGeophysicalResearch,2005(10):101-109.14jWinbushM.MunkWIMbenthicboundarylayerCWileyIntereciencc(Vol.4).NewYork：TheseaJ970：731-758.15 HeaiherahawAD.Mea»urement&ofturbulenceintheIrishSeabenthicboundarylayerCTliebenthicboundar

19、ylayer.NewYork：PenumPress,1976：11-31.16 WeatherlyGL.MartinPJ.OnthestructureanddynamicsoftheoceanicbottomboundarylayerJ.J.Phys.Oceanogr.1978(8)：557-570.17;DyerKCurrentvelocityprofilesinatidalchannelJ).GeophysicalJournaloftheRoyalAstronomicdSociety,1970(22)：153-161.18 MeathcrshawAD,LanghorneDN.ObBenal

20、ionsofNear-bedVelocityProfilesandSeabedRoughnfinTidalCurrenbiFlowingoverSandyGraveUfJ.&hiarine.CoastalandShelfScience,1988(26)：459-482.19 NormandEBergeron,AtholDAbrahams.EstimatingShearVelocityandRough-neirtLengthFromVelocityProfilesJ.WaterResourcesResearch,1992(8):2155-2158.(下转第57页)2.2'无洼地D

21、EM生成DEM被认为是比较光滑的地形表面的模拟，但是由于内插及一些真实地貌的存在，DEM表面存在一些凹陷区域，因此在进行水流方向计算之前，应先对原始DEM数据进行洼地填充，得到无洼地DEM。(1) 水流方向提取。利用全球1km精度的DEM数据文件,选出三花间所处区域范围的20个DEM文件。利用FlowDirection进行水流方向计算。(2) 洼地计算。在进行洼地填充之前必须计算洼地深度，通过分析对比确定洼地是否真实地反映了地表形态，从而可在洼地填充的过程中设置合理的填充阈值，使得生成的无洼地DEM更准确地反映地表形态。首先用sink命令进行洼地计算，再用watershed工具进行深度计算。用

22、zonalstatistic计算每个洼地所形成的贡献区域的最低高程，用zonalfill计算每个洼地贡献区域出口的最低高程即洼地出水口高程。经过以上运算就可得到所有洼地贡献区域的洼地深度。(3) 洼地填充。用Fill命令进行洼地填充。进行洼地填充的过程是一个反复的过程,因此当数据量很大时该过程会持续一段时间。2.3累计汇流量计算在地表径流模拟过程中，累计汇流量是基于水流方向数据计算而来的。在得到水流方向之后，用flowaccumulation命令计算累计汇流量。2.4河网的提取(1) 生成河网。目前常用的河网提取方法是采用地表径流漫流模型。上面计算的汇流虽达到一定值时就会产生地表水流。所有汇流

23、量大于临界数值(阈值)的栅格就是潜在的水流路径，由这些水流路径构成的网络就是河网。生成栅格河网有3种方法:mapalgebra工具集中的multimapoutput工具中的con命令;m叩algebra工具集中的multimapoutputY.具中的setnull命令;3)singleoutputmapalgebra命令。用streamtofeature就可以得到矢量形式的河网图，另一种方法是利用rastertopolyline命令生成矢昼结果。两者结果一致。(2) streamlink的生成。通过Streamlink计算得到每一个河网弧段的起止点以及该汇水区域的出水点。Streamlink命

24、令将栅格河网分成不包含汇合点栅格河网的片段,并将片断进行记录，在属性表中除了记录该片段的ID号之外，还记录着每个片段所包含的栅格数。(3)streamorder的生成。用Strahler分级方法与Shreve分级方法计算出两种河网分级。对于streamlink和streamorder计算出的栅格数据列，可用streamlinetofeature工具转化成矢量数据。2.5流域边界生成(1)流域盆地的确定。利用hydrology工具集中的basin工具生成流域盆地。将矢量河网数据在同一个酬口中打开进行辅助分析，所有流域盆地的出口都在研究区域的边界上。通过流域盆地分析，可以从很大的一个研究区域中选择

25、感兴趣的流域并将该流域从整个研究区域分割出来进行单独分析。(2) 汇水区出水口的确定。用spatialanalysistools工具箱下的hydrology工具集中的snappourpoint工具寻找汇水区出水口。那些属性值存在的点作为潜在的出水点，在指定距离内于汇流累计量数据层上搜索那些具有较高汇流累计量栅格点的位置，这些搜索到的栅格点就是小级别流域的出水点，也可以利用已有的出水点的矢虽数据。如果没有出水点的栅格或矢量数据，则可以用已有河网数据进一步生成streamlink数据，作为汇水区的出水口数据。(3) 集水流域的生成。使用watershedX具先确定一个出水点，也就是该集水区的最低点，然后结合水流方向数据.搜索出该出水点上游所有流过该出水曰的栅格.直到所有的集水区栅格都确定了位置。(4) 矢量化流域盆地与集水流域。用rastertopolygon命令将流域盆地与集水流域栅格数据图层进行矢量化。2.6形