【word】 泥沙沉降机率和冲刷系数分析

【word】 泥沙沉降机率和冲刷系数 泥沙沉降机率和冲刷系数分析 20l0年2月 泥沙研究 JournalofSedimentResearch第1期 泥沙沉降机率和冲刷系数分析 李瑞杰,罗锋,周华民,秦毅 (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.江苏省海洋环境监测预报中心,江苏南京210036;3浙江省水利河口研究院,浙江杭州310020) 摘要:从泥沙沉降机率和冲刷系数的分析出发,研究探讨近底泥沙通量,定义了临界淤积含沙量和临界冲刷含 沙量以及沉降机率和冲刷机率,导出了具有相似性的底泥沙通量的两种达式,得出l『冲刷系数是一个与沉 降速度和含沙量等相关的系数,泥沙沉降机率应细分泥沙冲刷机率和泥沙沉降机率,挟沙力介于临界淤积含 沙量和临界冲刷含沙量时,冲淤平衡.另外应存在临界淤积含沙量和临界冲刷含沙量. 关键词:近底泥沙通量;沉降机率;冲刷系数;临界淤积含沙量;临界冲刷含沙量 中图分类号:TVl48文献标识码:A文章编号:0468一 l55X(2010)0l-0063-04 国内外在泥沙研究领域取得了大量令人瞩目成果,也推动着泥沙理论和计算方法向更为精确的方 向发展.泥沙沉降机率和冲刷系数是泥沙理论研究中的重要参量,也是泥沙理论中不易确定的两个物 理量,泥沙沉降机率和冲刷系数的归纳和分析,对于深入理解和探讨泥沙运动理论有着重要的意义. 本文从常用来处理悬沙运动方程近底泥沙通量的挟沙力和切应力方法中的泥沙沉降机率和冲刷系 数的分析出发,通过定义临界含沙量,导出两种不同方法具有相似性的近底泥沙通量的表达式.并分析 了沉降机率和冲刷系数,得出一些有意义理论成果,但还需要从实验和实测结果等多方面进一步验证. 1泥沙沉降机率和冲刷系数 在悬移质泥沙输运方程中 (垒?!+!垒?2兰+l?!c3tc3xay= 丧[(+).]+[(—).,]+(t) F为近底泥沙通量也称源汇项或冲淤数.式(1)中,h(X,Y)表示(,Y)处的水深;(,Y,t)表示t时 刻(,Y)处的水位;U,分别为,Y方向上的垂线平均流速;S为水体的含沙量;D,D为扩散系数. 近底泥沙通量F的确定对于含沙量的正确计算至关重要.F可用挟沙 力表示为 F:一sf】一1』s>s时,淤积(2) \S,【S<S.时,冲刷 式(2)中,为悬移质泥沙沉降速度;S为水流挟沙能力;为泥沙沉降机率. 泥沙沉降机率,又称为恢复饱和系数或泥沙运动参数,和动力条件和泥沙沉速有关.常见的Ot取 值如表1. 从表1中可以看出,泥沙沉降机率在不同水域取值不同,同一水域冲刷,淤积和微冲微淤取值不 同,同时它的取值也不是连续的.它强烈地提示泥沙沉降机率Ot不是一个常数,也不只是对应泥沙的 沉降状态,而是个表征冲淤两种状态的参数,应进一步细分., 收稿日期:2008-01-07 基金项目:教育部高等学校博士学科点基金(200802940014);港[】航道泥沙工程交通行业重点实验室开放基金资助 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,河口海岸物质输运研究.Email:rjli@hhu.edu.1311 63 表1泥沙沉降机率的取值 Table1Valuesforsedimentsettlingprobability 冲刷微冲微淤淤积 0.02—1.78 0.67,0.84 O.5 0.12 0.75 0.6—1.2——0.1,0.5 1.0——0.25 0.450.250.25 0.450.30.15 =2.14—0.281S[U/(ghto)],U/(gh)?0.1,=2.8 备注 韩其为I2] 渤海f’?] 天津海河口[,] 长江口[】 长江13[.j 长江中下游[] 武汉河段,长江口河段 长江下荆江段[10,11],平面二维河道[. 武汉天兴洲汊道[] 葛洲坝坝区[14] 珠江121[] 很明显,式(2)又可写成 F= 一 a?s(,一?),s>s.时,淤积 0,S=S.(3) 一 s(-一?),s<s.时,冲刷 定义s和S为临界淤积含沙量和临界冲刷含沙量,同时定义和分别为 沉降机率和冲刷机率.从 二维悬沙运动方程的推导出发,理论统一挟沙力和切应力两种方法 过程中,已阐明近底泥沙通量的物理 本质.对近底泥沙通量表达式比较分析的基础上,S,S和,的物理意义 及其存在关系得已探讨, 因此,式(3)可以写成… S Sd S+ S S Sd S ?S时,淤积 <S.<S(4) ?S时,冲刷 式(4)表示,应存在临界淤积含沙量S和临界冲刷含沙量S,挟沙力介于临界淤积含沙量S和临界冲 刷含沙量时冲淤平衡,这与现有的挟沙力等于含沙量时冲淤平衡不同. 除了采用挟沙力方法,近底泥沙通量F也可用切应力表示为… F=E—D= , (1一时,淤积 0,Jrd<f6<7(5) Mf一11,\/r6?7-时,冲刷 式(5)中,E为冲刷率;D为淤积率;r为水流引起的床面切应力;r为临界淤积切应力;,为临界冲刷 切应力;肘为冲刷系数;a为沉降机率. 由式(5),因M=k17-(Margvelashvili,2006),并考虑到r=k2p(Bagnold,1966).和?=|l}3Is (Krone,1962),可得 M=k1=klk2pto=1k2k3p(c,.s 取b为1,且令kk2后,P:,可得 ? 则式(5)成为 64 F=E—D= M|s (1一时,淤积 0,丁d<6< , (一(6) 一一 r???,?,,????,,?【 从式(4)和式(6)可以看出两个公式具有非常类似的形式,同时两式也充分说明冲刷和淤积不是同时进 行的.考虑到s.=A(A为流速,沉速等的函数),可以证明式(4)和式(6)在形式上是一致的. 比较式(4)和式(6)可以得出 OtS=M(7) Sd=rd)=Ad(8) S=八f)=Af(9) 式(7)说明冲刷系数是一个由沉降速度和含沙量确定的系数. 2冲刷系数取值 通常认为冲刷系数一般由实验确定,或由床面应力和临界冲刷应力的函数决定,式(7)实际上与 上述认识是不同的.实际应用中,通常冲刷系数取为常数,其取值范围 为0.003g/(ms),2O.0g/ (ms),详见表2. 表2冲刷系数参考值 Table2ErosioncoefficientM 冲刷系数/g?(ms)一备注 5.0 0.02 M=kl6e2(粘土kl=0.14,k2=2.91) 0.O1,0.4 0.005,0.02 0.003 1.36 M=2r 0.02,4.0 6.4 M=4.8Ad 2O 20 Ariathruai,1978j Dver.1986【] Kuijper,1989[] VanRijn.1989[】 Johnsen.1993lj Mehta.1994[ Mike21,1996 Margvelashvili.2006[ 蒋德才,2005[‘ 曹祖德,199312 陆永军,2005[“] 杨美卿,1997[“] 丁平兴,2003l』 由式(7)可计算冲刷系数.以黄河,长江,舟山海域,珠江口为例,并取Ol=0.1,1.0,含沙量取多 年平均含沙量的一个近似值,估算不同沉降速度和条件下的冲刷系数的值(表3),显然由此计算 的取值范围与表2中冲刷系数的参考值相当.说明式(7)理论上可以用来计算冲刷系数和冲 刷机率O/,结果的合理性有待进一步通过大量实验和实测数据验证. . 表3冲刷系数M估计值 Table3EstimatederosioncoefficientM 黄河流域的大部分河流汛期的含沙量非常高,一些多沙支流含沙量高达1500kg/m,由式(7)计算 得到的冲刷系数的值约为900g/(ms),较表2中的值要大得多.式(7)的 适用范围是否可以推广到 如此高含沙量条件下的冲刷系数和冲刷机率的估算仍有待探讨. 3结论 从以上分析比较可得出以下结论: 冲刷系数是一个与沉降速度和含沙量相关的系数;式(7)理论上可以用来计算冲刷系数肘和冲 刷机率Ot,计算值可能比现有值要大;泥沙沉降机率O/不是一个常数,是一个表征冲淤状态的参数,应 细分泥沙冲刷机率O/和泥沙沉降机率Ol;应存在临界淤积含沙量.s和临界冲刷含沙量S;挟沙力介于 临界淤积含沙量5和临界冲刷含沙量Js时,冲淤平衡;泥沙的冲刷和淤积不是同时进行的;挟沙力方 法和切应力方法所表示的近底泥沙通量具有相似性. 上述结构是理论结果,还需要从实验和实测结构等多方面进一步验证. 65 参考文献: 4 5 6 7 8 9 [20] [21] [22] [23] 李瑞杰,罗锋,朱文谨.悬沙运动方程及其近底泥沙通量[J].中国科学E辑:技术科学,2008,38(11):1995—2000. 韩其为,何明民.恢复饱和系数初步研究[J].泥沙研究,1997,(3):32—40. 曹祖德,王桂芬.波浪掀沙,潮流输沙的数值模拟[J].海洋,1993,15(1):107—118. 侯一筠,陈沫沫,尹宝树.波浪,潮流和风暴潮耦合模式及悬浮输移规律的研究[J].海洋科学集刊,2003,45:l一9. 谈广鸣,赵连军,韦直林,等.海河口平面二维潮流水沙数学模型研究[J].水动力学研究与进展,2005,20(5):545 — 550. 张华庆,李华国,岳翠平.海河口潮流泥沙运动数值模拟及清淤研究[J].水动力学研究与进展,2002,l7(3): 3l8—326. 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Analysisonsedimentsettlingprobabilityanderosioncoefficient LIRui—jie,LUOFeng,ZHOUHua.min,QINYi (1.KeyLaboratoryofCoastalDisasterandDnce,JlfofEducation,HohaiUniversity,Nanjing,Jiangsu210098; 2.JiangsuMarineEnvironmentalMonitoringandForecastingCenter,?? ng,Jiangsu210036; 3.ZhefiangInstituteofHydraulicandEstuary,Hangzhou,Zhejiang310020) Abstract:Byanalyzingsedimentdepositionprobabilityanderosioncoefficient,thispaperdiscussedthenear- bedsedimentflux,thedefinitionoferiticaldeposition/erosionconcentrations anddeposi6on/er0sion probability.Itconcludedthatthesedimenterosioncoefficientisaparameterrelatedtothesedimentsettling velocity,concentration.andothervariables.Thedepositionprobabilityshouldbedividedintotwoparts: erosionprobabilityanddepositionprobability.Theerosionanddepositioncouldreachaftequilibriumstate whenthevalueofsediment.carryingcapacityisbetweenthecriticaldepositionconcentrationandcritical erosionconcentration.Thedepositionanderosionwillnothappenatthesametime.andthecriticaldeposition concentrationandcriticalerosionconcentrationaretheobjectiveexistence. Keywords:near—bedsedimentflux;settlingprobability;erosioncoefficient;criticaldeposition concentration:criticalerosionconcentration 1j]{1J1J6789m? r}r;rLrL