CN114329950B - 基于动态概化的斜坡式潜堤波浪水动力影响数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动态概化的斜坡式潜堤波浪水动力影响数值模拟方法，根据斜坡式潜堤在不同水深条件下糙率不同的特点，在波浪水动力数值模型中在不同的水深时，通过拟合斜坡式潜堤的糙率离散值得到相应值，将斜坡式潜堤对波浪传播影响动态概化为糙率作用，弥补了传统波浪模型中通过改变水深模拟潜堤影响、糙率保持为常数的明显不足，减少了计算网格变形率，实现了斜坡式潜堤的动态模拟过程，提高了计算速度、稳定性，更加准确地评估斜坡式潜堤对周围海域的波浪传播影响，对斜坡式潜堤的设计和环境影响评估具有重要意义。

Description

基于动态概化的斜坡式潜堤波浪水动力影响数值模拟方法

技术领域

本发明属于近海波浪模拟技术领域，具体涉及一种基于动态概化的斜坡式潜堤波浪水动力影响数值模拟方法。

背景技术

在河口或近海区域，修建潜堤是常用的海岸治理手段，用于减弱沿岸潮流、波浪水动力作用和改变海域泥沙输移过程。在修建潜堤前，常采用波浪水动力模型模拟潜堤工程修建后的波浪场水动力情况，评估拟建潜堤对周围海域波浪传播的影响。

然而，目前对于海域中潜堤工程的波浪水动力影响主要是通过修改拟建潜堤处水深来表现潜堤工程的影响，且通常将潜堤修建处的糙率设置为常数进行简化计算。但在实际情况中，当潜堤工程采用不同的建筑材料和修建坡度，处于不同水深条件下，潜堤工程对波浪传播的影响程度是不同的。因此，这种静态的潜堤概化模拟方法是一种不精确的近似方法，不符合潜堤工程对周围波浪传播影响的实际情况。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术只修改潜堤处水深、将糙率设置为常数这种静态潜堤概化模拟方法不精确的技术问题，而提供一种基于动态概化的斜坡式潜堤波浪水动力影响数值模拟方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案实现：

一种基于动态概化的斜坡式潜堤波浪水动力影响数值模拟方法，包括以下步骤：

步骤(1)选择要计划布置斜坡式潜堤的目标海域，并获取对应海域的海图资料；

步骤(2)根据海图资料确定目标海域的陆地边界，结合海图资料和实测水深地形数据，建立目标海域的水深地形数据离散点；

步骤(3)利用非结构网格对步骤(2)所述目标海域计算区域进行空间离散，对于计划布置斜坡式潜堤的区域加密网格，选择模拟计算波浪近海传播的波浪水动力数值模型；

步骤(4)在步骤(3)获得的非结构网格上，对步骤(2)获得的地形数据离散点进行插值，用于模型计算；

步骤(5)收集目标海域的风速资料，利用风速资料按照相关规范方法，推求目标海域边界的深水波要素，作为步骤(4)中的非结构网格的边界条件，设定模型初始参数；

步骤(6)结合斜坡式潜堤的建筑材料和坡度，在潜堤的计划布置位置，拟建斜坡式潜堤，引入和水深相关联的随时间变化的糙率值，在此基础上进行数值模拟计算；

步骤(7)利用建立的波浪水动力数值模型对目标海域展开数值计算，得到目标海域站点的有效波高和平均周期统计值，与实测资料进行比对、验证；若模拟结果和实测资料的误差不满足要求，调整模型参数，重复步骤(5)和(6)直到模型验证误差满足要求。

优选地，步骤(3)中所述模型为谱波浪模型，可以模拟波浪在近岸、海岸地区的成长、衰减和变形。

优选地，步骤(5)中模型初始参数包括糙率、计算时间步长和波浪破碎系数。

优选地，步骤(5)中所述深水波要素包括平均波高、有效波高和平均周期。

具体地，根据斜坡式潜堤在水深较小时对波浪传播过程影响较大、水深较大时对波浪传播过程影响较小的特点，在斜坡式潜堤计划布置位置处的水底糙率根据提供的水深-糙率对应离散值插值获得，模拟计算的方法为：

依据拟建斜坡式潜堤的建筑材料和坡度设计，按1：50比例尺建造斜坡式潜堤模型，放置于重力式开放水槽中，在不同水深条件下测量水槽的过水面积A、水力半径R和流量Q，按下式计算水槽糙率n：

式中，J为水槽坡度，为1/100，如此得到不同水深对应的不同糙率；根据1：50比尺，将物理模型试验结果获得的水深-糙率关系，依据水工模型试验已有方法换算至实际海域的水深-糙率对应值，如表3所示：

表3 海域的水深-糙率对应值

水深(m)	0.1	1	5	10	20
						糙率	0.125	0.075	0.005	0.001	0.0005

。

进一步地，步骤(7)中利用建立的波浪水动力数值模型对目标海域展开数值计算，在数值计算的每一个时间步，根据上一时间步求解的波浪波高分布结合海图资料中确定的水深地形数据确定斜坡式潜堤布置处的水底糙率，利用该水底糙率计算波浪水动力模型中的底摩擦能量耗散项中，求解该时间步波浪水动力模型，获得该时间步内的波高、波周期分布，具体方法为：

谱波浪模型如下公式所示：

式中，N(x，σ，θ，t)为谱密度，由计算，E为波浪能量密度，由波浪有效波高H_1/3和波浪周期T确定，E＝0.5(H_1/3)²T；σ为相对频率；x(x，y)为坐标方向；/> 为波群在x，y，σ和θ这4个方向的传播速度；θ为波浪传播方向；S为使方程能量守恒的源项，代表能量的输入输出，如下：

S＝S_bot+S_surf (2)

式中，S_surf为波浪破碎引起的能量损耗；S_bot为由于底摩擦引起的能量损耗，如下计算：

式中，C_f是底摩阻系数，k是波数，d为水深，取C_f＝Kn，K为常系数，取值为20；n为糙率；

式中，γ为波浪破碎系数；

假设当前计算时间为t，则可通过上一时间步(t-Δt)时刻求解式(1)获得目标海域的有效波高H_1/3和步骤(2)中的水深地形数据确定潜堤布置处当前计算时间的水深；若上一时间步潜堤布置处的有效波高为H₁，步骤(2)中的水深数据为H₂，则当前时间步t潜堤布置处的水深H＝H₁+H₂，依据当前时间步t潜堤布置处的水深查表3，确定斜坡式潜堤布置处的水底糙率n，则可获得当前时间步潜堤布置处的底摩阻系数；

根据上一时间步(t-Δt)时刻求解式(1)获得了整个计算海域的平均波高H、有效波高H_1/3和平均周期T参数，根据波浪色散方程计算波浪波数k，如下所示：

式中，L为潜堤布置处波浪平均波长；此外根据E＝0.5(H_1/3)²T，计算潜堤布置处的波浪能量密度，则根据式(3)更新潜堤布置处底部摩擦引起的能量损耗S_bot；

由上一时间步输出的波浪平均周期T、上一时间步输出的有效波高H_1/3、波浪破碎系数γ，由公式(4)计算当前时间步中式(2)中由波浪破碎引起的能量损耗S_surf，获得当前时间步t的S_bot和S_surf，代回式(1)，对式(1)进行求解，获得当前时间步t的平均波高、有效波高和平均周期。

对方程式(1)的求解实际上就是求解谱波浪方程，现在已经有非常成熟的计算方法，但现有方法糙率为不变的，在这里我们只是改变了这里的一个步骤，对糙率进行查表更新。

本发明的有益效果在于：

本发明根据斜坡式潜堤在不同水深条件下糙率不同的特点，在波浪水动力数值模型中在不同的水深时，通过拟合斜坡式潜堤的糙率离散值得到相应值，将斜坡式潜堤对波浪传播影响动态概化为糙率作用，弥补了传统波浪模型中通过改变水深模拟潜堤影响、糙率保持为常数的明显不足，减少了计算网格变形率，实现了斜坡式潜堤的动态模拟过程，提高了计算速度、稳定性，更加准确地评估斜坡式潜堤对周围海域的波浪传播影响，对斜坡式潜堤的设计和环境影响评估具有重要意义。

附图说明

图1为本发明方法的总体流程示意图；

图2为实施例建立目标海域的水深地形数据离散点；

图3为实施例的计算海域非结构网格离散图；

图4对比了本实施例中10、11和12号测站中实测和模拟的有效波高变化过程，其中4a为10号测站中实测和模拟的有效波高变化过程，4b为11号测站中实测和模拟的有效波高变化过程，4c为12号测站中实测和模拟的有效波高变化过程；

图5对比了本实施例中10、11和12号测站中实测和模拟的平均周期变化过程，5a为10号测站中实测和模拟的平均周期变化过程，5b为11号测站中实测和模拟的平均周期变化过程，5c为12号测站中实测和模拟的平均周期变化过程.

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1：

如图1所示，一种基于动态概化的斜坡式潜堤波浪水动力影响数值模拟方法，包括如下步骤：

步骤(1)，选择要计划布置斜坡式潜堤的目标海域，并获取对应海域的海图资料。本实施例选择模拟的目标海域为121.0°E～123.0°E和30.5°N～32.5°N，模拟区域波浪边界处于深水区域，水深为100m，海图资料来自Gebco全球水深数据库。

步骤(2)，根据步骤(1)所述海图资料确定目标海域的陆地边界，根据步骤(1)中获取的海图资料和实测水深地形数据，建立目标海域的水深地形数据离散数据点，如图2所示。

步骤(3)，利用非结构网格对步骤(2)所述目标海域进行空间离散，对于计划布置斜坡式潜堤的模拟区域加密网格；由于目标海域为近海区域，波浪在近海区域存在显著的传播变形现象，因此选择可以模拟计算波浪近海传播变形的谱波浪模型为波浪水动力计算模型，谱波浪模型可很好的模拟波浪在近岸、海岸地区的成长和衰减；为了减少锯齿岸线对计算结果的不利影响，对变化剧烈的陆地岸线进行光滑处理。本实施例中形成的非结构网格如图3所示。

本实施例中，选择波浪水动力数值模型为谱波浪模型。该模型全面地考虑了波浪在近岸、海岸地区浅化、折射、绕射、反射、底摩擦、破碎、白沫、风能输入以及波浪非线性效应等现象，可以计算大范围海浪场，提供平均波高、有效波高、谱峰周期、平均周期、波向、波能等基本波浪参数。谱波浪模型如下公式所示：

式中，N(x，σ，θ，t)为谱密度，由计算，E为波浪能量密度，由波浪有效波高H_1/3和波浪周期T确定，本实施例中计算为E＝0.5(H_1/3)²T；x(x，y)为坐标方向；/> 为波群在x，y，σ和θ这4个方向的传播速度；σ为相对频率；θ为波浪传播方向；S为使方程能量守恒的源项，代表能量的输入输出，如下：

S＝S_bot+S_surf (2)

式中，S_surf为波浪破碎引起的能量损耗；S_bot为由于底摩擦引起的能量损耗，如下计算：

式中，C_f是底摩阻系数，k是波数，d为水深。

为了体现斜坡式潜堤在水深较小时影响较大、水深较大时影响较小的特点，取C_f＝Kn，K为常系数，取值为20；n为糙率。

步骤(4)，在步骤(3)获得的非结构网格上，对步骤(2)获得的地形数据离散点进行插值，用于模型计算。

步骤(5)，收集目标海域的风速资料，按照相关规范规定的方法推求目标海域边界的深水波要素，作为步骤(4)中的非结构网格的边界条件；设定模型参数主要包括糙率、计算时间步长和波浪破碎系数。

本实施例中，风速资料采用海上10m高度、重现期为50年的设计风速，如下表1所示：

表1 海上10m高度重现期为50年的设计风速

根据风速资料，采用《海堤工程设计规范》中的方法获得外海100m等深线附近的深水波要素，包括平均波高、有效波高和平均周期，作为步骤(4)中的非结构网格的边界条件，如下表2所示：

表2 外海100m等深线附近的深水波要素

根据海域底床条件，本实施例设定初始糙率n为0.0005，计算时间步长为30s，波浪破碎系数为0.8。

步骤(6)，本实施例中拟建斜坡式潜堤采用混凝土材料，坡度为1∶10。依据拟建斜坡式潜堤的建筑材料和坡度设计，按1∶50比例尺建造斜坡式潜堤模型，放置于重力式开放水槽中，在不同水深条件下测量水槽的过水面积A、水力半径R和流量Q，按下式计算水槽糙率n：

式中，J为水槽坡度，为1/100，如此得到不同水深对应的不同糙率。根据1∶50比尺，将物理模型试验结果获得的水深-糙率关系，依据水工模型试验已有方法换算至实际海域的水深-糙率对应值，如表3所示：

水深(m)	0.1	1	5	10	20
						糙率	0.125	0.075	0.005	0.001	0.0005

假设当前计算时间为t，则可通过上一时间步(t-Δt)时刻求解式(1)获得目标海域的有效波高H_1/3和步骤(2)中的水深地形数据确定潜堤布置处当前计算时间的水深。若上一时间步潜堤布置处的有效波高为H₁，步骤(2)中的水深数据为H₂，则当前时间步t潜堤布置处的水深H＝H₁+H₂。依据当前时间步t潜堤布置处的水深查表3，确定斜坡式潜堤布置处的水底糙率n，则可获得当前时间步潜堤布置处的底摩阻系数。

根据上一时间步(t-Δt)时刻求解式(1)获得了整个计算海域的平均波高H、有效波高H_1/3和平均周期T等波浪基本参数，可根据波浪色散方程计算波浪波数k，如下所示：

式中，L为潜堤布置处波浪平均波长；此外根据E＝0.5(H_1/3)²T，计算潜堤布置处的波浪能量密度，则根据式(3)可更新潜堤布置处底部摩擦引起的能量损耗S_bot。

可由波浪破碎系数γ按照已有公式或方法计算当前时间步中式(2)中由波浪破碎引起的能量损耗S_surf，如可用下式进行近似计算：

式中T为上一时间步输出的波浪平均周期，H_1/3为上一时间步输出的有效波高。在获得S_bot和S_surf，代回式(1)，对式(1)进行求解，可获得当前时间步t的平均波高、有效波高、平均周期等波浪基本参数。

图4对比了10、11和12号测站中实测和模拟的有效波高变化过程；图5对比了本实施例中测站实测和模拟的平均周期。可知，实测和模拟结果误差小于10％，说明模型验证结果好。本实施例中当模拟结果和实测资料的误差超过10％，认为模型模拟结果误差较大，原因是对目标海域内的水底糙率设置有误，因此持续调整水底糙率设计，重复第五步和第六步，直到模型验证误差小于10％。

本具体实施案例只是本发明涉及的基于动态概化的斜坡式潜堤波浪水动力影响数值模拟方法的一个具体案例，但本发明不应受此案例限制，任何符合本发明权利要求中所涉及的内容和原则，均应在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于动态概化的斜坡式潜堤波浪水动力影响数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)选择要计划布置斜坡式潜堤的目标海域，并获取对应海域的海图资料；

步骤(2)根据海图资料确定目标海域的陆地边界，结合海图资料和实测水深地形数据，建立目标海域的水深地形数据离散点；

步骤(3)利用非结构网格对步骤(2)所述目标海域计算区域进行空间离散，对于计划布置斜坡式潜堤的区域加密网格，选择模拟计算波浪近海传播的波浪水动力数值模型；

步骤(4)在步骤(3)获得的非结构网格上，对步骤(2)获得的地形数据离散点进行插值，用于模型计算；

步骤(5)收集目标海域的风速资料，利用风速资料按照相关规范方法，推求目标海域边界的深水波要素，作为步骤(4)中的非结构网格的边界条件，设定模型初始参数；

步骤(6)结合斜坡式潜堤的建筑材料和坡度，在潜堤的计划布置位置，拟建斜坡式潜堤，引入和水深相关联的随时间变化的糙率值，在此基础上进行数值模拟计算；

步骤(7)利用建立的波浪水动力数值模型对目标海域展开数值计算，得到目标海域站点的有效波高和平均周期统计值，与实测资料进行比对、验证；若模拟结果和实测资料的误差不满足要求，调整模型参数，重复步骤(5)和(6)直到模型验证误差满足要求。

2.根据权利要求1所述的一种基于动态概化的斜坡式潜堤波浪水动力影响数值模拟方法，其特征在于，步骤(3)中所述模型为谱波浪模型。

3.根据权利要求2所述的一种基于动态概化的斜坡式潜堤波浪水动力影响数值模拟方法，其特征在于，步骤(5)中模型初始参数包括糙率、计算时间步长和波浪破碎系数。

4.根据权利要求3所述的一种基于动态概化的斜坡式潜堤波浪水动力影响数值模拟方法，其特征在于，步骤(5)中所述深水波要素包括平均波高、有效波高和平均周期。

5.根据权利要求4所述的一种基于动态概化的斜坡式潜堤波浪水动力影响数值模拟方法，其特征在于，步骤(6)中引入和水深相关联的随时间变化的糙率值进行数值模拟计算的方法为：

依据拟建斜坡式潜堤的建筑材料和坡度设计，按1：50比例尺建造斜坡式潜堤模型，放置于重力式开放水槽中，在不同水深条件下测量水槽的过水面积A、水力半径R和流量Q，按下式计算水槽糙率n：

式中，J为水槽坡度，为1/100，如此得到不同水深对应的不同糙率；根据1：50比尺，将物理模型试验结果获得的水深-糙率关系，依据水工模型试验已有方法换算至实际海域的水深-糙率对应值，如表3所示：

表3 海域的水深-糙率对应值

水深(m) 0.1 1 5 10 20 糙率 0.125 0.075 0.005 0.001 0.0005

。

6.根据权利要求5所述的一种基于动态概化的斜坡式潜堤波浪水动力影响数值模拟方法，其特征在于，步骤(7)中利用建立的波浪水动力数值模型对目标海域展开数值计算，得到目标海域站点的有效波高和平均周期统计值的方法为：

谱波浪模型如下公式所示：

式中，N(x,σ,θ,t)为谱密度，由计算，E为波浪能量密度，由波浪有效波高H_1/3和波浪周期T确定，E＝0.5(H_1/3)²T；σ为相对频率；x(x,y)为坐标方向；/> 为波群在x,y，σ和θ这4个方向的传播速度；θ为波浪传播方向；S为使方程能量守恒的源项，代表能量的输入输出，如下：

S＝S_bot+S_surf (2)

式中，S_surf为波浪破碎引起的能量损耗；S_bot为由于底摩擦引起的能量损耗，如下计算：

式中，C_f是底摩阻系数，k是波数，d为水深，取C_f＝Kn，K为常系数，取值为20；n为糙率；

式中，γ为波浪破碎系数；

假设当前计算时间为t，则可通过上一时间步(t-Δt)时刻求解式(1)获得目标海域的有效波高H_1/3和步骤(2)中的水深地形数据确定潜堤布置处当前计算时间的水深；若上一时间步潜堤布置处的有效波高为H₁，步骤(2)中的水深数据为H₂，则当前时间步t潜堤布置处的水深H＝H₁+H₂，依据当前时间步t潜堤布置处的水深查表3，确定斜坡式潜堤布置处的水底糙率n，则可获得当前时间步潜堤布置处的底摩阻系数；

根据上一时间步(t-Δt)时刻求解式(1)获得了整个计算海域的平均波高H、有效波高H_1/3和平均周期T参数，根据波浪色散方程计算波浪波数k，如下所示：

式中，L为潜堤布置处波浪平均波长；此外根据E＝0.5(H_1/3)²T，计算潜堤布置处的波浪能量密度，则根据式(3)更新潜堤布置处底部摩擦引起的能量损耗S_bot；

由上一时间步输出的波浪平均周期T、上一时间步输出的有效波高H_1/3、波浪破碎系数γ，由公式(4)计算当前时间步中式(2)中由波浪破碎引起的能量损耗S_surf，获得当前时间步t的S_bot和S_surf，代回式(1)，对式(1)进行求解，获得当前时间步t的平均波高、有效波高和平均周期。