CN114266205A - 河口水道水沙运动实验模拟及测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种河口水道水沙运动实验模拟系统，包括固定测船，固定测船上安装声学多普勒海流剖面仪，光学背散射传感器以及湍流剖面仪进行同步测量，在船上以预设速度向下释放测量仪器，以预设空间分辨率进行小时间隔的测量；声学多普勒海流剖面仪获得流速和水深，光学背散射传感器测量水体温度、盐度、浑浊度，湍流剖面仪进行微尺度的流速剪切、雷诺剪切应力，湍流参数的观测与计算。同时还公开了上述河口水道水沙运动测量系统。上述技术方案能够对深水航道环流运动及泥沙卷扬、输运、捕集、沉降、淤积受水道地形变化影响的作用过程和影响机制进行深入研究丰富完善河口泥沙动力学及其相关作用机制方面的认识。
Description
技术领域
本发明涉及河口水沙输运技术领域，具体涉及一种河口水道水沙运动实验模拟及测量系统。
背景技术
为了提高长江口北槽航道的通航能力，国家于1998年至2011年期间实施了大型深水航道工程。治理目标是使北槽航道水深由工程前的7.0米左右增到工程后的12.5米。但是随着北槽航道水深的增加，维持各阶段航道水深而进行的疏浚量也相应显著增大，这是一个值得深入研究的问题。分期建设的人工导堤和丁坝不断加长、增高，水道水深地形发生了明显改变，水稻水动力结构及环流运动形式也会发生相应调整，而河口环流对泥沙净输运起着最为关键的作用，这些动力作用变化势必影响水道泥沙的输运和回淤。
为了深入了解深水航道泥沙输运和淤积机理，减少通航成本，优化航道维护方案，对长江口深水航道环流运动及泥沙卷扬、输运、捕集、沉降、淤积受水道地形变化影响的作用过程和影响机制进行深入研究。以期为航道工程整治设计和疏浚维护提供建设性科学建议和最优化的疏浚方案，同时可以进一步丰富完善河口泥沙动力学及其相关作用机制方面的认识。
发明内容
本发明的目的是提供一种河口水道水沙运动实验模拟及测量系统，能够对深水航道环流运动及泥沙卷扬、输运、捕集、沉降、淤积受水道地形变化影响的作用过程和影响机制进行深入研究，为航道工程整治设计和疏浚维护提供建设性科学建议和最优化的疏浚方案，同时可以丰富完善河口泥沙动力学及其相关作用机制方面的认识。
为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：
一种河口水道水沙运动实验模拟系统，包括固定测船，所述固定测船上安装声学多普勒海流剖面仪，光学背散射传感器以及湍流剖面仪进行同步测量，在船上以预设速度向下释放测量仪器，以预设空间分辨率进行小时间隔的测量；声学多普勒海流剖面仪获得流速和水深，光学背散射传感器测量水体温度、盐度、浑浊度，湍流剖面仪进行微尺度的流速剪切、雷诺剪切应力，湍流参数的观测与计算。
一种河口水道水沙运动测量系统，测量系统是通过以下步骤实现的：
收集权利要求1所述的河口水道水沙运动实验模拟系统的测量数据，包括固定测量剖面不同季度的两个潮周期的小时间隔水位、流速、流向、含沙量、盐度、水深、风速、泥沙粒径测量资料以及相应的径流、地形数据，选择有代表性的洪、枯季及相应的大小潮期间测量数据进行分析；
根据盐度、风和径流的影响下的部分混合河口垂线流速分布公式：
式中：z0为各时刻的粗糙高度；u*为摩阻流速；Nz＝κDu*为垂直涡粘性系数，κ≈0.4；D为水深；
是由盐度引起的水平密度梯度，ρ是密度，ρ＝ρ0(1+βS)，ρ0＝1025kg/m3；β＝0.77×10-3，S为盐度；g为重力加速度；uf是与径流有关的平均流速；τw为海面风应力；
运用枚举法结合最小二乘法对各个时刻实际测量垂线分布流速进行分解：经过分解可以得到每个时刻的潮流、径流、密度流和风生流的流速垂向结构；进而确定各时刻的粗糙高度，摩阻流速，垂直涡粘性系数及密度水平梯度；
研究上述各量的时间变化规律及动力响应机制，运用趋势分析、多重响应分析、非线性相关分析等方法研究上述各量的沿程分布规律，结合水深地形参数、底沙粒径、径流通量等数据，反演确定响应于水深地形的动力表达关系；
求得各项流速沿河道纵向和横向的分量，分别进行潮周期平均，求得各项的对应的余流，进而可以求得相应的余流矢量垂线分布；分析研究各类纵、横向余流洪枯季大小潮沿程分布形式和响应规律：
其中，单位宽度瞬时悬浮泥沙输运机制分解计算式：
潮周期平均单位宽度悬浮泥沙输运机制分解计算式：
其中，
表示平均流引起的悬浮泥沙输运；
表示潮汐与潮流的相关项；
为平流输移；
为潮汐与含沙量潮周期变化相关项；
为含沙量与潮流变化相关项；
表示垂向流速变化和含沙量变化相关；<htu′0c′t>和<htu′tc′0>为时均量与潮汐振动切变引起的剪切扩散；<htu′tc′t>为垂向潮振荡切变作用；
河口水道水沙运动测量系统还包括三维水流-沉积物耦合数值模型的建立与模拟，所述三维水流-沉积物耦合高分辨率数值模式的建立包括以下步骤：
基于求解各种尺度的湍流-沉积物相互作用过程所用到的细颗粒沉积物两相流相关公式，计算处理各种粘性泥沙输运过程，确定相关参数；结合资料确定小尺度过程的各种改进后的参量，这些参量被进一步应用在所建的泥沙数值模型中；
对沉降速度表达式上的相关系数进行最小二乘法率定，结合数值模式验证，给出一套参数用来描述沉积物沉降过程用来保证模型的可用性；
采用Delft3d模型所提供的方式，处理水道导堤、丁坝等水工结构设施的模拟设置；
通过调整模型相关参数进行水位、流速、流向、含沙量、盐度的验证，模型验证方法采用均绝对误差、百分比偏差模型、均方根误差、Skill Scores评判及相关分析方法综合评价模型验证效果。
所述三维水流-沉积物耦合高分辨率数值模式的模拟包括以下步骤：
基于测量资料和数值模拟结果，确定余流机制项的关键参量，对比验证其适用性，在验证完成基础上，把相关机制分解计算程序嵌入到数值模式中，进行模型方案的相关计算与分析；
基于余流机制分解方法所计算的各项余流沿断面分量的分布特征及其响应变化规律；
基于余流机制分解方法所计算的各项余流垂直于上述断面的分布特征及其响应变化规律；计算垂直于各横断面上余流项的相对强度大小及其响应变化；
相应典型时刻含沙量在上述断面的分布特征及其变化规律以及潮周期平均含沙量分布特征；模拟研究水道最大浑浊带空间分布及其变化响应规律；
水道混合、层化、应变特征及其变化响应过程包括计算分析相应典型时刻盐度、考虑含沙量的密度在断面的分布特征及其变化规律：利用梯度Richardson数、湍流粘性系数、Simpson势能相关判别式、分层强度指标等参数来计算分析层化、混合、应变过程及响应变化规律；
运用等面积时变正交网格分解算法，进行潮周期平均，获得通过各种断面的拉格郎日余流输沙率、潮泵作用输沙率、垂向剪切作用输沙率、横向剪切作用输沙率、垂向和横向偏差交互作用剪切扩散输沙率；各项求和为潮周期平均输沙率；进而计算各断面所围网格单元的悬浮泥沙潮周期的收支量；分析上述各量空间分布及变化响应机制；
对固定测点运用潮周期平均单位宽度悬浮泥沙输沙率机制分解法进行分解，求得机制项；对这些站点同时相应进行余流机制分解，分别得到纵向机制项和横向机制项，研究上述各项变化响应规律，利用趋势分析、非线性相关分析、多重响应分析、奇异值分解等有效分析方法，找出余流分解项(垂线平均)与悬浮泥沙输运分解项的动力关系；
根据上述测量数据的计算分析和数值模拟方案研究结果，综合分析，进一步揭示航道水深地形变化对水动力结构和环流变化特征及其对细颗粒泥沙捕集输运的影响，明确深水航道水深地形的变化对细颗粒泥沙输运影响机制。
上述技术方案中提供的河口水道水沙运动实验模拟及测量系统，基于长江口水域历年有关泥沙运动测量数据收集整理和高精度、高分辨率针对性补充测量的基础上，采用流速机制分解、余流机制分解、悬浮泥沙输运机制分解等有效分析方法进行综合分析，研究分析长江口北槽水道水沙净输运机制及对水深地形变化响应规律；在测验数据分析和验证的基础上，构建高分辨率的三维粘性沉积物数值模式，精心设计水深地形研究方案，系统地模拟研究水道水深地形变化对水沙净输运的影响机制。
本发明是以充分的实验数据分析、严密的理论推导、多方案数值模拟试验与有效的资料分析为一体，数值模拟与资料分析相互支撑，互为验证。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。
本实施例以充分的实测数据资料及物模实验已有成果为基础，参考国内外相关问题研究经验，综合运用余流机制分解法、枚举法结合最小二乘法原理流速分解法，单位宽度及断面泥沙输运机制分解法，对相关测量数据进行分解计算，利用趋势分析、非线性相关分析、谐波分析、多重响应分析、奇异交叉谱分析等有效分析方法，对测量及计算数据进行分析反演，确定动力机制关系，寻求变化响应规律。在此基础上构建长江口三维水流-泥沙耦合数值模式，设计模拟实验方案，研究长江口北槽水道水深地形变化情况下水沙净输运规律及其响应机制。
具体如下：
1.现场测量
鉴于北槽疏浚前后通常只是进行地形测量以及相关疏浚量的统计，相应的水流、含沙量、盐度、湍流等断面数据则是缺乏测量分析，而这些数据对地形变化所导致的水动力结构、环流运动以及泥沙输运变化响应分析是不可或缺的。利用流速分解、悬浮泥沙机制分解法、谐波分析、余流机制分解等有效分析方法，通过前后比较分析，可以揭示地形变化对环流运动及泥沙输运的影响机制，为指导疏浚和相关航道整治提供理论依据。具体测量安排如下：
与长江口航道管理局和相关疏浚公司合作，结合其疏浚计划及潮汐计算结果，在大潮期间进行疏浚，在长江口北槽弯道H-R段疏浚区域典型位置选择三个垂直于水道的横断面，每个横断面设置3个固定垂向测量断面(在疏浚区两侧适当位置、疏浚中心区域典型位置)，分别在疏浚前和疏浚后的典型时段进行二个潮周期的断面测量。测量时，在九条固定测船上安装相关仪器：LADCP(Lowed Acoustic Doppler Current Profile)，OBS-3A(Optic Backscattering Sensor)，以及湍流剖面仪MSS60，进行同步测量。根据各仪器操作规程，在船上以一定速度向下释放仪器，以一定空间分辨率进行小时间隔的测量，在底部空间分辨率相对大些，并且为减小仪器底床扰动对测量结果的影响，仪器到达底部时，则要稍停小段时间，再行测量。使用LADCP(Lowed Acoustic Doppler Current Profile)获得流速和水深，OBS-3A(Optic Backscattering Sensor)测量水体温度、盐度、浑浊度，用各站含沙量的常规测量结果来确定OBS-3A浑浊度与含沙量值的关系，计算相应的含沙量值。利用自由沉降式微结构湍流剖面仪MSS60进行微尺度的流速剪切、雷诺剪切应力，湍动能耗散系数等湍流参数的观测与计算。并按照测量规范，同步测量风速、风向。
2.流速分解法
根据盐度、风和径流的影响下的部分混合河口流速分布公式：
运用枚举法结合最小二乘法对各个时刻实际测量垂线分布流速进行分解：经过分解可以得到每个时刻的潮流、径流、密度流和风生流的流速垂向结构。进而可确定各时刻的粗糙高度z0，摩阻流速u*，垂直涡粘性系数Nz＝κDu*及密度水平梯度。
3.悬浮泥沙输运机制分解法
单位宽度瞬时悬浮泥沙输运机制分解计算式：
潮周期平均单位宽度悬浮泥沙输运机制分解计算式：
利用上述计算式，可求得悬浮泥沙输运的八种机制。即：
表示平均流引起的悬浮泥沙输运。
表示潮汐与潮流的相关项，即斯托克斯漂移输沙率。
为平流输移，即拉格朗日输移。
为潮汐与含沙量潮周期变化相关项。
为含沙量与潮流变化相关项，即潮汐捕集作用。
表示垂向流速变化和含沙量变化相关，为垂向环流的贡献。<htu′0c′t>和<htu′tc′0>为时均量与潮汐振动切变引起的剪切扩散。<htu′tc′t>为垂向潮振荡切变作用。
4.流速分解法和悬浮泥沙输运机制分解法结合推导潮流、径流、密度流和风生流作用下更为细致的悬浮泥沙输运机制项。
5.等面积时变正交网格输沙通量计算方法
若要较为准确的估算横断面的净通量并讨论输运的主要机制，需将横断面划分为若干个单元网格，并将观测点的参数值内插或外推到网格的中心上，对横断面上所有网格单元的通量求和并进行潮周期平均，即可得到断面的净通量。等面积时变正交网格法计算净通量最为有效。这种网格是在整个过水断面垂向及横向上各自均成比例划分的一种等面积网格结构，它要求网格面积随水位的高度和水面的宽度的变化而变化。运用等面积时变正交网格分解方法，获得通过断面的拉格郎日余流输沙率、潮泵作用的输沙率、垂向剪切作用的输沙率、横向剪切作用的输沙率、垂向和横向偏差交互作用的剪切扩散输沙率以及相应的潮周期平均输沙率。
6.三维水流-沉积物耦合高分辨率数值模式构建与模拟
参考三维复合水动力泥沙ECOM-Si模式、德国泥沙运动和海床演变TIMOR3模式、荷兰Delft3D模式、美国FVCOM、ROM等模式泥沙模拟处理方式，建立具有动边界处理过程的三维水流-盐度-沉积物耦合高分辨率数值模式来研究长江口北槽深水航道水动力结构特征和沉积物输运机制。
(1)絮凝与沉降速度的计算
参考长江口泥沙沉降速度既有研究成果，对Mehta&McAnally沉降速度表达式上的相关系数进行最小二乘法率定，给出一套参数用来描述沉积物沉降过程用来保持模型的可用性。
(2)基于求解各种尺度的湍流-沉积物相互作用过程所用到的细颗粒沉积物两相流相关公式，计算处理各种粘性泥沙输运过程，确定相关参数。
7.数值模拟研究方案
(1)地形方案
①2007-2008年段淤积最厉害时的长江口及深水航道地形；
②本研究现状航道疏浚前后测量地形；
③现状航道水深地形向上拟变浅2.5米；
④现状航道水深地形向下拟增深2.5米；
⑤并在现状航道通航水深12.5米的基础上，设计3组显著不同的航道剖面地形：
分别为底部宽度具有显著差别的倒梯型1型、倒梯型2型，倒梯型3型，在此基础上进行对比研究。
另外，根据研究结果分析和研究进度安排，可以调整和增添地形方案。
(2)模型驱动强迫方案
基于项目研究目的，本研究没有耦合波浪模型，以最大限度减小浅滩、坝田泥沙输移对本研究问题复杂影响。本研究中，径流、潮汐、潮流作为驱动力，并考虑地转效应，模拟计算水位、水流、盐度、含沙量、水体密度以及湍流剪切、湍流强度、湍流粘性系数、混合系数、扩散系数等湍流参量。径流分洪、枯季，潮汐分大、小潮。
①以2018年5月份疏浚测量时期大通径流通量值为河流开边界条件，针对上述疏浚测量前后地形方案进行大中小潮一个完整周期的模拟。并与测验结果进行比较验证。
②针对上述八个地形方案，分别进行洪、枯季径流流量条件下的大中小潮一个完整周期的模拟。在部分模拟方案模拟时两导堤分可过水和不可过水两种处理方式，以研究越堤流对水流泥沙净输运的影响。
③水流泥沙净输运的计算分为大、小潮周期。
④根据研究进展情况，可以适当增加其他方案，作为补充研究。
(3)分析断面设置
①沿水道纵向断面
沿水道纵向方向设置三个分析断面：沿航道两侧斜坡中部设置2条纵向分析断面；大致沿NGO、NG3、CB1、CS0、CS1、CB2、CS2、CS6、CSW、CS3、CS7、CS4、CS5共13个固定断面的航道深泓线断面。
②水道横向断面
横向设置8个断面：AD0、AD1、AD2、AD3、AD4、AD6、AD7、AD5，这些横断面上有间隔100米的含沙量、水流流速定期ADCP断面测量数据，数值模拟结果可以结合这些数据进行相关研究。
③固定点垂线剖面
本项目相关疏浚测量的九个测点及CS6、CSW、CS3站点垂线剖面，计12个。根据研究分析结果具体情况，还可以适当增加几个代表性位置。
8.动力诊断分析方法
根据数据资料、各种机制分解结果、数值模拟计算结果，综合运用趋势分析、调和分析、谐波分析、奇异值分解、多重响应分析、非线性相关分析等分析方法，分析长江口北槽航道环流特征、潮不对称性、层化混合过程、泥沙捕集与输运的动力过程及其作用关系，进而诊断研究给出水道水深地形变化对航道水流沙泥沙输移的影响机理。
具体地，收集齐备下述资料：
1)长江口历年全测图及河床质资料
2)2010-2016年地形、水文及泥沙资料(三期工程至今)
(1)地形及河床质资料
(2)分流分沙比测量资料
(3)定点水文测量资料
(4)2010年-2016年航道地形测量及疏浚量统计资料
2010-2016年航道疏浚工程安排情况、航道水深测量图(比尺1∶10000)、航道地形变化及疏浚量统计资料。
(5)2011-2013年通量观测资料
2011年和2013年的枯季(2月)、洪季(8月)北槽通量测量资料，包括北槽上、下口大中小潮输水输沙、导堤堤顶输水输沙资料。
(6)2011-2012年浮泥有关观测资料
3)2002年地形、水文及泥沙资料(一期工程后)
(1)2002年2月、5月、8月、11月份分流比、分沙比观测资料和报表
(2)2002年8月北槽水文测验资料及报表
(3)2002年-2003年北槽航道地形测量资料及疏浚统计资料
4)2005年地形、水文及泥沙资料(二期工程后)
(1)2005年2月、6月、11月份分流比、分沙比观测资料报表
(2)2005年8月长江口水文测验成果及报表
(3)2005年8月长江口深水航道监测水下地形(吴淞口以下)及河床质采样资料
(4)2005年-2006年北槽航道地形测量及疏浚统计资料
技术路线如下：
1)长江口水域相关数据资料的收集和整理
研究区地形图、航道整治以来历年工程结构数据、水流泥沙测量数据和水文气象资料基本齐全，对这些资料进行了初步分析和整理，并建立了数据库。利用长期合作单位对长江口深水航道定期测量所用的相关平台、测量仪器，可收集测量获得研究所需的补充数据资料。
2)北槽深水航道H-R段疏浚前后的相关测量
根据疏浚计划和测量方案安排，基于研究需求，按照仪器操作规程和后续数据处理方法，完成满足需求的一定分辨率的流速、温度、盐度、水深、湍流、含沙量、风速、风向的相关测验和计算。测验结果第一参与确定北槽水道内水流泥沙运动各种物理过程的分析；第二是用来参与模型验证及相关参数的率定。
3)测量数据分析与研究
(1)水道沿程测量数据的计算与分析
①流速分解、余流计算与变化响应关系
根据收集得到的沿长江口深水航道设置的NGO、NG3、CB1、CS0、CS1、CB2、CS2、CS6、CSW、CS3、CS7、CS4、CS5共计13个固定测量剖面不同季度的两个潮周期的小时间隔水位、流速、流向、含沙量、盐度、水深、风速、泥沙粒径测量资料以及相应的径流、地形数据，选择有代表性的洪、枯季及相应的大小潮期间测量资料进行分析。运用枚举法结合最小二乘法对站点各个时刻实际测量垂线分布流速进行分解，经过分解可以得到每个时刻的潮流、径流、密度流和风生流的流速垂向结构。进而可确定各时刻的粗糙高度z0，摩阻流速u*，垂直涡粘性系数Nz＝κDu*及密度水平梯度。
分析研究上述各量的时间变化规律及动力响应机制，运用趋势分析、多重响应分析、非线性相关分析等方法研究上述各量的沿程分布规律，结合水深地形参数、底沙粒径、径流通量等数据，反演确定响应于水深地形的动力表达关系。
求得各项流速沿河道纵向和横向的分量，分别进行潮周期平均，求得各项的对应的余流，进而可以求得相应的余流矢量垂线分布。分析研究各类纵、横向余流洪枯季大小潮沿程分布形式和响应规律。
利用水平梯度Richardson数、Simpson数、浮力频率计算式，结合垂直涡粘性系数Nz＝κDu*、水体表底层盐度差与垂线平均盐度的比值
计算结果以及水流剪切平方
分析北槽深水航道潮不对称性、层化混合过程及分布特征。分析确定水平梯度Richardson数描述深水航道层化混合的阈值区间。
②对上述各站点，利用悬浮泥沙输运机制分解计算式(沿水道纵向、横向)进行八项分解。分析上述泥沙净输移项沿程分布特征和变化规律，反演水深地形、水道横断面因素的影响作用。
③把①所分解的流速项代入到②悬浮泥沙输移机理表达式推导过程中，得到潮流、径流、密度流和风生流作用下的机制分解重复②的计算分析过程，进行更深入的机制分析。
(2)疏浚前后局部地形变化对环流分布形式和泥沙输移的影响
①利用相关余流机制分解计算式，对疏浚前后测量数据进行计算，分别求得沿水道纵向、横向、垂向的湍粘性和纵横向剪切相互作用产生的斜压应变余环流、斜压重力余流、风应变环流、斜压对流作用驱动的余环流、水平混合作用余流；科里奥利力引起的余流，及纵向的余径流环流。
比较其各项余流的空间分布及变化特征，诊断分析明确水深地形变化的影响特征。
②利用新推求的悬浮泥沙输运机制分解计算式进行机制分解，计算各输运机制计算结果的大小调整变化，分析其变化原因。
4)长江口三维水流-沉积物耦合数值模型的建立与模拟研究
(1)模型的相关参数的确定
①泥沙过程关键参数的确定
基于求解各种尺度的湍流-沉积物相互作用过程所用到的细颗粒沉积物两相流相关公式，计算处理各种粘性泥沙输运过程，确定相关参数。结合资料确定小尺度过程的各种改进后的参量，这些参量被进一步应用在所建的泥沙数值模型中；
②絮凝与沉降速度的计算
参考长江口泥沙沉降速度既有研究成果，对Mehta&McAnally的沉降速度表达式上的相关系数进行最小二乘法率定，结合数值模式验证，给出一套参数用来描述沉积物沉降过程用来保证模型的可用性。
③采用Delft3d模型所提供的方式，处理水道导堤、丁坝等水工结构设施的模拟设置，模式可以进行越堤流的模拟。
④模型范围及开边界条件
模型计算范围包括整个长江口区域和杭州湾以及邻近海域：上游边界位于大通，外海北部边界为吕泗港以北北纬32.5°，南边界为舟山岛南侧北纬29.25°，东边界至东经124.5°处约外海50m等深线，模型上游边界盐度取为0ppm。根据长江口外常年观测的统计资料，模型在南开边界从陆地到外海的盐度值为15-30ppm，南外海边界至北外海边界的盐度为30-35ppm，北开边界从陆地至外海的盐度值为30-35ppm。对盐度连续模拟2个月以上，则可认为盐度基本达到稳定，其结果已经不受盐度初始条件的影响。考虑到模型的模拟范围，本项目采用对初始盐度场(0ppm)连续模拟3个月后得到的盐度作为盐度初始条件进行模拟计算。模型上游边界悬浮泥沙过程取为测量值；外海开边界的悬浮泥沙过程为0kg/m3。悬浮泥沙模型验证选取与盐度验证相同的点位。上游边界径流通量条件由大通水文站测量结果提供，外海水位开边界条件由东中国海模型提供。
⑤通过适当调整模型相关参数进行水位、流速、流向、含沙量、盐度的验证，模型验证方法采用均绝对误差、百分比偏差模型、均方根误差、Skill Scores评判及相关分析等方法综合评价模型验证效果。
(2)长江口三维水流-沉积物耦合数值模型模拟研究
根据研究方法中的研究方案进行如下内容的模拟与分析：
①基于测量资料和数值模拟结果，确定余流机制项的关键参量，对比验证其适用性，在验证完成基础上，把相关机制分解计算程序嵌入到数值模式中，进行模型方案的相关计算与分析。
②基于余流机制分解方法所计算的各项余流沿上述断面分量的分布特征及其响应变化规律。
③基于余流机制分解方法所计算的各项余流垂直于上述断面的分布特征及其响应变化规律；计算垂直于各横断面上余流项的相对强度大小及其响应变化。
④相应典型时刻含沙量在上述断面的分布特征及其变化规律以及潮周期平均含沙量分布特征。模拟研究水道最大浑浊带空间分布及其变化响应规律。
⑤水道混合、层化、应变特征及其变化响应过程的模拟研究。
计算分析相应典型时刻盐度、考虑含沙量的密度在上述断面的分布特征及其变化规律：利用梯度Richardson数、湍流粘性系数、Simpson势能相关判别式、分层强度指标等参数来计算分析层化、混合、应变过程及响应变化规律。
⑥航道典型位置余流垂线分布及其变化响应特征、作用机理。
⑦运用等面积时变正交网格分解算法，进行潮周期平均，获得通过各种断面的拉格郎日余流输沙率、潮泵作用输沙率、垂向剪切作用输沙率、横向剪切作用输沙率、垂向和横向偏差交互作用剪切扩散输沙率。各项求和为潮周期平均输沙率。进而计算各断面所围网格单元的悬浮泥沙潮周期的收支量。分析上述各量空间分布及变化响应机制。
⑧对上述12个固定测点运用潮周期平均单位宽度悬浮泥沙输沙率机制分解法(沿水道纵向、横向)进行分解，求得8个机制项；对这些站点同时相应进行余流机制分解，分别得到纵向的7个机制项，6个横向机制项，研究上述各项变化响应规律，利用趋势分析、非线性相关分析、多重响应分析、奇异值分解等有效分析方法，找出余流分解项(垂线平均)与悬浮泥沙输运分解项的动力关系。
根据上述测量数据的计算分析和数值模拟方案研究结果，综合分析，进一步揭示航道水深地形变化对水动力结构和环流变化特征及其对细颗粒泥沙捕集输运的影响，明确深水航道水深地形的变化对细颗粒泥沙输运影响机制。
本发明基于流速机制分解法，推导构建了新的悬浮泥沙输运机制分解表达式，能够更细致区分潮流、密度流、径流、风生流对应的悬浮泥沙输运机制；导堤进行可过水和不可过水两种方案模拟，进行对比研究；利用长江口北槽航道较为完备的测量资料，精心设计水深地形变化研究方案，首次系统地模拟研究水道水深地形变化对水沙净输运的影响机制。
上面结合实施例对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在获知本发明中记载内容后，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对其作出若干同等变换和替代，这些同等变换和替代也应视为属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种河口水道水沙运动实验模拟系统，其特征在于：包括固定测船，所述固定测船上安装声学多普勒海流剖面仪，光学背散射传感器以及湍流剖面仪进行同步测量，在船上以预设速度向下释放测量仪器，以预设空间分辨率进行小时间隔的测量；声学多普勒海流剖面仪获得流速和水深，光学背散射传感器测量水体温度、盐度、浑浊度，湍流剖面仪进行微尺度的流速剪切、雷诺剪切应力，湍流参数的观测与计算。
2.一种河口水道水沙运动测量系统，其特征在于，测量系统是通过以下步骤实现的：
收集权利要求1所述的河口水道水沙运动实验模拟系统的测量数据，包括固定测量剖面不同季度的两个潮周期的小时间隔水位、流速、流向、含沙量、盐度、水深、风速、泥沙粒径测量资料以及相应的径流、地形数据，选择有代表性的洪、枯季及相应的大小潮期间测量数据进行分析；
根据盐度、风和径流的影响下的部分混合河口垂线流速分布公式：
式中：z0为各时刻的粗糙高度；u*为摩阻流速；Nz＝κDu*为垂直涡粘性系数，κ≈0.4；D为水深；
是由盐度引起的水平密度梯度，ρ是密度，ρ＝ρ0(1+βS)，ρ0＝1025kg/m3；β＝0.77×10-3，S为盐度；g为重力加速度；uf是与径流有关的平均流速；τw为海面风应力；
运用枚举法结合最小二乘法对各个时刻实际测量垂线分布流速进行分解：经过分解可以得到每个时刻的潮流、径流、密度流和风生流的流速垂向结构；进而确定各时刻的粗糙高度，摩阻流速，垂直涡粘性系数及密度水平梯度；
研究上述各量的时间变化规律及动力响应机制，运用趋势分析、多重响应分析、非线性相关分析等方法研究上述各量的沿程分布规律，结合水深地形参数、底沙粒径、径流通量等数据，反演确定响应于水深地形的动力表达关系；
求得各项流速沿河道纵向和横向的分量，分别进行潮周期平均，求得各项的对应的余流，进而可以求得相应的余流矢量垂线分布；分析研究各类纵、横向余流洪枯季大小潮沿程分布形式和响应规律：
其中，单位宽度瞬时悬浮泥沙输运机制分解计算式：
潮周期平均单位宽度悬浮泥沙输运机制分解计算式：
其中，
表示平均流引起的悬浮泥沙输运；
表示潮汐与潮流的相关项；
为平流输移；
为潮汐与含沙量潮周期变化相关项；
为含沙量与潮流变化相关项；
表示垂向流速变化和含沙量变化相关；<htu′0c′t>和<htu′tc′0>为时均量与潮汐振动切变引起的剪切扩散；<htu′tc′t>为垂向潮振荡切变作用。
3.根据权利要求2所述的河口水道水沙运动测量系统，其特征在于，还包括三维水流-沉积物耦合数值模型的建立与模拟，所述三维水流-沉积物耦合高分辨率数值模式的建立包括以下步骤：
基于求解各种尺度的湍流-沉积物相互作用过程所用到的细颗粒沉积物两相流相关公式，计算处理各种粘性泥沙输运过程，确定相关参数；结合资料确定小尺度过程的各种改进后的参量，这些参量被进一步应用在所建的泥沙数值模型中；
对沉降速度表达式上的相关系数进行最小二乘法率定，结合数值模式验证，给出一套参数用来描述沉积物沉降过程用来保证模型的可用性；
采用Delft3d模型所提供的方式，处理水道导堤、丁坝等水工结构设施的模拟设置；
通过调整模型相关参数进行水位、流速、流向、含沙量、盐度的验证，模型验证方法采用均绝对误差、百分比偏差模型、均方根误差、Skill Scores评判及相关分析方法综合评价模型验证效果。
4.根据权利要求3所述的河口水道水沙运动测量系统，其特征在于，所述三维水流-沉积物耦合高分辨率数值模式的模拟包括以下步骤：
基于测量资料和数值模拟结果，确定余流机制项的关键参量，对比验证其适用性，在验证完成基础上，把相关机制分解计算程序嵌入到数值模式中，进行模型方案的相关计算与分析；
基于余流机制分解方法所计算的各项余流沿断面分量的分布特征及其响应变化规律；
基于余流机制分解方法所计算的各项余流垂直于上述断面的分布特征及其响应变化规律；计算垂直于各横断面上余流项的相对强度大小及其响应变化；
相应典型时刻含沙量在上述断面的分布特征及其变化规律以及潮周期平均含沙量分布特征；模拟研究水道最大浑浊带空间分布及其变化响应规律；
水道混合、层化、应变特征及其变化响应过程包括计算分析相应典型时刻盐度、考虑含沙量的密度在断面的分布特征及其变化规律：利用梯度Richardson数、湍流粘性系数、Simpson势能相关判别式、分层强度指标等参数来计算分析层化、混合、应变过程及响应变化规律；
运用等面积时变正交网格分解算法，进行潮周期平均，获得通过各种断面的拉格郎日余流输沙率、潮泵作用输沙率、垂向剪切作用输沙率、横向剪切作用输沙率、垂向和横向偏差交互作用剪切扩散输沙率；各项求和为潮周期平均输沙率；进而计算各断面所围网格单元的悬浮泥沙潮周期的收支量；分析上述各量空间分布及变化响应机制；
对固定测点运用潮周期平均单位宽度悬浮泥沙输沙率机制分解法进行分解，求得机制项；对这些站点同时相应进行余流机制分解，分别得到纵向机制项和横向机制项，研究上述各项变化响应规律，利用趋势分析、非线性相关分析、多重响应分析、奇异值分解等有效分析方法，找出余流分解项与悬浮泥沙输运分解项的动力关系；
根据上述测量数据的计算分析和数值模拟方案研究结果，综合分析，进一步揭示航道水深地形变化对水动力结构和环流变化特征及其对细颗粒泥沙捕集输运的影响，明确深水航道水深地形的变化对细颗粒泥沙输运影响机制。
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