【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种海岸沙丘平面二维风沙输沙率的模拟计算方法，属于海岸沙丘保护修复和风沙防治领域。
技术介绍
1、随着全球气候变化与海平面上升，风暴潮引起的越浪、洪水风险加剧，导致海岸防灾减灾压力骤增。海岸沙丘是抵御海岸洪水的最后一道防线，对于沿海地区生命财产安全具有重要的保护作用。砂质海岸沙丘保护修复已成为海岸带保护修复工程最重要的建设内容之一。
2、海岸风沙运动是指在风的驱动下，近底泥沙主要以跃移的方式运动，是海岸沙丘沉积物交换的主要过程。在不同的动力条件下，风沙运动引起海岸沙丘地形快速(或缓慢)的变化。虽然在风暴潮期间，海岸泥沙运动以水沙运动为主，但是在常浪(或风暴恢复间隔)期间，风沙运动则占据主导作用。对风沙输沙率的准确计算是成功模拟海岸沙丘地形演变的前提条件，是海岸沙丘保护修复的必然要求。然而，海岸风沙运动是复杂的。在时间尺度上，由于风动力的高度随机性，导致风沙运动具有高度的动态性；在空间尺度上，由于实际海岸上沙丘地形复杂，地貌元素丰富，与风场之间的耦合作用使得风沙输沙率的计算更为繁琐。
3、现阶段风沙运动模拟的瓶颈在于目前大部分试验还是处在模拟垂直岸线的入射风作用下、沿某一特定剖面方向上的风沙输沙率[1]，而实际海岸上的风往往是与岸线呈以一定角度入射的，这其中涉及到了沿岸泥沙的交换过程，对于一个平面区域上的风沙输沙率则没有相应的模拟计算方法。针对实际海岸上的风与岸线呈以一定角度入射，国内外现有的模型只是模拟以一定角度入射沙丘的二维风场，并未涉及输沙率计算或只是模拟一维风场下不同位置处的输沙率。本
4、[1]roelvink,d.,&costas,s.(2019).coupling nearshore and aeolianprocesses:xbeach and duna process-based models.environmental modelling&software,115,98-112.
技术实现思路
1、本专利技术提供一种海岸沙丘平面二维风沙输沙率的模拟计算方法，实现在以一定角度，一定高度入射海滩的风在经过滩面不同高程地形下，产生的风速变化、风向偏转以及输沙率的计算。
2、本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
3、一种海岸沙丘平面二维风沙输沙率的模拟计算方法，具体包括以下步骤：
4、步骤s1：读取海岸地形、边界、平面三角形网格以及关键字文件，获取海岸地形数据、泥沙代表粒径、边界处的风速数据；
5、步骤s2：设定x方向代表向离岸方向，且离岸方向为正方向；y方向代表沿岸方向，且下游方向为正方向；z方向为地形高程方向，且竖直向上为正；假设位于边界处的风以预设角度入射海岸，为入射方向与x轴正方向形成的夹角；
6、其中表征风剪切应力在地形剖面上分布的公式为：
7、
8、公式(1)和公式(2)中，表示x方向上的表面剪切应力扰动值，表示y方向上的表面剪切应力扰动值，表示地面高程在x方向上的偏导数，表示地面高程在y方向上的偏导数；
9、步骤s3：采用平面三角形网格计算地形高程梯度与
10、步骤s4：基于步骤s3获取的地形高程梯度，在拟计算风速的平面三角形网格节点(x,y)上沿着x轴以及y轴分别做剖面，在剖面上取等间距的插值节点，在插值节点上对与分别插值，以获得平面三角形网格任意位置处的地形高程梯度；
11、步骤s5：将剖面上的任意插值节点记为(x0，y0)，选取离(x0，y0)最近的四个网格节点(xi，yi)，并计算其平均值作为插值节点处的函数值；
12、步骤s6：基于步骤s5获得的插值节点上的函数值，对公式(1)和(2)在x剖面与y剖面上进行积分算出待求点(x,y)某一高度处的风速分量：
13、
14、
15、此处的待求点(x,y)某一高度处指的是与实际海岸上测量风速的风速仪等高的高度；
16、步骤s7：根据步骤s1获得的泥沙代表粒径计算近底临界起动风速：
17、
18、公式(10)中，u*t为近底临界起动风速，a为经验系数(取0.08)，ρp[kg/m3]为泥沙颗粒密度，ρa[kg/m3]为空气密度，dn[m]为泥沙代表粒径；
19、步骤s8：通过壁面函数将近底临界起动风速转化为一定高度处的临界起动风速：
20、ut＝bu*t (11)
21、
22、公式(11)和公式(12)中，z’为近底粗糙高度，即理论风速为0的高度，κ为卡门常数，取0.4；
23、步骤s9：计算风沙输沙率：
24、
25、其中，c是粒径分布宽度参数，g[m/s2]是重力加速度，d[m]是参考粒径；q[kg/m/s]为输沙率，u[m/s]为高度z处的风速，ut[m/s]为同一高度处的临界起动风速；
26、作为本专利技术的进一步优选，
27、步骤s2中，α与β是与地形高程特征参数和近底粗糙高度有关的系数，迎风坡分别取3和0.2，背风坡分别取2和1；
28、作为本专利技术的进一步优选，
29、步骤s3中，平面三角形网格单元有三个顶点，用节点编号i＝1,2,3或j＝1,2,3表示，则在平面三角形网格单元中，相邻节点的高程差如下定义：
30、
31、公式(3)中，下标i和j表示单元编号为i的坐标值减去单元编号为j的坐标值；
32、单元节点的高程梯度与计算公式为：
33、
34、公式(4)中，下标i、j、k为单元节点编号；依次按正序取值，例如i＝1，j＝2，k＝3或i＝2，j＝3，k＝1；
35、作为本专利技术的进一步优选，
36、步骤s5中，插值方法具体为：将剖面上的任意插值节点记为(x0，y0)，选取离(x0，y0)最近的四个网格节点(xi，yi)，其中i＝1,2,3,4，其中选取的四个网格节点满足：
37、
38、并对4个网格节点上的与分别计算平均值作为插值节点上的函数值，得到：
39、
40、公式(6)中，与为插值节点处的值。
41、通过以上技术方案，相对于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：
42、本专利技术提供的海岸沙丘平面二维风沙输沙率的模拟计算方法，能够模拟二维地形下风向偏转对输沙率空间分布的影响，实现在以一定角度，一定高度入射海滩的风在经过滩面不同高程地形下，产生的风速变化、风向偏转以及输沙率的计算。
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1.一种海岸沙丘平面二维风沙输沙率的模拟计算方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的海岸沙丘平面二维风沙输沙率的模拟计算方法，其特征在于：
3.根据权利要求1所述的海岸沙丘平面二维风沙输沙率的模拟计算方法，其特征在于：
4.根据权利要求1所述的海岸沙丘平面二维风沙输沙率的模拟计算方法，其特征在于：
【技术特征摘要】
1.一种海岸沙丘平面二维风沙输沙率的模拟计算方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的海岸沙丘平面二维风沙输沙率的模拟计算方法，其特征在于：
【专利技术属性】
技术研发人员：李元，李沁倚，张弛，何岩雨，刘建辉，郑金海，蔡锋，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：
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