近岸水流挟沙力探讨.pdf

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1、泥沙研究2011年10月JournalofSedimentResearch第5期近岸水流挟沙力探讨李瑞杰，董德信2，郑俊，张伟一(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．广西科学院，广西南宁530007；3．河海大学环境海洋实验室，江苏南京210098)摘要：在比较挟沙力公式中两种常用水动力因子的基础上，从二维垂向悬沙扩散方程出发，推导了垂向平均含沙量的计算方法，提出适用于近岸海域的新挟沙力公式。公式形式简洁、物理意义清晰，并在两个海域得到了较好的应用。与两个常用的挟沙力公式相比计算精度更高，表明所提出的挟沙力公式具有较高的应

2、用价值。关键词：近岸海域；水流挟沙力；水动力因子；悬沙扩散中图分类号：TV142文献标识码：A文章编号：0468—155X(2011)05-0019-05水流挟沙力问题长期受到人们的关注。水流的挟沙能力指的是一定水流泥沙及边界条件下，水流所能挟带和输运的泥沙数量。泥沙输移、以悬浮泥沙为载体的物质输运、岸滩演变、底床冲淤和港口航道回淤等均与水流挟沙力密切相关。由于近岸海域风、浪、潮、流、地形等因素的综合作用，近岸挟沙力问题的研究变得更为复杂，相对于成熟的河流挟沙力研究起步较晚。在推导常用垂向平均含沙量计算方法的基础上，提出一个近岸海域的挟沙力公式，将所得公式

3、应用于两个海域，并与两个常用的挟沙力公式进行比较，验证结果较好。1近岸水流挟沙力研究常用方法近岸水流挟沙力的研究常借助于内陆洞流挟沙力的研究成果，根据近岸水动力的特征，通过引用、嫁接、移植等方法，获得相应的挟沙力公式。如内陆河流中应用较广泛的张瑞瑾公式⋯s。=K()(1)式中，S+为挟沙力，U为垂向平均流速，∞为泥沙沉速，h为水深，g为重力加速度，系数K及指数m均是待定系数。不少学者将其直接应用于近岸海域，或加以改造使用。Bijker得到了近岸海域波流共同作用下的挟沙力公式，剪切力及摩阻流速分别为r。：r[+丢(，⋯=[+÷()】其中，r“⋯分别为波流共同

4、作用下的床面剪切力与摩阻流速，r、“。。分别为单向水流剪切力及摩阻流速，“m为海底波浪质点最大水平速度，√c为波浪摩阻系数，c为谢才系数，“为单向水流垂向平均流速窦国仁依据能量叠加原理导出了潮流和波浪共同作用下挟沙能力公式s+=(+卢)(2)收稿日期：2010-05-20作者简介：李瑞杰(1963一)，男，教授，博士，博士生导师，主要从事物理海洋学、河口海岸学研究。E·mall：rjli@hhu．edu．cn19式中，=0．023，卢=0．0004，y为泥沙颗粒容重，为海水容重，和分别为波高和波周期。刘家驹'"利用连云港及天津港的观测资料，通过统计分析的方

5、法，得到近岸海域的挟沙力公式s。：0．045：P一Pgh式中，V为潮流时空平均流速，为波浪水质点的时空平均流速，P，为泥沙颗粒密度，p为海水密度。在不考虑波浪作用情形下，上式可以写成‘sIr／1(3)式中，刘家驹认为O／=0．0273p，但实际应用时发现系数是变化的，在不同海域取值不同⋯。曹祖德等从边界层理论出发建立床面剪切力，以能量理论导出波、流共存时的水流挟沙力公式s。：旦．(4)P—PgnO)式中，为泥沙沉速，和分别为潮流及海底波浪水质点最大水平流速，和为待定参数，可由实测资料确定。曹文洪等将湍流猝发理论用于波流共同作用下挟沙能力的研究，推导出考虑床

6、面附近泥沙交换力学机理的波流作用下的挟沙能力公式，并在黄河口得到应用。此外，国内外其他一些学者也对近岸水域挟沙力有关问题做了很多研究，发表了有意义的成果，对近岸泥沙研究起到积极的推进作用。2近岸水流挟沙力的提出与应用比较分析国内外文献中的挟沙力公式，以能量平衡建立的公式大多含有gn∞项，或是÷的幂次方形∞式[5,14,15]。是—f2与／U之比，其中为水流Fmd。数，代表水流紊动强度；／U代表重力作用，里gtto)gngngho)代表了紊动作用与重力作用的对比关系。内陆河流中水流为单向流，泥沙粒径相对较大，重力作用较强，÷比较全面地反映了水流输沙的动力因子

7、，因此式(1)在内陆河流中应用比较广泛。对于近岸海g'tto)域较细颗粒的泥沙，其沉速可用0．03mm当量粒径的絮凝团沉速来表示H，表示动能与势能之比，代表水流挟带泥沙的能力，物理意义清晰，因而形式的水动力因子在近岸挟沙力公式中应用·。一般地，垂向二维悬沙扩散方程为砉+“塞一(8嘉)一(塞)一塞=0c5式中，s为含沙量；t为时间；“为方向的速度；和分别为和z方向的泥沙扩散系数。在恒定均匀流及悬沙的垂向分布达到平衡状态时，悬沙扩散问题就成为一个均匀、恒定问题，此时对时间t和距离的导数均为零，式(5)成为旦∞Oz+∞一+一Oz(l、s8一：二Oz二)，I=0U

8、对上式进行积分，并考虑水面无泥沙通量的边界条件，得到下式s+字=0