一种基于潮流环境下海湾纳潮变化量计算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于潮流环境下海湾纳潮变化量计算方法，涉及海湾围垦工程。本发明专利技术其包括海湾围垦工程实际占用的海水体积的变化量；再以海湾围垦工程实施后造成的海湾水体潮波变形所导致的海水体积变化量来修正海湾纳潮变化量的误差。本发明专利技术给出基于数值模拟计算方法的新方法，为数值模拟计算方法与传统计算方法的改进方法。它真实有效的揭示了围垦工程实施造成的纳潮变化量。在实践中并证明了相关理论，为整个海湾进行围垦工程的设计与研究奠定了基础。

A method for calculating tidal variation of Bay based on tidal current

The invention discloses a calculation method for tidal variation of Bay based on tidal current environment, which relates to reclamation project of bay. The variation of the invention includes a reclamation project in actual occupation of the water volume; error in Bay reclamation project implementation by the Bay tidal wave deformation caused by water volume change to correct Bay tidal variation. A new method based on numerical simulation is presented in this paper, which is an improved method for numerical simulation and traditional calculation. It truly and effectively reveals the tidal variation caused by the implementation of reclamation project. In practice, the relevant theories were proved, which laid the foundation for the design and research of reclamation project in the whole bay.

【技术实现步骤摘要】
一种基于潮流环境下海湾纳潮变化量计算方法
本专利技术涉及海湾围垦工程，具体涉及一种基于潮流环境下海湾纳潮变化量计算方法。
技术介绍
近年来，随着我国改革开放的不断推进，经济建设的热潮一浪高过一浪，工程建设行业也得到了前所未有的大发展。沿海地区，尤其是沿海港口城市，土地资源日超紧缺，海涂围垦工程蓬勃发展。然而在河口地区，尤其是海湾内进行围垦会造成海湾纳潮量的改变。纳潮量是海湾可以接纳的潮水体积，是一个潮周期中的最大水交换量，为海湾高潮水量与低潮水量之差。其大小直接影响着海湾水深的维持以及海湾与外海的水体交换和污染物的迁移扩散，制约着海湾的自净能力和环境容量，对维护海湾良好的生态环境至关重要。因此，研究围垦工程实施后，海湾内纳潮量的变化至关重要。现有纳潮量的计算方法主要有两种：(1)传统计算方法。即纳潮量计算可通过海湾高潮时的最大纳水体积与港湾低潮时的最小纳水体积之差求出，公式为：W＝0.5×(S1+S2)(h1-h2)式中：W为纳潮量；h1、h2分别为高、低潮位；S1、S2分别为高、低潮潮位对应的水域面积。(2)ADCP测量方法。该方法通过在半封闭海湾的湾口设计一个封闭断面直接走航测量得到进出该断面的水量(纳潮量)。(3)数值模拟方法。通过建立并验证工程海域潮流数学模型，计算出封闭湾口断面的潮位及流速流向，得到通过湾口断面的流量变化序列，再将这些流量值积分可得到海湾的纳潮量。对于传统计算方法，该方法将高低潮位之间水体默认为坡度均匀一致的斜面，存在一定的局限性(如图1所示)。同时，在计算围垦工程实施后海湾纳潮变化量时，无法考虑围垦工程造成的潮波变形情况，且当围垦工程顶高程低于高潮位或围垦工程位置水深高于低潮位时则无法计算围垦工程对纳潮量变化的影响。对于ADCP测量方法。该方法需要进行现场实测工作，除费用高之外，因海湾繁忙的船行以及较差的海况经常难于实施，即便实施测得的结果也难以做到同步而失真，需要做一定的数据修正工作。同时，ADCP测量方法只能测量现状条件下海湾纳潮量，并不能预测围垦工程实施后造成的海湾纳潮量变化。对于数值模拟计算方法，其计算误差直接取决于模型研究人员的水平。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于潮流环境下海湾纳潮变化量的计算方法，旨在给出基于数值模拟计算方法的新方法，为数值模拟计算方法与传统计算方法的改进方法。它真实有效的揭示了围垦工程实施造成的纳潮变化量。为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：一种基于潮流环境下海湾纳潮变化量计算方法，其特征在于：其包括海湾围垦工程实际占用的海水体积的变化量；再以海湾围垦工程实施后造成的海湾水体潮波变形所导致的海水体积变化量来修正海湾纳潮变化量的误差。进一步的技术方案在于，对海湾围垦工程实施后造成的海湾水体潮波变形所导致的水体体积变化量，是基于建立海湾潮流运动数学模型进行数值模拟，计算出封闭湾口断面以内水体高低潮位变化，进而得到水体体积变化量。进一步的技术方案在于，所述海湾潮流运动数学模型为：控制方程如下：其中：h＝η+d，η和d分别表示水面高度和静水深，x和y分别表示横轴和纵轴坐标，t为时间，g为重力加速度，和分别为沿x和y方向的深度平均流速，f为柯氏力系数，ρ为流体密度，ρ0为参考密度，S为点源流量，us与vs为点源流速，Tij为应力项，包括粘性应力、紊流应力和对流等，根据水深平均的流速梯度计算；底部应力由下式计算：其中：cf是拖曳力系数，是水深平均的流速；拖曳力系数可以根据Chezy系数C或Manning系数M计算，Manning系数可以根据底部糙率计算；风应力计算公式为：其中：ρa是空气密度，cd是空气拖曳力系数，是海面上10m高处的风速。进一步的技术方案在于，所述海湾纳潮变化量为：ΔW＝S工(h工1-h工2)+S河1×Δh河1+S河2×Δh河2式中：ΔW为海湾纳潮变化量；S工为围填海工程面积；h工1为围填海工程附近高潮位(当高潮位低于围垦工程堤顶高程)或围垦工程堤顶高程(当高潮位高于围垦工程堤顶高程)；h工2为围填海工程附近低潮位(当低潮位高于围垦工程附近平均水深)或围垦工程附近水深(当低潮位低于围垦工程附近平均水深)；S河1、S河2分别为高、低潮潮位对应的河口水域面积(除去围垦工程面积)；Δh河1、Δh河2分别数值模拟计算出的高、低潮潮位变化值(海湾平均)；Δh河1增加为正值，减小为负值；Δh河2增加为负值，减小为正值。采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本专利技术给出基于数值模拟计算方法的新方法，为数值模拟计算方法与传统计算方法的改进方法。它真实有效的揭示了围垦工程实施造成的纳潮变化量。在实践中并证明了相关理论，为整个海湾进行围垦工程的设计与研究奠定了基础。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。图1是传统计算方法断面示意图；图2是围垦工程前示意图(图中灰色为海域，白色为陆域或岛屿)；图3是围垦工程后示意图(图中灰色为海域，白色为陆域或岛屿)；图4是围垦工程占用海湾纳潮水体体积示意图(图中灰色水体)；图5是实测潮位及流速流向测站示意图；图6是网格示意图；图7是潮位验证图；图8是流速流向验证图；图9是表1的特征点布置图。具体实施方式下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术，但是本专利技术还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本专利技术内涵的情况下做类似推广，因此本专利技术不受下面公开的具体实施例的限制。本专利技术提供了一种基于潮流环境下海湾纳潮变化量计算方法，其特征在于：其包括海湾围垦工程实际占用的海水体积的变化量；再以海湾围垦工程实施后造成的海湾水体潮波变形所导致的海水体积变化量来修正海湾纳潮变化量的误差。优选的，对海湾围垦工程实施后造成的海湾水体潮波变形所导致的水体体积变化量，是基于建立海湾潮流运动数学模型进行数值模拟，计算出封闭湾口断面以内水体高低潮位变化，进而得到水体体积变化量。优选的，所述海湾潮流运动数学模型为：控制方程如下：其中：h＝η+d，η和d分别表示水面高度和静水深，x和y分别表示横轴和纵轴坐标，t为时间，g为重力加速度，和分别为沿x和y方向的深度平均流速，f为柯氏力系数，ρ为流体密度，ρ0为参考密度，S为点源流量，us与vs为点源流速，Tij为应力项，包括粘性应力、紊流应力和对流等，根据水深平均的流速梯度计算；底部应力由下式计算：其中：cf是拖曳力系数，是水深平均的流速；拖曳力系数可以根据Chezy系数C或Manning系数M计算，Manning系数可以根据底部糙率计算；风应力计算公式为：其中：ρa是空气密度，cd是空气拖曳力系数，是海面上10m高处的风速。优选的，所述海湾纳潮变化量为：ΔW＝S工(h工1-h工2)+S河1×Δh河1+S河2×Δh河2式中：ΔW为海湾纳潮变化量；S工为围填海工程面积；h工1为围填海工程附近高潮位(当高潮位低于围垦工程堤顶高程)或围垦工程堤顶高程(当高潮位高于本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于潮流环境下海湾纳潮变化量计算方法，其特征在于：其包括海湾围垦工程实际占用的海水体积的变化量；再以海湾围垦工程实施后造成的海湾水体潮波变形所导致的海水体积变化量来修正海湾纳潮变化量的误差。

【技术特征摘要】
1.一种基于潮流环境下海湾纳潮变化量计算方法，其特征在于：其包括海湾围垦工程实际占用的海水体积的变化量；再以海湾围垦工程实施后造成的海湾水体潮波变形所导致的海水体积变化量来修正海湾纳潮变化量的误差。2.根据权利要求1所述的一种基于潮流环境下海湾纳潮变化量计算方法，其特征在于：对海湾围垦工程实施后造成的海湾水体潮波变形所导致的水体体积变化量，是基于建立海湾潮流运动数学模型进行数值模拟，计算出封闭湾口断面以内水体高低潮位变化，进而得到水体体积变化量。3.根据权利要求2所述的一种基于潮流环境下海湾纳潮变化量计算方法，其特征在于：所述海湾潮流运动数学模型为：控制方程如下：

【专利技术属性】
技术研发人员：李文丹，
申请(专利权)人：交通运输部天津水运工程科学研究所，
类型：发明
国别省市：天津,12