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《波流共同作用下粉沙质悬移质运动规律的研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、赵冲久1,秦崇仁2,杨华1,曹祖德1,蔡嘉熙1,冯玉林1,杨树森1(11交通部天津水运工程科学研究所,天津300456;21天津大学建工学院,天津300072)摘要:研究了波浪作用下悬移质含沙量的垂线分布规律、底部高浓度含沙水体层的高度和含沙量分布以及该层中水体的运移速度。从而得出了底部高浓度含沙水体层的输沙量计算公式,为粉沙质床面的泥沙淤积计算提供了新的方法。关键词:粉沙;悬移质;底部高浓度含沙水体层中图分类号:TV142+13文章编号:1005-8443(2003)03-0101-08文献标识码:A悬质分布规律的研究1粉沙质海岸当风平浪静时水体含沙量较低,
2、水体清澈,一般没有泥沙的剧烈运动。当波浪增大时,由于水体紊动的增强,床面泥沙开始运动,并扩散到水体当中形成悬移质泥沙。波浪较大时泥沙运动十分剧烈,水体含沙量急剧加大。研究粉沙质床面的泥沙运动,须认真研究悬移质泥沙的运动规律。由于粉沙质海岸表现为大浪时泥沙运动为主,大浪时泥沙灾害较大。结合现场观测每次大风(浪)过程中泥沙运动的变化过程。悬移质泥沙从扬起到沉降可以分为3种型式。第1种是悬扬型,在大浪形成时,水体运动剧烈,底部泥沙起动并扬动,泥沙进入悬浮状态,此时底部水体与上部水体含沙量呈下大上小,差别较大;第2种是稳定型,随着波浪持续时间的加长,泥沙不断地被悬扬,
3、水体含沙量不断增大,并达到相对平衡时期,此时上下层水体含沙量趋于均匀;第3种是沉降型,当波浪动力逐渐减弱时,悬沙开始沉降,此时上下水体的含沙量又呈现出上小下大的较大差别。风平浪静后,最终恢复平静状态下清澈的水体和稳定的床面。总体上讲,在一次大浪过程中,下层水体出现由不饱和挟沙到饱和挟沙的过程,而上层水体一直处于非饱和挟沙的过程。111理论分析文献11概化了底部含沙量计算公式:2uS=A·γs(1)ghu2=u2+u2wc由于底部掀沙的主体原因是波浪,忽略uc项、uw项用近底水质运动的最大轨迹速度来表示,则式(1)变为:u2mS=A·γs(2)ghD0F11,D
4、为特定粒径,取0111mm,α为特定面积,取引入泥沙粒径的修正系数,并取F=0αDK+DK010024mm2,DK为泥沙粒径。则底部水体含沙量为:u21mSK=A·γs(3)ghFF收稿日期:2003-06-27作者简介:赵冲久(1965-),男,辽宁盘锦人,博士,教授级高工,主要从事海岸河口泥沙研究。πΗuh=Tshkhπ2Η21SK=A·γs于是,A由实测资料所得。(4)FFT2ghsh2kh下面讨论上部水体中的含沙量问题。尽管Nielson(1992)15已经指出,悬沙浓度的合理分布应该采用联合对流和扩散方程来描述,但大多数关于悬移质泥沙含沙量分布的理论
5、研究仍是基于泥沙的扩散方程进行的。在泥沙粒径比较小的情况下,利用扩散方程也确实能够得到较合理的结果。取x轴和波向一致、y轴与波向垂直、z轴向上为正,波浪作用下二维悬沙扩散的基本方程为:ds9s9s9s9s99s99sdt=9t+u9x+ω9z=ω9z+9x(εx9x)+9z(εz9z)(5)式中:s为空间某一点的含沙量(或悬沙浓度),以单位体积水体内所含的泥沙重量计;ω为泥沙的沉降速度;εx、εz为x、z方向的泥沙扩散系数。Nakatoo(1977)16的研究结果表明,水平方向的悬沙浓度梯度要比竖直方向的小的多。因此,如果忽略水平方向的泥沙扩散,且取其空间平均
6、值并考虑时间平均的情况,二维扩散方程可化简为描述含沙量平均值垂向分布的一维扩散方程:εz9s+ω¯s=0(6)9z式中:s¯表示时均悬沙浓度。求解的关键在于要已知泥沙扩散系数εs。在悬沙扩散系数的取值方面,基本有两种做法。其一是认为εz随空间坐标Z变化,如Homma(1962)17、Bakker(1974)18基于混合长度假定导出悬沙分布,Vonvisessomjai(1986)19对他提出的涡粘系数分布(Vonvisessomjai,198420)进行修正得到悬沙扩散系数并导出悬沙分布;另外一种做法是假定紊动与泥沙的交换沿垂向保持不变时,εz与z无关,由上式
7、就可以得到:¯s=sKexp(-z/L′S)(7)式中:sk为参考点时均含沙量(从沙纹峰顶算起z=0);L′S为泥沙交换垂向尺度,L′S=εz/ω,这时,只要sk或L′S和sk已知,就可得到含沙浓度的分布。依Nielson(1992)15研究结果,泥沙交换垂向尺度L′S与沙纹高度密切相关。其表达式为:amσamσL′S=0.075ωη,ωη<18amσL′S=1.4η,式中:σ为波动圆频率;η为沙纹高度。ωη>18(8)根据Nielson(1981)21的研究结果,在实验室规则波条件下,沙纹波长λ、高度η与沙纹陡度的经验关系式可分别表示为:λ/am=2.2-0
8、.345Ψ′0134η/am=0127
