长江口潮流摩阻流速和粗糙长度计算方法探讨.docx

1、第30卷第4期2010年8月水文JOURNALOFCHINAHYDROLOGY一as：Vol.30No.4Aug.,2010长江口潮流摩阻流速和粗糙长度计算方法探讨乔红杰二张静怡二徐小明2(1.河海大学水文水资源学院，江苏南京210098；2.河海大学理学院，江苏南京210098)摘要：在研究河口区域水流垂线流速分布规律时，厚阻流速和粗糙长度是描述水流摩阻特性的两个重要的物理量，并在物理内涵上反映了水流的摩阻特性。本文通过对5种计算摩阻流速u及粗糙长度Z。的方法分析研究，选择卡曼-普朗特方法和对数抛物方法作为本文计算摩阻流速和粗糙长度的方法。通过对长江口海螺码头水域和王子码头水域的实测资料计算

2、，并对计算所得到的丁和乙)进行一致性和相关性分析，以及对各层实测流速与计算流速过程线的比较，得到对数抛物方法是计算长江口潮流的u*和乙最佳方法的结论。关键词：摩阻流速；粗糙长度；卡曼-普朗特方法；对数抛物方法中图分类号:P731.23文献标识码:A文章编号:1000-0852(2010)04-0023-051前言要的变量。若令也=仍二因其具有流速的量纲，称收稿日期：2009-05-18作者简介：猝红杰(1985-),男，河南南阳人，硕士研究生，研究方向为水文学及水资源。改革开放以来，长江口具有的特殊的地理位置优势为该地区经济的迅猛发展创造了条件。为满足经济飞速发展的需要，近年来，该河段内布设了

3、大量的水运工程及多座跨江大桥，准确掌握工程水域水流的三维流态对这些工程的建设至关重要，而水域的垂线流速分布是施工中需要的基本参数。由于河口区域的水流受到海洋潮流的影响，水下地形比较复杂，水流的运动变化规律难以把握，因此要想准确掌握水流的三维流态，必须认真分析影响该区域水流的各种因素，比如：摩阻流速、粗糙长度、涡粘性系数、河段的冲淤情况等。在研究河口区域水流垂线流速分布规律时，摩阻流速及粗糙长度是两个重要的物理量，在物理内涵上反映了水流的摩阻特性。本文通过对5种计算摩阻流速及粗糙长度的方法对比研究，选出较为合理的计算方法，结合长江门实测水文资料进行计算，对二者进行一致性和相关性分析，从而选出适合

4、长江口水域情况的最优的计算方法，为生产实践的需要提供参考。2基本原理在河流水沙运动过程中，摩阻流速是一个极为重其为摩阻流速。式中：丁。为边界处的切应力;p为水的容重。河床的粗糙长度是研究河口海岸沉积物运移及水流结构的重要因素，它由颗粒粗糙度、底形粗糙度和推移质粗糙度组成叫下面列出了5种平时用到的计算摩阻流速及粗糙长度的方法，并分析了各自的优缺点：(1) 卡曼-普朗特方法是一种传统的流速分布公式，其表达式为：兮修)(1)式中斗为流速；卡曼系数k=0.4；z为测点距离底床的水深。(2) 对数线性方法囹是从流体动力学原理出发，运用普朗特混合长度及卡曼自相似理论建立的一种适合于河口海岸近底层区域的潮流

5、速分布公式，其表达式为:”=汁(务-半式中为水深；参数a则反映了潮流加速度对流速剖面的影响。(3) 对数抛物方法闫是依据潮流运动的表面边界条件，在对数线性模式的基础上扩展研究得到，其表达式为：式中:A为一假定参数，其所表示的意义见文献5。(4) 素动动能耗散率法是在均匀、纯剪切流动过程中，雷诺应力对时均流速做功的紊动动能产生率等于紊动动能耗散率若将紊流脉动流速分别沿x、y方向的分量设为四，即u；会，利用时均流速对数分布公式可导出以下关系式：u=(eKz)(4)(5) 近底两层流速时间系列估计粗糙长度法是假定在距离河床乙=0.34m和Z2=1.0m处测得的流速询和也满足对数分布，且其值仅随时间间

6、隔的不同变化。若假设粗糙长度在一定时间内是常数，则底层流速与上层流速成线性关系。用最小二乘法求粗糙长度，记回归方程斜率为a,得吉(5)天然河道中，常用的垂线流速分布公式有抛物公式、对数公式、椭圆公式等。以上所列举的5种方法中，应用卡曼-普朗特方法估算“和是在半对数流速分布图上用最小二乘回归法适线，建立”依Inz的回归方程，并依据该回归方程的斜率及截距计算出s和%的估值。对数线性方法在近底Im内计算精度较高向，对于本文所研究的水域的垂线布置点的水深普遍超过7m,故本文将不采用该方法，而对于对数抛物方法，利用实测流速资料，运用枚举法结合最小二乘法进行拟合求解吐对于枚举的值，用区间定位法同找到符合目

7、标函数的值，研究表明它适用于全水深叫是一个实用的典型的潮流速分布模式。对于紊动动能耗散率法计算“*,由于紊动动能耗散率与测点位置的关系式确定起来比较困难，该方法在应用上存在不便。对于近底两层流速时间系列估计粗糙长度,计算方法虽然很有可取性，但由于它仅计算出单一的乙值，无法用之计算摩阻流速值，这将导致在分析二者的一致性及相关性时出现较大的误差，故本文也将不采用该方法。3实例分析针对所选取的计算摩阻流速和粗糙K度的两种方法，即卡曼-普朗特方法(简称卡曼方法)及对数抛物方法，本文选取长江口海螺码头水域及王子码头水域的实测资料进行分析，比较二者的优劣性。长江河口属于中等强度的潮汐河口，河口内潮流受地形

8、影响.属于非正规半日浅海潮，潮波变形明显”海螺码头与上游的王子码头相隔大约15km,所测数据可以较好的反映长江口潮水河段的水文特性。两码头水域测流垂线布置情况如图1所示。图】两码头水域垂线布置图Fig.1Theverticaldispo)crMsofsedimentdischargeoftheYanheriverJ|.YellowRiver.2008.(inChinese)|3|井涌.无定河径流-致性及人类活动定fit影响分析A.水生态监测与分析学术论坛论文集C.济南：山东地图出版社.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页）Yi-xin.Preliminarystudyonthetidalvelocityprofileinthenear-x)ltomlayerintheestuaryandcoastwatersJJJounialofSedimentResearch.2OO6,(l):25-31.(inChinese)(5J郝嘉凌.宋志尧，等.河门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,宋志尧，等.挟沙能力公式的最佳确定

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，等译.神经网络设计M|.北京：机械工业出版社.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