Rouse方程在河口海岸地区的应用

近岸细颗粒泥沙垂线分布及输运分析
v1实测测测 0.2 0.18 0.16 R =0.78
2
v2实测测测 0.2 0.18 0.16 R2=0.866
v3实测测测 0.2 0.18 0.16 R2=0.788
计计实实实实(kg/m 3)
计计实实实实 (kg/m 3)
0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0
2
gd
近岸细颗粒泥沙垂线分布及输运分析
ln
c
ρs
= a0 + a1 ln
c h−z u2 + a3 ln a + a 4 ln z ρs gd
总总总测测
0.25 R2=0.79 0.2
计计实实实实(kg 3) kg/m
0.15
0.1
0.05
0
0
0.05
0.1
0.15
3
0.2
0.25
实实实实实实 (kg/m )
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
实实实实实实 (kg/m3)
近岸细颗粒泥沙垂线分布及输运分析
影响泥沙垂线浓度分布的因素有很多，除了上述两个因素外， 影响泥沙垂线浓度分布的因素有很多，除了上述两个因素外，有学者 通过实验还发现泥沙浓度沿垂线的变化规律与紊动强度变化规律一致， 通过实验还发现泥沙浓度沿垂线的变化规律与紊动强度变化规律一致， 泥沙粒径对泥沙浓度垂线分布产生一定的影响， 泥沙粒径对泥沙浓度垂线分布产生一定的影响，泥沙浓度与流速和流 速梯度之间也存在内在联系。此外， 速梯度之间也存在内在联系。此外，实际近岸水域的水动力场为不同 时空尺度物理量的耦合（主要是波浪和潮流）驱动， 时空尺度物理量的耦合（主要是波浪和潮流）驱动，考虑到在实际测 量的垂线各层流速均是各动力因素综合作用的结果,只要充分运用实 量的垂线各层流速均是各动力因素综合作用的结果 只要充分运用实 测的与流速数据就可以间接的反映波浪的作用以及波浪和潮流的共同 作用。以流速为例， 作用。以流速为例，实测流速的大小不仅反映了动力强弱也反应了水 流所处的阶段（涨潮、落潮或者憩流），这对于进一步修正Rouse方 ），这对于进一步修正 流所处的阶段（涨潮、落潮或者憩流），这对于进一步修正 方 u 程有着重要的意义。增加自变量： 程有着重要的意义。增加自变量： ln
Rouse方程在河口海岸地区泥沙输运中的应用 方程在河口海岸地区泥沙输运中的应用
表3.1 各层泥沙浓度相关性
Rouse方程在河口海岸地区泥沙输运中的应用 方程在河口海岸地区泥沙输运中的应用
2)参照 参照Rouse方程的形式将垂线泥沙浓度表示为： 方程的形式将垂线泥沙浓度表示为： 参照 方程的形式将垂线泥沙浓度表示为
SC3 V1 V5 SC2 V2 V6 SC1
SC4
SC5
V4
V3
图3.3 海安湾海域概况及水文测站位置 Rouse方程在河口海岸地区泥沙输运中的应用 方程在河口海岸地区泥沙输运中的应用
Rouse方方测测 0.4 R2=0.376 0.35 0.3
计计实实实实(kg/m 3)
0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
3
0.3
0.35
0.4
实实实实实实 (kg/m )
近岸细颗粒泥沙垂线分布及输运分析
近岸细颗粒泥沙垂线分布及输运分析
改改 Rouse方方测测
0.4 0.35 0.3 R2=0.70
计计实实实实 (kg/m 3)
0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0
0
Rouse方程成立的前提 方程成立的前提
1、紊流混合长度理论中的一些假设（包括流速对数分布等）。 、紊流混合长度理论中的一些假设（包括流速对数分布等）。 2、泥沙质量扩散系数与水流动量交换系数相等。 、泥沙质量扩散系数与水流动量交换系数相等。 3、泥沙沉速不随水深变化，为常数。 、泥沙沉速不随水深变化，为常数。 4、垂向时均流速为 。 、垂向时均流速为0
二○○九年五月 ○○九年五月
Rouse方程在河口海岸地区泥沙输运中的应用 方程在河口海岸地区泥沙输运中的应用
前言
迄今为止，用于研究悬沙浓度分布的理沦主要有扩散理论、混 迄今为止，用于研究悬沙浓度分布的理沦主要有扩散理论、 合理论、能量理论、相似理论及随机理论， 合理论、能量理论、相似理论及随机理论，各种理论从不同的角度出 得出了许多的成果。通过对各种理论的综合分析发现， 发，得出了许多的成果。通过对各种理论的综合分析发现，各种理论 虽有所不同，但就其最后所得结果来看， 虽有所不同，但就其最后所得结果来看，都重新得到或接近扩散方程 的形式，往往只是扩散系数不同而已。 的形式，往往只是扩散系数不同而已。这一认识就使得在河口海岸地 区细颗粒泥沙的悬浮主要是受紊动作用为主时， 区细颗粒泥沙的悬浮主要是受紊动作用为主时，研究中直接应用扩散 理论。 方程是应用最为广泛的扩散理论。 理论。Rouse方程是应用最为广泛的扩散理论。 方程是应用最为广泛的扩散理论
Rouse方程在河口海岸地区泥沙输运中的应用 方程在河口海岸地区泥沙输运中的应用
基于Rouse方程的泥沙垂线浓度回归分析 方程的泥沙垂线浓度回归分析 基于
多元线性回归分析是多元统计分析中一种比较经典的方法，它通过一组预测变量 自变 多元线性回归分析是多元统计分析中一种比较经典的方法，它通过一组预测变量(自变 来预测一个或多个响应变量(因变量 量)来预测一个或多个响应变量 因变量 ，使用多元线性回归分析方法预测后，因变量 来预测一个或多个响应变量 因变量)，使用多元线性回归分析方法预测后， 的预测值及变化趋势能够为管理者提供决策支持的理论依据。 的预测值及变化趋势能够为管理者提供决策支持的理论依据。影响泥沙垂线浓度的参 量很多，有动力因子的影响，也有泥沙本身特性的影响。 量很多，有动力因子的影响，也有泥沙本身特性的影响。泥沙垂线浓度的分布可以看 作是自变量“各动力因子” 泥沙特性”共同作用的结果， 各动力因子” 作是自变量“各动力因子”和“泥沙特性”共同作用的结果，“各动力因子”和“泥 沙特性” 沙特性”对泥沙垂线浓度的影响程度以及它们之间的相互关系对泥沙的垂线浓度分布 至关重要。因此，可以采用回归方法分析“各动力因子” 泥沙特性” 至关重要。因此，可以采用回归方法分析“各动力因子”和“泥沙特性”对泥沙垂线 浓度的影响程度以及它们之间的相互关系。 浓度的影响程度以及它们之间的相互关系。
1)每层泥沙浓度受到上层的泥沙沉降以及下层泥沙的紊动扩散影响 每层泥沙浓度受到上层的泥沙沉降以及下层泥沙的紊动扩散影响 每层的泥沙浓度与相邻层的泥沙浓度存在很好的相关性， 下，每层的泥沙浓度与相邻层的泥沙浓度存在很好的相关性，对海 安湾大小潮期间的各层泥沙浓度作相关性分析， 安湾大小潮期间的各层泥沙浓度作相关性分析，同样存在很好的相 关性
Rouse方程在河口海岸地区泥沙输运中的应用 方程在河口海岸地区泥沙输运中的应用
目前Rouse方程在河口海岸地区的应用 方程在河口海岸地区的应用 目前
1、泥沙浓度垂线分布 、
c( z ) a(h − z ) = ca z (h − a )
ωs
κu *
2、悬沙沉降速度 、
对Rouse方程两边取对数后： Rouse方程两边取对数后： 方程两边取对数后
0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0
计计实实实实 (kg/m 3)
0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
0.2
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
3
0.14
Rouse方程在河口海岸地区泥沙输运中的应用 方程在河口海岸地区泥沙输运中的应用
多元线性回归
Y = β 0 + β1 x1 + β 2 x2 + L + β k xk ε ~ N (0, σ 2 )
Y 将泥沙浓度看作是“随机变量” 将泥沙浓度看作是“随机变量”
.自变量选择参照以下几个原则： 自变量选择参照以下几个原则： 自变量选择参照以下几个原则
师 莅 临 指 导 热 烈 欢 迎 各 位 老
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Rouse方程在河口海岸泥沙输运 近岸细颗粒泥沙垂线分布及输运分析 过程中的应用
答 辩 人: 朱文谨 指导教师: 指导教师 李瑞杰
汇报人： 汇报人：朱文谨 2009.12.26
ln c = a0 + a1 ln
h−z + ln ca z
(1)
Rouse方程在河口海岸地区泥沙输运中的应用 方程在河口海岸地区泥沙输运中的应用
现采用2008年5月份琼州海峡海安湾 个实测点（如图 所示）的泥沙垂线 年 月份琼州海峡海安湾 个实测点（如图3.3所示 月份琼州海峡海安湾6个实测点 所示） 现采用 浓度进行相关分析。分析结果如图3.4所示 所示。 浓度进行相关分析。分析结果如图 所示。
2、Rouse方程的出处来自方程： 、 方程的出处来自方程： 方程的出处来自方程
∂ ( w − ω )c ∂ ∂c = (ε z ) ∂z ∂z ∂z
没有考虑随时间变化的
∂c 若将Rouse方程直接用于整个潮周期可能会带来一定的误差。 方程直接用于整个潮周期可能会带来一定的误差。 ，若将 方程直接用于整个潮周期可能会带来一定的误差 ∂t
ln
a(h − z ) c(z ) ω s = ln κu * z (h − a ) ca
Y = ln
c( z ) ca
a(h − z ) X = ln z (h − a )
Y = Z*X
若在双对数坐标系中绘出悬沙浓度垂向分布曲线，其斜率即为悬浮指标。 若在双对数坐标系中绘出悬沙浓度垂向分布曲线，其斜率即为悬浮指标。时钟和陈沈良曾 通过大量实测资料在双对数坐标系统中拟合出悬沙垂向分布曲线，得到悬浮指标， 通过大量实测资料在双对数坐标系统中拟合出悬沙垂向分布曲线，得到悬浮指标，再求出 泥沙沉降速度。 泥沙沉降速度。
Rouse方程在河口海岸地区泥沙输运中的应用 方程在河口海岸地区泥沙输运中的应用
目前Rouse方程应用中的不足 方程应用中的不足: 目前 方程应用中的不足
1、确定沉降速度时常常对Rouse方程本身的适用条件分析较少，造成 对野外监测数据 、确定沉降速度时常常对 方程本身的适用条件分析较少， 方程本身的适用条件分析较少 的筛选不严格，从而使得对得出的泥沙沉降速度的可靠性产生质疑。 的筛选不严格，从而使得对得出的泥沙沉降速度的可靠性产生质疑。
计算的结果可见，采用式(1) 计算的结果可见，采用式(1) 给出的形式因为比原Rouse Rouse方 给出的形式因为比原Rouse方 程多出了两个可调系数，计 程多出了两个可调系数， 算结果的精度有所提高， 算结果的精度有所提高，但 相关系数说明了计算结果仍 然需要进一步提高。 然需要进一步提高。
0.16
0.18
0.2
0
0.02
ห้องสมุดไป่ตู้
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
Rouse方程在河口海岸地区泥沙输运中的应用 方程在河口海岸地区泥沙输运中的应用
传统Rouse方程在河口海岸地区的适用性 方程在河口海岸地区的适用性 传统 河口海岸悬沙输运主要特点
1、很多验证结果表明，如果泥沙颗粒较细且含沙量较小时，Rouse公式与实测资料比 、很多验证结果表明，如果泥沙颗粒较细且含沙量较小时， 公式与实测资料比 较符合；但如果颗粒较粗或含沙量较大时，计算结果与实测资料有较大的偏差， 较符合；但如果颗粒较粗或含沙量较大时，计算结果与实测资料有较大的偏差，究其 原因可能是没有考虑泥沙间的相互碰撞影响。 原因可能是没有考虑泥沙间的相互碰撞影响 2、在河口地区因为密度的分层，垂向扩散复杂 在河口地区因为密度的分层， 在河口地区因为密度的分层 垂向扩散复杂。 3、河口海岸地区的水体不仅受到风场、柯氏力和上游径流的影响还受到潮汐、波浪等 河口海岸地区的水体不仅受到风场、 河口海岸地区的水体不仅受到风场 柯氏力和上游径流的影响还受到潮汐、 海洋动力因素的影响。（动力因素多，非恒定）。 。（动力因素多 海洋动力因素的影响。（动力因素多，非恒定）。 4、河口海岸泥沙存在絮凝现象。 、河口海岸泥沙存在絮凝现象。