耗散型海滩冲流带的泥沙

耗散型海滩冲流带的泥沙悬浮和紊动摘要引言理论背景实验场地和仪器实验结果讨论结论摘要这篇文章主要是通过水平和竖直流速，水深以及含沙量的实地测量来探讨冲流带长重力波范围内的悬浮泥沙的扰动和输运规律数据表明由粘性涡流产生的竖向速度波动对于泥沙悬浮很重要，而且竖向速度波动可以引起冲流周期内上冲流相和回流相之间的泥沙输沙率的不对称分布。这一结果还表明了当把能量型的泥沙输运模型应用于冲流带时，底床剪应力的计算仅仅只基于流速的水平分量是不够的本文得出了一个基于流速水平分量和竖直分量相关度的公式，虽然做了改进，但仍需要很多数据的验证，而且，数据表明刻度系数存在着些问题。能量模型的刻度系数不但在上冲流和回流之间有区别，而且随着在冲流带中位置的不同而变化，尤其在上冲流相。引言冲流带是海滩的重要组成部分，在冲流带中海岸线随着与入射短波和长重力波相关的频率而来回移动。冲流带是指滩面上下冲流联合作用的区域,也就是以几分钟或几秒钟的间隔间歇性的暴露在空气中的那一部分滩面,其区域中心位置和范围由于受潮位、潮流及冲流等因素的影响而不断变动,具有一定的时空变化特性，海滩冲流带是陆海相互作用最直接的区域之一,是近岸过程变化的敏感和集中区域。2种冲流状态：（1）滩面较陡时，冲流主要由短波驱动

（2）滩面较缓时，冲流主要由长重力波驱动重力作用下的前滩堆积和滩面坡度增加需要由不对称上冲流/回流速度或者在上冲流和回流的不对称泥沙悬浮数量决定。实地观察也显示在上冲流带的悬沙含量比回流带的大一个典型的冲流带泥沙输运模型-------Bagnold-typeenergeticsmodel即q=ku^3,k---摩擦刻度系数.实验表明Kup>Kback，这一结果与cox和conley观察到的结果一致，与回流带相比，上冲流的平均底床剪应力和摩擦因子比较大。这就表明了Bagnold-typeenergeticsmodel省略了某些关键的物理量。对于上冲流的平均底床剪应力和摩擦因子比较大，大致有4种解释以上的论述表明：紊动是冲流带内泥沙悬浮的重要因素

理论背景现有的碎波带的泥沙输运模型表明含沙量c是扰动项U的函数，即c=K1u^2，U是垂直岸线方向的速度与沿岸方向的速度的矢量积，k1是摩擦比例系数。当沿岸方向的速度等于零时，则q=k1u^3,该公式是基于τ=ρcfu^2，其中ρ是流体密度，cf是摩擦系数本文只关注悬移质，考虑床底剪应力的显性公式，垂直于岸线方向的紊流动量流量可以用下述公式表述：其中vt是涡粘系数，τ是水平切应力，u，w分别是垂直岸线方向的速度与沿岸方向的速度，v是运动粘度忽略层流粘性，床底剪应力有两项：一项是波运动，一项是紊动，基于上述公式，冲流带的含沙量可以这样表示：（5）理论背景用公式（5）乘以垂直岸线方向的速度，可以得到冲流带泥沙输运的粗略模型，与Bagnold-type公式类似，由扰动项和输运项组成q=k2|uw|u（6）为了检验紊动特征和紊动对于泥沙再悬浮的重要性，紊动信号应当从u和w的时间历程中去除，这样得到动能的表达式为如果假定w’与u’和v‘有某种特定的比例关系，则紊动动能实验场地和仪器（1）实验场地场地1:丹麦北海的skallingen，2002年8月~9月场地2：荷兰中部海岸的Egmond

annzee，2002年10月~11月两个场地的区别（1）年平均波高：skallingen为1m；egmond为1.2m（2）平均潮差：skallingen为1.5m，在大潮和潮间带会增加到1.8m；egmond为1.65m，在大潮时会增加到2.1m（3）泥沙平均粒径：skallingen为240μm，egmond为260μm（4）滩面坡度：skallingen为0.032，egmond为0.036（5）离岸波高：skallingen大部分低于0.5m~0.6m，但可达到2.1m，egmond可达到3.75m（6）入射波周期：skallingen：4~8s，egmond：6~9s（2）实验仪器UFOBS:光纤后向散射浊度计EM:电磁流量计PT:压力传感器OBS:光学后向散射浊度计ADV：声学多普勒流速仪

OBS即光学后向散射浊度计(OpticalBackScatterSensor)，是一种光学测量仪器,它通过接收红外辐射光的散射量监测悬浮物质,然后通过相关分析,建立水体浊度与泥沙浓度的相关关系,进行浊度与泥沙浓度的转化,得到泥沙含量实验结果（1）冲流带的泥沙输沙率净泥沙输沙率与泥沙在冲流带内的相对位置密切相关，为了区分相对位置，冲流带可分为上冲流带、中冲流带、低冲流带净悬沙输运量在两个海滩的整体特性是相似的。在低潮位时当传感器位于冲流带的最上方，泥沙输沙量相当小并且方向指向近岸边。随着仪器浸入水中部分的增加，即平均水位的增加，近岸输沙率也随之增加，然而输运量减小。当仪器位于低冲流带时，泥沙输运量变大并且指向离岸方向，而且内碎波带的净泥沙输运量也是指向向海方向。净泥沙输沙率在涨落潮时没有明显区别。如下图。Fig3用二次多项式拟合这些数据点，得到一个泥沙输运量的形状函数，即y=-0.00043x^2+0.032x-0.08，其中y是净泥沙输沙率，x是仪器浸入水中的百分比。由此可以看出，最大的近岸输沙率发生在中冲流带和上冲流带之间，最大的离岸输沙率发生在冲流带的底部由图还可以看出在中冲流带和上冲流带内泥沙输运几乎都是向陆方向，在低冲流带泥沙输运都是离岸方向。这一点与Butt和Cox等人观察到的一致，他们观察到上冲流带存在近岸方向的平均底床剪应力和低冲流带存在离岸方向的平均底床剪应力（2）冲流带中的流速和含沙量为了检验流速和含沙量之间的关系，本文选了6个时间历程，分别代表上冲流带，中冲流带，低冲流带。时间历程的选择基于4个准则：（1）各自冲流过程中竖向速度的时间历程应当连续（2）ADV应当在底床位置往上4cm以内（3）最低位置的光纤传感器应当在底床位置往上2cm以内（4）至少要有4个传感器的饱和信号<2%的记录长度。Fig4.UFBOS测量的位于中冲流带z=0.01,0.03,0.05的含沙量累积频率分布上图表明最低位置的UFOBS传感器信号在记录的1.1%时饱和，由曲线的顶部中断可以看出。当最高位置的传感器在时间的2.3%时饱和，而中部的传感器信号还未饱和。基于上述4个准则的例子都是来自Egmond的实验，因为Egmond的冲流水流更深，竖向速度更连续更可靠。如下图所示Fig5.上冲流带z=0.01（实线）处和z=0.03（虚线）处垂直于岸线方向的速度和悬沙含量Fig6.中冲流带z=0.01（实线）处和z=0.03（虚线）处的悬沙含量

垂直于岸线方向的速度（虚线）和竖向速度（实线）Fig7.低冲流带z=0.01（实线）处和z=0.03（虚线）处的悬沙含量

垂直于岸线方向的速度（虚线）和竖向速度（实线）

t=1980s信号饱和为了进一步研究每个冲流现象之间的持续模式，可以对速度和含沙量求总体平均。本文用了统计的方法Fig8.上冲流带时间历程的总体平均（z=0.01m实线，z=0.03m虚线）Fig9.中冲流带时间历程的总体平均（z=0.01m实线，z=0.03m（小虚线），z=0.05m大虚线）Fig10.低冲流带时间历程的总体平均（z=0.01m实线，z=0.03m（小虚线），z=0.05m大虚线）从Fig8、9、10可看出竖向速度方差是中、低冲流带中泥沙悬浮的重要因素竖向速度主要为负值说明速度波动不是由于波的轨道运动引起的Fig12Fig13.中、低冲流带输沙量总体平均和底床剪应力绝对值|Uw|Fig14.上、中、低冲流带输沙量总体平均和底床剪应力绝对值|U^3|由Fig12、13、14可以看出|Uw|比U^3、U^2更好地预测了含沙量，尤其是在上冲流带也说明了基于|Uw|的含沙量模型优于使用U^3的模型结论本文冲流带泥沙输