江苏省辐射沙漠潮流水道的伐沙力计算分析

江苏省辐射沙漠潮流水道的伐沙力计算分析

1辐射沙海域诸水、沙在悬沙运行方法中，床面处的泥沙量由水流输送能力表示，反映了水流在特定环境（水流条件、水物理和沉积物物理）下可运输水分的能力。这是研究沉积物沉淀和输送的重要因素。在河流、河口、海域的水体含沙量,一般并不等于其挟沙能力,有时为非饱和,含沙量小于其挟沙能力;有时为超饱和,含沙量大于其挟沙能力,含沙量与其挟沙能力间的关系可由窦国仁悬沙输送方程式来表示。国内外泥沙科学工作者对水流挟沙力问题进行了广泛研究和应用[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14],并在研究中得到了许多挟沙力公式。这些公式的使用,都具有一定的针对性,用不同的挟沙力公式对同一个具体问题对比计算结果往往有或多或少的差别。我国河口和海岸多为粉沙和淤泥所覆盖,在潮流和波浪共同作用情况下,泥沙极易悬浮和输移,因而对潮流和波浪共同作用下的挟沙能力规律的研究,在学术上和应用上均有重要意义,窦国仁根据能量叠加原理,将潮流和波浪作用下的悬浮泥沙的能量相加,从理论上导出了潮流和波浪共同作用下的挟沙力规律。验证资料表明,所得规律具有普遍性,可用于不同河口和海域。表达关系如式(1)所示:SD=α0γsγγs-γ(U3C2Ηω+β0Η2hΤω)(1)SD=α0γsγγs−γ(U3C2Hω+β0H2hTω)(1)式中,C是谢才系数,h是水深,ω是沉降速度,U是潮流速度,γs是悬沙容重,γ是海水容重,H和T分别表示平均波高和平均波周期。系数α0、β0由实验室和现场测量资料进行率定。根据大量河口、海岸海域大量实测资料,窦国仁率定得到,α0=0.023,β0=0.0004。谢签衡根据能量平衡原理,建立了著名挟沙力公式(2)。SX=Κ0(0.1+90ωU)(U3gΗω)m(2)SX=K0(0.1+90ωU)(U3gHω)m(2)式中:K0=0.245;m=1.0;g是重力加速度,g=9.8m/s2;U是流体垂线平均流速,h表示水深,ω为悬沙颗粒沉降速度,单位m/s。该关系式广泛应用于潮流作用为主河口海岸挟沙力的计算。张红武引入了床沙中值粒径D50得到了河流水道挟沙力公式(3):S*=0.14(U3gΗωlnh6D50)0.6(3)S∗=0.14(U3gHωlnh6D50)0.6(3)该公式使对不同河床条件下适用性有所提高。曹祖德从边界层理论出发引入床面剪切力概念,进一步以能量理论导出了波、流共存时的水体挟沙力公式,并利用现场资料得出有关系数。S*=αγsγγs-γ(uc+βuw)3ghωs(4)S∗=αγsγγs−γ(uc+βuw)3ghωs(4)根据实际测量资料分析,淤泥质取:α=4.5×10-5,β=0.5;粉沙质海岸取:α=5.7×10-5,β=0.6;沙质海岸取:α=6.9×10-5,β=0.7。尽管有关挟沙力研究成果颇丰,但针对江苏省辐射沙洲海域诸水道水流挟沙力的研究还没有效开展起来,本文在回顾、分析上述我国有关挟沙力研究成果的基础上,利用比较分析方法,率定得出江苏省辐射沙洲海域诸水道挟沙力计算式。江苏省重点课题《条子泥促淤并陆工程实验研究》对辐射沙洲腹地海域主槽和中心沙滩水道的潮流、泥沙进行了图1所示的多站位(30个站次)现场准同步测量。对每个站位进行连续两个潮周期的时序测量。水文测量方法是,潮流流速测量采用重庆水文仪器厂生产的ZSX-3型直读流速仪对潮流流速、流向进行连续两个潮周期(25h)的分层时序测量,分层测量间隔为1h。测量分6层(水面下0.5m处,0.2h,0.4h,0.6h,0.8h,底床上0.5m处,h为实测水深)。同时在相应各层进行水体含沙量的测量。含沙量测量方法采用水的点采样法:悬沙取样采用传统双开口采样容器,对从野外采集的水样在实验室里用过滤法测定含沙量采样,使用孔径为0.45μm,直径为6cm的高分子微孔滤膜进行过滤处理。过滤前,将滤膜置于过滤器内,用量筒取1L混合均匀的水样,到入过滤筒内,打开真空泵、过滤。待水样完全通过后,需用蒸馏水冲洗滤膜,过滤筒三次,以去除盐分。悬沙均被保留在滤膜上,将附着过滤后的滤膜烘干,称重,最后计算出水体各层含沙量。并利用风速仪对海面风速、风向(海面上3m左右)进行了测量。2辐射沙湖周边自来水输送沙的强度关系研究2.1中值沉降速度的确定各站位底质中值粒径(现场床沙底质采样,在实验室用法国产CILAS940L型激光粒度仪进行沉积物粒度测量而得)如表1所示。根据本海区的平均盐度和平均温度值可计算得出该海区海水密度约为γ=1023kg/m3,泥沙颗粒的比重取为γs=2650kg/m3。谢才系数的计算C=h1/6/n,n为Manning系数,n=0.02,h为水深。深水和浅水风浪要素的计算参照邵守良的研究成果和港口工程技术规范来设计、编制程序进行计算而得。沉降速度用悬沙中值沉降速度ω=1.777×10-3c1.37z1.37z来计算。中值沉降速度ω(m/s)的定义如下:如重量有50%的样品(悬浮物)因低于某一沉降速度而沉淀出来,那么该沉降速度就定义为中值沉降速度ω。乐肯堂等利用该中值沉降速度表达式在辐射沙洲海域进行了泥沙沉积输运数值模拟研究,模拟结果与实际测量、遥感解译结果一致性程度较好,说明该式在辐射沙洲海域是适应的。2.2中利用联系式公式进行计算式(1)、谢鉴衡挟沙力公式(2)、张红武挟沙力公式(3)、曹祖德挟沙力公式(4)四个泥沙输运研究中常用的挟沙力公式进行计算对比。图2是陈家坞槽水道典型站位四家挟沙力公式计算结果的比较。图2可见,各挟沙力公式计算结果过程曲线变化趋势一致,说明公式间存在着内在本质的必然联系。上述4个公式都是经过实践检验的适应性较好的公式,各挟沙力公式计算结果的过程曲线变化趋势一致,这在一定程度上说明,上述4个挟沙力公式也适用于海域水道的潮流挟沙力的计算。比较4挟沙力公式计算结果会发现,挟沙力随流速的增加而增加,当流速较大时,4个公式的计算结果相差较大,曹祖德挟沙力公式(4)计算结果相比较最大,谢鉴衡挟沙力公式(2)计算结果相对最小,张红武挟沙力公式(3)和窦国仁挟沙力公式(1)计算结果居中且较为接近。当流速较小时,4个挟沙力公式计算结果基本一致。在缺乏必要的证据来说明哪一个公式更适合该海域水道挟沙力计算时,用统计方法取其算术平均值作为挟沙力结果是减小误差的一个选择。对于选择哪些公式的计算结果进行平均,在此需要对各公式之间的关系作具体的分析后才能决定。利用上述4个挟沙力公式对西洋水道、豆腐渣腰门水道4#~12#站位、陈家坞槽水道的13#~15#站位的连续两个潮周期的测量数据(取样测量间隔为1h)进行相应的挟沙力计算。记窦国仁挟沙力公式计算结果为SD,谢鉴衡挟沙力公式计算结果为SX,张红武挟沙力公式计算结果为SZ,曹祖德挟沙力公式计算结果为SC。图3表示的是SX~SD,SC~SD,SC~SX之间的对应关系及拟合曲线。它们之间呈相关关系较好的线性关系,相关系数在0.98左右。这三个公式间联系性更强,差别也许是在系数的选择上。SX=0.440SD+0.191‚R=0.975SC=1.065SD+0.190,R=0.989SX=0.440SD+0.191‚R=0.975SC=1.065SD+0.190,R=0.989SC=2.34SX-0.21,R=0.981SC=2.34SX−0.21,R=0.981SD,SX,SC与SZ计算结果呈二次方关系,如图4所示。SD=0.2-0.299SΖ+0.628S2Ζ‚R2=0.929SX=0.053+0.198SΖ+0.227S2Ζ‚R2=0.955SC=0.081+0.166SΖ+0.598S2Ζ‚R2=0.972SD,SX,SC与SZ计算结果呈二次方关系,因此,本文选择线性相关的SD,SX,SC进行算术平均来进行辐射沙洲海域水道挟沙力的计算和推演应更合理些。2.3u315#站位与u3/gh之间的关系各挟沙力公式最显著的共同之处在于决定挟沙力的大小的最关键因素仍然是水流紊动扩散作用与重力作用之比U3/(ghω),U3/(ghω)定义为水力因子。其中,U为水流流速垂线平均值,资料研究发现其值可从表层流速拟合而得。图5是SD,SX,SC与水力因子U3/(ghω)之间的关系。SD=0.081U3/(ghω)-0.104‚R=0.993SX=0.036U3/(ghω)+0.137‚R=0.981SC=0.087U3/(ghω)+0.055‚R=0.998显然SD,SX,SC与水力因子U3/(ghω)之间呈现出良好的线性相关。根据上文所述,取S*=(SD+SX+SC)/3作为辐射沙洲海域潮流水道水流挟沙力之值,根据实测资料来构建诸潮流水道S*与水力函数之间简要关系。4#~15#站位S*与U3/(ghω)之间有如图6所示的对应关系。二者之间的拟合关系为:S*=0.0681U3/(ghω)+0.0295,R=0.9985(5)本式可用来计算4#~15#站位所在水道的水流挟沙力。常数项可看作是背景挟沙力,可理解为静水状态下的平均挟沙力,这是潮流水道所应显示的特征,体现的是泥沙运动的惯性特征。2.4(5)cz与s#的关系为比较起见,把垂线平均流速U、垂线平均含沙量Cz与对应S*的潮过程曲线绘在同一图中,图7~图8是各站位连续2个潮周期的各量对应过程曲线,U为正值表示对应涨潮垂线平均流速,U为负值表示对应落潮垂线平均流速。在江苏辐射沙洲海域,各水道水流是呈周期性变化的潮流,水深也呈潮周期性的变化。流速、水深的变化导致的泥沙悬浮上扬、沉积下降呈准周期交替进行,而这些变化都需要一个时间过程即存在着动力的滞后性。这样含沙量CZ与挟沙力S*就不能象恒定的河流、沟渠里的水流那样是对应一致的。从图7~图8可见S*的变化大体超前于CZ的变化,在涨潮过程尤为明显。在邻近辐射沙洲腹地水道由于落潮归槽水挟带较多的泥沙,在落潮的一定阶段里CZ的变化稍超前于或一致于S*变化。在流速较大处前后,CZ与S*较为接近,甚至相等。15#站位由于远离沙洲,背景悬沙含量较小,CZ更能体现S*变化,从而在较长的时间里,CZ与S*较为接近,该站位较能说明、验证挟沙力关系式(5)在本海区潮流水道的适用性。2.5s#24#站位的测量与分析利用上述挟沙力关系式进行计算时,沉降速度是一个较难确定而又不得不先行计算的量。为避开这一问题,可建立S*与U3/h或S*与U2/h的拟合关系,拟合关系如图9和图10所示。S*与U3/h的线性相关关系:S*=3.96U3/h+0.117,R=0.931(6)S*与U2/h的二次相关关系:S*=0.152+3.467(U2/h)+5.159(U2/h)2,R2=0.901(7)二式的相关性都较大,S*与U2/h的二次相关关系相关性更大些。把4#~24#站的连续两个潮周期测量及处理数据重复上述拟合过程可得到相应的挟沙力拟合关系式,S*与U3/(ghw)之间有如图11所示的对应关系。拟合关系为:S*=0.0645U3/(ghω)+0.025,R=0.994(8)S*与U2/h与之间对应关系如图12所示。拟合关系为:S*=9.89U2/h+0.028,R=0.83(9)图12可见,S*与U2/h与之间的相关性较差,说明16#~24#站位所在水道水流挟沙力表达可能和4#~15#站位所在水道挟沙力表达是有所区别的。为此,把16#~24#站位的测量及处理数据进行单独拟合,得到如图13、14所示的对应关系及相应的拟合曲线。S*与U3/(ghω)之间拟合关系:S*=0.065U3/(ghω),R=0.999(10)S*与U2/h与之间拟合关系:S*=14.24U2/h+0.03,R=0.93(11)显然,这样处理拟合结果相关性较强,拟合效果较好,说明16#~24#站位所在水道的水流挟沙力表达形式有其特殊性,和4#~15#站位所在水道的水流挟沙力表达形式是有一定区别的,(10)式没有常数项体现的是所在潮流水道位于水体较清的辐射沙洲外围深水海域的缘故,即所谓的“背景挟沙力”很小。利用式(5)~(11)可进行江苏辐射沙洲海域潮流水道水流挟沙力的计算。这些表达式是对上述三个海岸挟沙力公式算术平均处理的基础上而得到的,这样处理可以在一定程度上减小各公式的局限性所带来的误差。另外,根据实测数据拟合所得的挟沙力计算式更能符合江苏辐射沙洲潮流水道的实际情况,所得挟沙力计算式更为简单,这方便于计算使用。从有波浪作用的挟沙力计算公式得到相关性较好的无波浪作用的(5)~(11)式,说明江苏辐射沙洲主要潮流水道的挟沙力受波浪影响作用较小。强调的是上述所测站位都是位于潮流水道的中心深水区域,如果是在大风情况下或在浅水区域波浪的影响可能明显起来。波浪作用对挟沙力的影响可能体现在(5)~(11)式所谓“背景挟沙力”常数项上。3#24#站的水文测量与计算利用4#~15#站位测量数据及对应计算结果计算拟合得出了西洋水道、豆腐渣腰门水道、陈家坞槽水道的挟沙力关系式。并对挟沙力关系式在4#、15#站位进行