長江口潮流摩阻流速和粗糙長度計(jì)算方法探討.docx

1、第30卷第4期2010年8月水文JOURNALOFCHINAHYDROLOGY一as：Vol.30No.4Aug.,2010長江口潮流摩阻流速和粗糙長度計(jì)算方法探討喬紅杰二張靜怡二徐小明2(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇南京210098；2.河海大學(xué)理學(xué)院，江蘇南京210098)摘要：在研究河口區(qū)域水流垂線流速分布規(guī)律時(shí)，厚阻流速和粗糙長度是描述水流摩阻特性的兩個(gè)重要的物理量，并在物理內(nèi)涵上反映了水流的摩阻特性。本文通過對5種計(jì)算摩阻流速u及粗糙長度Z。的方法分析研究，選擇卡曼-普朗特方法和對數(shù)拋物方法作為本文計(jì)算摩阻流速和粗糙長度的方法。通過對長江口海螺碼頭水域和王子碼頭水域的實(shí)測資料計(jì)算

2、，并對計(jì)算所得到的丁和乙)進(jìn)行一致性和相關(guān)性分析，以及對各層實(shí)測流速與計(jì)算流速過程線的比較，得到對數(shù)拋物方法是計(jì)算長江口潮流的u*和乙最佳方法的結(jié)論。關(guān)鍵詞：摩阻流速；粗糙長度；卡曼-普朗特方法；對數(shù)拋物方法中圖分類號(hào):P731.23文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1000-0852(2010)04-0023-051前言要的變量。若令也=仍二因其具有流速的量綱，稱收稿日期：2009-05-18作者簡介：猝紅杰(1985-),男，河南南陽人，碩士研究生，研究方向?yàn)樗膶W(xué)及水資源。改革開放以來，長江口具有的特殊的地理位置優(yōu)勢為該地區(qū)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展創(chuàng)造了條件。為滿足經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的需要，近年來，該河段內(nèi)布設(shè)了

3、大量的水運(yùn)工程及多座跨江大橋，準(zhǔn)確掌握工程水域水流的三維流態(tài)對這些工程的建設(shè)至關(guān)重要，而水域的垂線流速分布是施工中需要的基本參數(shù)。由于河口區(qū)域的水流受到海洋潮流的影響，水下地形比較復(fù)雜，水流的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律難以把握，因此要想準(zhǔn)確掌握水流的三維流態(tài)，必須認(rèn)真分析影響該區(qū)域水流的各種因素，比如：摩阻流速、粗糙長度、渦粘性系數(shù)、河段的沖淤情況等。在研究河口區(qū)域水流垂線流速分布規(guī)律時(shí)，摩阻流速及粗糙長度是兩個(gè)重要的物理量，在物理內(nèi)涵上反映了水流的摩阻特性。本文通過對5種計(jì)算摩阻流速及粗糙長度的方法對比研究，選出較為合理的計(jì)算方法，結(jié)合長江門實(shí)測水文資料進(jìn)行計(jì)算，對二者進(jìn)行一致性和相關(guān)性分析，從而選出適合

4、長江口水域情況的最優(yōu)的計(jì)算方法，為生產(chǎn)實(shí)踐的需要提供參考。2基本原理在河流水沙運(yùn)動(dòng)過程中，摩阻流速是一個(gè)極為重其為摩阻流速。式中：丁。為邊界處的切應(yīng)力;p為水的容重。河床的粗糙長度是研究河口海岸沉積物運(yùn)移及水流結(jié)構(gòu)的重要因素，它由顆粒粗糙度、底形粗糙度和推移質(zhì)粗糙度組成叫下面列出了5種平時(shí)用到的計(jì)算摩阻流速及粗糙長度的方法，并分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)：(1) 卡曼-普朗特方法是一種傳統(tǒng)的流速分布公式，其表達(dá)式為：兮修)(1)式中斗為流速；卡曼系數(shù)k=0.4；z為測點(diǎn)距離底床的水深。(2) 對數(shù)線性方法囹是從流體動(dòng)力學(xué)原理出發(fā)，運(yùn)用普朗特混合長度及卡曼自相似理論建立的一種適合于河口海岸近底層區(qū)域的潮流

5、速分布公式，其表達(dá)式為:”=汁(務(wù)-半式中為水深；參數(shù)a則反映了潮流加速度對流速剖面的影響。(3) 對數(shù)拋物方法閆是依據(jù)潮流運(yùn)動(dòng)的表面邊界條件，在對數(shù)線性模式的基礎(chǔ)上擴(kuò)展研究得到，其表達(dá)式為：式中:A為一假定參數(shù)，其所表示的意義見文獻(xiàn)5。(4) 素動(dòng)動(dòng)能耗散率法是在均勻、純剪切流動(dòng)過程中，雷諾應(yīng)力對時(shí)均流速做功的紊動(dòng)動(dòng)能產(chǎn)生率等于紊動(dòng)動(dòng)能耗散率若將紊流脈動(dòng)流速分別沿x、y方向的分量設(shè)為四，即u；會(huì)，利用時(shí)均流速對數(shù)分布公式可導(dǎo)出以下關(guān)系式：u=(eKz)(4)(5) 近底兩層流速時(shí)間系列估計(jì)粗糙長度法是假定在距離河床乙=0.34m和Z2=1.0m處測得的流速詢和也滿足對數(shù)分布，且其值僅隨時(shí)間間

6、隔的不同變化。若假設(shè)粗糙長度在一定時(shí)間內(nèi)是常數(shù)，則底層流速與上層流速成線性關(guān)系。用最小二乘法求粗糙長度，記回歸方程斜率為a,得吉(5)天然河道中，常用的垂線流速分布公式有拋物公式、對數(shù)公式、橢圓公式等。以上所列舉的5種方法中，應(yīng)用卡曼-普朗特方法估算“和是在半對數(shù)流速分布圖上用最小二乘回歸法適線，建立”依Inz的回歸方程，并依據(jù)該回歸方程的斜率及截距計(jì)算出s和%的估值。對數(shù)線性方法在近底Im內(nèi)計(jì)算精度較高向，對于本文所研究的水域的垂線布置點(diǎn)的水深普遍超過7m,故本文將不采用該方法，而對于對數(shù)拋物方法，利用實(shí)測流速資料，運(yùn)用枚舉法結(jié)合最小二乘法進(jìn)行擬合求解吐對于枚舉的值，用區(qū)間定位法同找到符合目

7、標(biāo)函數(shù)的值，研究表明它適用于全水深叫是一個(gè)實(shí)用的典型的潮流速分布模式。對于紊動(dòng)動(dòng)能耗散率法計(jì)算“*,由于紊動(dòng)動(dòng)能耗散率與測點(diǎn)位置的關(guān)系式確定起來比較困難，該方法在應(yīng)用上存在不便。對于近底兩層流速時(shí)間系列估計(jì)粗糙長度,計(jì)算方法雖然很有可取性，但由于它僅計(jì)算出單一的乙值，無法用之計(jì)算摩阻流速值，這將導(dǎo)致在分析二者的一致性及相關(guān)性時(shí)出現(xiàn)較大的誤差，故本文也將不采用該方法。3實(shí)例分析針對所選取的計(jì)算摩阻流速和粗糙K度的兩種方法，即卡曼-普朗特方法(簡稱卡曼方法)及對數(shù)拋物方法，本文選取長江口海螺碼頭水域及王子碼頭水域的實(shí)測資料進(jìn)行分析，比較二者的優(yōu)劣性。長江河口屬于中等強(qiáng)度的潮汐河口，河口內(nèi)潮流受地形

8、影響.屬于非正規(guī)半日淺海潮，潮波變形明顯”海螺碼頭與上游的王子碼頭相隔大約15km,所測數(shù)據(jù)可以較好的反映長江口潮水河段的水文特性。兩碼頭水域測流垂線布置情況如圖1所示。圖】兩碼頭水域垂線布置圖Fig.1Theverticaldispo)crMsofsedimentdischargeoftheYanheriverJ|.YellowRiver.2008.(inChinese)|3|井涌.無定河徑流-致性及人類活動(dòng)定fit影響分析A.水生態(tài)監(jiān)測與分析學(xué)術(shù)論壇論文集C.濟(jì)南：山東地圖出版社.2008.10.(JINGYong.Analysisofflowconsistencyandeffectofh

9、umanactivitiesinWudingheriver(A).ProceedingsofAquaticEcosystemsMonitoringandanalysisAcademicForumC.Jinan:ShandongCartographicPublishingHouse,2(X)8.(inChinese)CharacteristicsofWaterandSedimentinSourceAreaofBeiluoheRiverJINGYong.CHENFang-li,GEFen-li,GUMing-xing(HydrologyandWaterResourcesSurveyofShaanx

10、il*rwince,Xian710068,China)sourceareaAbstract:From1970sto1980s,therunoffandsedimenttransfersdecreasedyearbyyearintheBeiluohewatershed,especiallyin1990s.Basedontheanalysisofthecharacteristicsofwaterandsediment,thispaperevaluatedthechangetrendsofwalerandsedimentinfloodandnon-floodperiodsinlhesourceare

11、aabovethestationsofWuqiandZhidan.Italsoanalyzedthecharacteristicsofwaterandsedimentincludingthemedianparticlesize,meanparticlesize,coarseandfinesandundertheinfluencesofdifle;r-entearthsurface,precipitationandhumanactivities.Furthermore,theimpactsofprecipitationandhumanactivitiesonthewaterandsediment

12、inthestudyareawerediscussed.Keywords:changeofwaterandsediment;assessment;humanactivity；BeiluoheRiver（上接第27頁）Yi-xin.Preliminarystudyonthetidalvelocityprofileinthenear-x)ltomlayerintheestuaryandcoastwatersJJJounialofSedimentResearch.2OO6,(l):25-31.(inChinese)(5J郝嘉凌.宋志堯，等.河門海岸潮流速分布模式研究J.泥沙研究，2007,(4):3

13、4-41.(HAOJia-lingiONGZhi-yao,ctal.Studyonthetidalvelocityprofileintheestuarineandcoastalareas|J(JournalofSedimentR(*3carch.2007,(4):34-41.(inChinese)6A.PerlinJ.N.Mourn,elal.Amodifiedlaw-of-lhc-wallappliedtoo-ceanicbottomboundarylayers|J|J.ofGeophysicalKesean：h,2O()5,l10(CI0S10).7孔俊,宋志堯，等.挾沙能力公式的最佳確定

14、J).海洋工程,2005,23(1):93-96.(KONGJun.SONGZhi-yao.etal.OptimumapproachtodetermineIliecoefficientsinsediment-carryingcapabilityformulaJ.TheOceanEnginccring,2(X)5,23(1):93-96.(inChines。)|8MartinT.ilagan.HowardB.Demuth著，戴英，等譯.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)M|.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2002.(MartinT.Hagan,HowardB.Demuth,translatedbyDAIKui.etal.Ne

15、uralNetworkDesignMJ.Beijing:ChinaMachinePress,2002.(inChinese)DiscussiononCalculationMethodofTidalShearVelocityandRoughnessLengthinYangtzeRiverEstuaryQIAOHong-jie1,ZHANGJing-yi1,XUXiao-ming2(1.CollegeofHydrologyandWalerResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China；2.CollegeofScience,HohaiUniversity,

16、Nanjing210098,China)Abstract:Whenstudyingtheverticalflowvelocitydistributionintheestuaryregion,shearvelocityandroughnesslengtharetwomainphysicalparametersindescriptionofwaterflowfrictioncharacteristics,whichreflecttheintrinsicphysicalcharacteristicsofwaterflow.Throughanalysisoffivecalculationmethods

17、ofshearvelocity(皈)androughnesslength(Z),KennanPrandllmethodandlog-parahilamethodcanbechosenasthemethodstocalculateshearvelocityandroughnesslength.Throughcalculationofthetwopracticalexamples,HailuoWharfandWangziWharfwaterareaofYangtzeRiverEstuary,combiningwiththeconsistencyanalysisandcorrelationanalysisofu.and&andcompariso