崖门水道悬沙输运及底床冲淤特性研究

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1、第l8卷4期应用基础与工程科学学报Vo1．18．No．42010年8月JOURNALOFBASICSCIENCEANDENGINEERINGAugust2010文章编号：1005-0930(2010)04-0637-08中图分类号：TV148文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．1005-0930．2010．04．O11崖门水道悬沙输运及底床冲淤特性研究刘金贵，李瑞杰，张义丰，董德信(1．国家海洋环境预报中心，北京100081；2．河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，江苏南京2

2、10098)摘要：针对感潮水道独特的水动力特征和泥沙输移情况，同时考虑径流、潮流等多种动力因素共同作用，建立了三维悬沙输运及床面冲淤数学模型．水平方向采用非结构三角形网格，垂向采用坐标，利用有限体积法离散积分形式三维浅水守恒方程，对每个控制体单元分别进行水量和动量平衡计算．利用模型对崖门水道的悬沙分布和输运情况进行了数值模拟，对泥沙浓度场的分布特征进行分析，并对底床冲淤变化进行了定量计算．关键词：感潮水道；有限体积法；悬沙输运；底床冲淤崖门位于新会县崖南镇，是银洲湖的人海口门，它与虎跳门均位于黄

3、茅海湾的头部是珠江八大口门中最西边的一个口门，潭江水域的径流主要通过银洲湖从崖门出海．已有学者对珠江口所在海域的潮流运动及泥沙迁移进行了数值模拟引，但未能针对崖门水道水域作系统的分析．李瑞杰等结合崖门出海航道工程对回淤情况进行了分析，对不同工程方案下的回淤强度进行了估算．崖门水道为重要的通航水道，同时由于崖门外两侧围垦，海域水下地形的滩槽处于不断演变中，近年来深泓局部地段淤积加重，已显著碍航，因此对该水域的悬沙输运以及河床冲淤进行分析研究具有重要的意义，以期解决影响崖门水道进一步开发的泥沙问题，

4、同时用于河口、海岸地区污染物扩散、盐水入侵及泥沙输运等问题的研究．基于有限体积法的泥沙数学模型在近十年才逐步发展起来．赵棣华等基于有限体积法，采用黎曼近似解通量差分裂(FDS)格式计算各单元边的含沙量法向数值通量，应用相关的悬移质、推移质河床变形计算公式计算了感潮河段泥沙冲淤变化；余明辉等基于三角形网格划分，连续方程采用有限体积法进行计算，保证了水量的守恒，建立了平面二维非均匀沙数值模型；张杰等基于有限体积法，采用SIMPLE系列算法求解控制方程，建立了二维水沙和温度及浓度场数学模型．而三维有限

5、体积悬沙输运及底床冲淤模型的研究仍处于探索阶段．本文利用海洋模型FVCOM_l对崖门水道三维水动力场数值模拟，模型采用非结构三角形网格和有限体积法．非结构网格较早应用于有限单元法，能与边界及水下地形拟合较好，并利于边界条件的处理，便于控制网格密度和调整其适应性．而有限体积法在非结构收稿日期：2008-10-07：修订日期：2009-06-09基金项目：交通部港口舟道泥沙工程重点试验室开放基金；河海大学自然科学基金科学研究重点项目(208430511)作者简介：刘金贵(1981一)，男，博士．E-

6、mail：liujg@nmefc．gov．crl638应用基础与工程科学学报二角彤单兀内离散积分彤式的控制方程，对每个控制体单兀分别进行水量和动量半衡计算，因变量的积分守恒对任意一组控制体积得到满足，对整个计算区域，自然也保证了守恒律．在此基础上，考虑悬沙输运过程及底床冲淤变化，对崖门水道悬沙分布及输运情况作了进一步的研究，并对底床侵蚀和淤积作了计算分析．1数学模型1．1基本方程坐标系下三维非恒定浅水方程为OHuOwOt+_a+O+__：0(1)y0o-、OuH+++=一譬+日PotOx／")+

7、即】。H100o"(rmao-1]+。HF(＼2一)／、OvH8t+Ox+av+0o"⋯。Oy一Potoy-‘3口r)+’叩av]l十’11a(K1+(3)H00"lao-)⋯y＼／=一g(4)坐标系下悬沙输运方程+警++吉=(Ah)+(Ah)+1a{K日haC)+吉警(5)式中，W分别为、y、方向流速分量；p。为参考密度；p为当地密度；p为压强为科氏参数；为垂向紊动粘滞系数；为垂向紊动扩散系数；A为水平扩散系数；总水深日=十，为水深，为自由表面高度；水平动量扩散项，Fy分别为F0[2A]+[A

8、(+)]，击[A(考+)]+[2A考]；A为水平粘性系数；c为水体悬沙浓度；O9为悬沙沉降速度．底床冲淤变化由下式确定：At(E—D)(P(1一P))(6)式中，为床面冲淤变化；为侵蚀率，kgm／s；D为沉降率，kgm／s；底床孔隙比．当泥沙的悬浮和沉积量不相等时，床面将发生冲淤变化，从而引起床面高程的变化．1．2定解条件水面边界条件(等，)=cTsx~"rsy，=0，鲁=o7，式中，r⋯r分别为水面风应力分量．刘金贵等：崖门水道悬沙输运及底床冲淤特性研究639底部边界条件fI＼一，一1I：=一