一种预测砂-泥混合型浅海负地形地貌稳定形态的方法以及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种预测砂

【技术实现步骤摘要】
一种预测砂
‑
泥混合型浅海负地形地貌稳定形态的方法以及系统


[0001]本专利技术涉及地貌稳定形态的解析模型，特别是涉及一种砂
‑
泥混合型浅海负地形地貌稳定型态的解析模型方法。

技术介绍

[0002]在河口海岸和近海环境中，由于岛屿、岬角等突体在一定程度上改变了局部潮流特征，往往发育有冲刷槽、潮沟、汊道等负地形，其主轴线与当地往复潮流的方向相一致，水深比周边水域大数米甚至数十米。不同区域环境下负地形的长度、宽度和深度等地貌形态特征的变化幅度可达数个量级。因其较大的水深，往往成为天然的港口航道资源，其在潮流动力作用下可以达到的地貌稳定形态亦是跨海桥梁建设、海底管道埋设等工程规划设计中必须考虑的一个重要参数。因此，预测在当地潮流动力和沉积物条件下能够达到的地貌稳定形态具有重要的现实意义。
[0003]虽然近年来浅海地貌动力数值模拟已有了一定进展，然而此类模型需要采用复杂的边界条件和输入参数，一般为平面二维或三维形式，进行长历时地貌演变的模拟计算和预测时往往需要消耗极长的计算时间，且计算较长时间后容易因累积误差而造成计算结果不稳定甚至系统崩溃。河口海岸和近海环境的沉积物往往由砂质和泥质沉积物的混合体组成，很少存在全部由砂质或泥质沉积物组成的负地形。不同区域的砂质和泥质沉积物组分的百分含量是不一样的，而砂质和泥质沉积物的输运规律及相应的计算方法有着明显区别。因此目前还缺乏针对砂
‑
泥混合型浅海负地形地貌稳定形态预测的专门研究方法。

技术实现思路

[0004]为了预测砂
‑
泥混合型浅海负地形动力地貌，本申请提供了一种预测砂
‑
泥混合型浅海负地形地貌稳定形态的方法。
[0005]一种预测砂
‑
泥混合型浅海负地形地貌稳定形态的方法，包括以下步骤：
[0006]根据砂
‑
泥混合型浅海负地形水域的地形数据，建立坐标系，构建地貌演变连续方程；
[0007]根据沉积物与水的相对密度、沉积物中值粒径以及涨、落潮的流速特征值计算砂质沉积物的输运率；
[0008]根据冲刷系数、沉积物的沉降切应力以及水流切应力计算所述泥质沉积物的冲刷通量，根据沉积物沉降速度、水体含沙量、沉积物的沉降或起动临界切应力以及水流切应力计算所述泥质沉积物的沉降通量，并根据沉积物的冲刷通量和沉降通量计算泥质沉积物的输运率；
[0009]每一潮周期根据砂、泥组分的百分含量、所述砂质沉积物的输运率以及泥质沉积物的输运率计算总沉积物输运率，并根据地貌演变连续方程和所述总沉积物输运率计算床面高程；
[0010]根据沿程的总沉积物输运率获得每一潮周期的总沉积物输运率的空间变化，若所述总沉积物输运率的空间变化大于设定值，说明没有达到地貌稳定形态，则更新数据，这里具体指根据涨、落潮的流速特征值，计算新的总沉积物输运率的空间变化，直到总沉积物输运率的空间变化小于等于设定值，停止总沉积物输运率和床面高程的计算；
[0011]结合所述床面高程，刻画砂
‑
泥混合型浅海负地形地貌稳定形态下的地貌，并预测负地形冲刷或淤积的趋势，评估砂
‑
泥混合型浅海负地形的地貌稳定性。
[0012]进一步地，计算砂质沉积物的输运率，具体包括：
[0013][0014]其中，C
z
为谢才系数，
△
为沉积物与水的相对密度，α为校正系数，D
50
为沉积物中值粒径，U为涨潮或落潮的流速特征值，q
s
为砂质沉积物的输运率。
[0015]进一步地，计算泥质沉积物的输运率，具体包括：
[0016]q
m
＝E
‑
D
[0017]其中，q
m
为泥质沉积物的输运率，E、D分别为泥质沉积物的冲刷量和沉降通量，
[0018]当τ>τ
c
时，
[0019]当τ<τ
c
时，
[0020]其中，M为冲刷系数，τ
c
为沉积物的沉降或起动临界切应力，c为水体含沙量，w
s
为沉积物沉降速度；τ为水流切应力。
[0021]进一步地，所述水流切应力的计算方式为：
[0022][0023]其中，ρ
w
为水密度，g为重力加速度。
[0024]砂质沉积物的运输规律与泥质沉积物有明显区别，计算输运率时就要考虑到不同的沉积物组分类型的影响，本方案在计算砂质沉积物和泥质沉积物各自的输运率后，再根据各自分别的占比计算负地形中总的沉积物输运率。
[0025]进一步地，计算床面高程还包括：利用Lax显式格式离散所述地貌演变连续方程。
[0026]进一步地，建立坐标系具体包括：以砂
‑
泥混合型浅海负地形的低点为坐标原点，以负地形的水流方向为横坐标。
[0027]本申请还公开了一种预测砂
‑
泥混合型浅海负地形地貌稳定形态的系统，包括：
[0028]模型坐标单元，用于根据砂
‑
泥混合型浅海负地形水域的地形数据，建立坐标系，构建地貌演变连续方程；
[0029]数据存储单元，用于根据沉积物与水的相对密度、沉积物中值粒径以及涨落潮的流速特征值计算砂质沉积物的输运率；
[0030]计算单元，根据冲刷系数、沉积物的沉降切应力以及水流切应力计算所述泥质沉积物的冲刷通量，根据沉积物沉降速度、水体含沙量、沉积物的沉降切应力以及水流切应力
计算所述泥质沉积物的沉降通量，并根据沉积物的冲刷通量和沉降通量计算泥质沉积物的输运率；每一潮周期根据砂泥组分的含量、所述砂质沉积物的输运率以及泥质沉积物的输运率计算总沉积物输运率，并根据地貌演变连续方程和总沉积物输运率所述总沉积物输运率计算床面高程；
[0031]比较单元，比较所述总沉积物输运率的空间变化与设定值的大小，当总沉积物输运率的空间变化小于等于设定值时，停止计算；
[0032]地貌刻画预测单元，用于结合所述床面高程和总沉积物输运率，刻画砂
‑
泥混合型浅海负地形地貌稳定形态下的地貌，并预测负地形冲刷或淤积的趋势，评估砂
‑
泥混合型浅海负地形的地貌稳定性。
[0033]进一步地，所述计算单元包括砂质沉积物的输运率计算单元，具体计算方法为：
[0034][0035]其中，C
z
为谢才系数，
△
为沉积物与水的相对密度，α为校正系数，D
50
为沉积物中值粒径，U为涨落潮的流速特征值，q
s
为砂质沉积物的输运率。
[0036]进一步地，所述计算单元包括泥质沉积物的输运率计算单元，具体计算方法为：
[0037]q
m
＝E
‑
D
[本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种预测砂
‑
泥混合型浅海负地形地貌稳定形态的方法，其特征在于，包括以下步骤：根据浅海负地形沿程的地形数据，构建基于砂
‑
泥混合沉积物输运率计算的地貌演变连续方程；根据沉积物中值粒径、沉积物与水的相对密度以及涨落潮流速计算砂质沉积物的输运率；根据冲刷系数、沉积物沉降或起动临界切应力以及水流切应力计算所述沉积物的冲刷通量，根据沉积物沉速、水体含沙量、沉积物的沉降或起动临界切应力以及水流切应力计算所述沉降通量，并根据所述沉积物的冲刷通量和沉降通量计算泥质沉积物的输运率；每一潮周期根据砂
‑
泥组分的百分含量、所述砂质沉积物的输运率以及泥质沉积物的输运率计算总沉积物输运率，并根据地貌演变连续方程和所述总沉积物输运率计算床面高程变化；根据沿程的总沉积物输运率获得每一潮周期的总沉积物输运率的空间变化，若所述总沉积物输运率的空间变化大于设定值，则更新数据，计算新的总沉积物输运率的空间变化，直到总沉积物输运率的空间变化小于等于设定值，停止总沉积物输运率和床面高程的计算；结合所述床面高程，刻画浅海负地形地貌稳定形态下的地貌，评估负地形的地貌稳定性，并预测负地形的冲刷或淤积的趋势。2.根据权利要求1所述的预测砂
‑
泥混合型浅海负地形地貌稳定形态的方法，其特征在于，计算砂质沉积物的输运率，具体包括：其中，C
z
为谢才系数，
△
为沉积物与水的相对密度，α为校正系数，D
50
为沉积物中值粒径，U为涨落潮的流速特征值，q
s
为砂质沉积物的输运率。3.根据权利要求1所述的预测砂
‑
泥混合型浅海负地形地貌稳定形态的方法，其特征在于，计算泥质沉积物的输运率，具体包括：q
m
＝E
‑
D其中，q
m
为泥质沉积物的输运率，E、D分别为沉积物的冲刷量和沉降通量，当τ>τ
c
时，当τ<τ
c
时，其中，M为冲刷系数，τ
c
为沉积物的沉降或起动临界切应力，c为水体含沙量，w
s
为沉积物的沉降速度；τ为水流切应力。4.根据权利要求3所述的预测砂
‑
泥混合型浅海负地形地貌稳定形态的方法，其特征在于，所述水流切应力的计算方式为：
其中，ρ
w
为水密度，g为重力加速度，U为涨潮或落潮的流速，C
z
为谢才系数。5.根据权利要求4所述的预测砂
‑
泥混合型浅海负地形地貌稳定形态的方法，其特征在于，计算总沉积物输运率，具体为：q
sm
＝φ
s
q
s
+φ
m
q
m
其中，φ
s
...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢东风，黄君宝，王珊珊，胡成飞，董伟良，严聿晗，
申请(专利权)人：浙江省水利河口研究院浙江省海洋规划设计研究院，
类型：发明
国别省市：