CN115859866B - 一种考虑风浪流作用的水下抛石漂移距离的预测方法 - Google Patents

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CN115859866B CN202310133677.1A CN202310133677A CN115859866B CN 115859866 B CN115859866 B CN 115859866B CN 202310133677 A CN202310133677 A CN 202310133677A CN 115859866 B CN115859866 B CN 115859866B
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Abstract

本发明创造提供了一种考虑风浪流作用的水下抛石漂移距离的预测方法，主要包括根据工程区域将网格进行划分、建立波浪数学模型、建立二维大范围潮流数学模型、建立三维中范围潮流数学模型、建立三维小区域精细化潮流数学模型、潮流数学模型验证、抛石水平漂移距离计算、及预测实施。本发明所提供的预测方法采用三重嵌套网格和二三维模型耦合的方式，所采用二维和三维耦合数学模型，较基于一维模型和二维模型的方法，能反映抛石区域水流垂向结构对抛石漂移的影响，特别是在抛石区有深基槽这种复杂且坡度较大的地形条件下，水流的垂向结构对抛石漂移的影响更加显著，因此本发明方法更加合理和精确。

Description

一种考虑风浪流作用的水下抛石漂移距离的预测方法
技术领域
本发明创造属于水利工程技术领域，尤其是涉及一种考虑风浪流作用的水下抛石漂移距离的预测方法。
背景技术
水下抛石被广泛应用于河道整治、护岸工程、防波堤建设、水下地基处理、桩基防护等工程中。抛石在入水至沉底的过程中，在水流的作用下，会产生水平向的漂移。抛石水平漂移距离是工程设计和施工的关键指标，如抛石漂移距离过大，或抛石落地位置不准确，不仅会产生石料的浪费，增加工程成本，同时影响工程质量，降低底床和护岸的防护强度，对工程安全构成威胁。抛石漂移的影响机制及漂移距离的计算方法已经开展了诸多的研究，抛石漂移的计算理论分为准静水沉降模式、平均流速模式和变加速运动模式，其中准静水沉降模式没有考虑惯性力的影响，计算结果精度较差；平均流速模式忽略了水流的三维特性，如在专利公开号为CN113111418A，专利名称为一种径潮流河段抛石落距的预测方法中公开的技术方案，预测模型基于一维和二维水动力数学模型构建，忽略了水流的垂向分布特性，只适用于水深较浅且流速垂向分布不明显的水域，而在水深较大的区域，水流的垂向分布特性显著，不宜采用平均流速模式对抛石漂移进行计算。变加速运动模式考虑了水流的垂向分布特性、惯性力和抛石在水体中的相对加速运动，现有研究中水流的垂向分布特性主要基于明渠水流垂向流速分布规律，而在河口和近岸水域，由于风、波浪、岸线、地形的影响，水流垂向分布特性复杂多变，流速结构不完全遵循明渠水流垂向流速分布规律，且同一观测点垂向的流向也存在差异，因此抛石漂移计算采用现有研究方法将不适用河口和外海的抛石工程。计算流体动力学耦合离散元法(CFD-DEM)虽被广泛应用于抛石漂移机理研究中，但主要依托数值水槽进行计算，无法反映工程现场的实际情况，且计算时间成本较高，时效性较差，无法适用于抛石漂移的快速预测。
发明内容
有鉴于此，本发明创造旨在克服现有技术中的缺陷，提出一种考虑风浪流作用的水下抛石漂移距离的预测方法。
为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
一种考虑风浪流作用的水下抛石漂移距离的预测方法，包括如下步骤：
S1、根据工程区域将网格进行划分；
将工程区域及其邻近的大范围海域作为大范围模型网格区域，由工程区域向外海网格逐渐稀疏；
将工程区域及其邻近的小范围海域作为中范围模型网格区域，该中范围模型网格区域被大范围模型网格区域覆盖，由工程区域向外海网格逐渐稀疏；
将工程区域作为小区域模型网格区域，以抛石区域为中心，采用精细化网格构建。
S2、建立波浪数学模型；
基于大范围模型网格，采用SWAN模式建立波浪数学模型，求解波作用守恒方程；模型采用风场进行驱动，基于从公开数据库获取的历史风场资料，输入SWAN模式中波作用守恒方程，计算得到历史时刻的波高、周期和波向；
S3、建立二维大范围潮流数学模型；
基于大范围模型网格，采用DHI MIKE中的MIKE21建立二维大范围潮流数学模型，该模型驱动因子包括潮位、风、径流、波浪和底摩擦阻力。潮位边界由潮位过程进行驱动，潮位过程边界由TOPEX/Poseidon卫星测高数据计算得到的调和常数进行驱动，如果计算区域内有河流输入，则需要考虑径流的影响，径流数据采用历史统计数据；风的影响通过风速和大气压强输入进模型中，该部分数据通过再分析数据库进行获取；波浪的作用通过波浪数学模型计算得到的波浪辐射应力进行反映；底摩擦阻力根据底质糙率系数进行计算。基于上述参数和边界条件的设置，计算并输出潮位、水深、垂向平均流速和流向；
二维潮流数学模型控制方程如下：
Figure SMS_1
，
式中：
t为时间；x和y为笛卡尔坐标；u和v分别为x和y方向垂向平均流速分量；
Figure SMS_17
为总水深，/>
Figure SMS_4
，/>
Figure SMS_10
为静止水深，/>
Figure SMS_14
为水位；s为源流量；/>
Figure SMS_18
为科氏力参数，由纬度和地球旋转角速度决定；/>
Figure SMS_16
为重力加速度；/>
Figure SMS_19
为水的真实密度；/>
Figure SMS_9
为水的参考密度；/>
Figure SMS_11
为大气压力；/>
Figure SMS_2
和/>
Figure SMS_6
为水体表面剪应力分量；/>
Figure SMS_5
和/>
Figure SMS_7
为底床切应力分量；
Figure SMS_12
为波浪辐射应力张量分量；/>
Figure SMS_15
和/>
Figure SMS_3
为源项的流速分量；
Figure SMS_8
为侧向切应力分量，反映了水体的粘滞力和紊动影响，由水平涡粘系数/>
Figure SMS_13
和垂向平均流速共同控制；
S4、建立三维中范围潮流数学模型；
基于中范围模型网格，采用DHI MIKE中的MIKE3建立三维中范围潮流数学模型，该模型驱动因子包括潮位、风、径流、波浪和底摩擦阻力；大范围潮流数学模型提供潮位边界数据输入三维中范围潮流数学模型，实现二维潮流模型和三位潮流模型的单向耦合，风和径流驱动与大范围潮流数学模型相同，波浪的作用通过S2波浪数学模型计算得到的波浪辐射应力进行反映，波浪辐射应力采用线性插值的方式输入三维中范围潮流数学模型；底摩擦阻力根据底质的泥沙特性得到的粗糙高度进行计算；基于上述参数和边界条件的设置，计算并输出潮位、水深、分层流速和分层流向；
三维潮流数学模型控制方程如下：
Figure SMS_20
，
式中：
t为时间；x,y,z为笛卡尔坐标；u,v,w分别为x,y,z方向流速分量；
Figure SMS_22
为总水深，
Figure SMS_25
，/>
Figure SMS_30
为静止水深，/>
Figure SMS_24
为水位；s为源流量；/>
Figure SMS_28
为科氏力参数，由纬度和地球旋转角速度决定；/>
Figure SMS_32
为重力加速度；/>
Figure SMS_33
为水的真实密度；/>
Figure SMS_21
为水的参考密度；/>
Figure SMS_27
为大气压力；/>
Figure SMS_29
为波浪辐射应力张量分量；/>
Figure SMS_35
和/>
Figure SMS_23
为源流量的流速分量，/>
Figure SMS_26
为垂直方向的涡粘性系数；/>
Figure SMS_31
和/>
Figure SMS_34
为水平应力项，以亚网格尺度水平涡动粘度为主导；
S5、建立三维小区域精细化潮流数学模型；
基于小区域模型网格，采用DHI MIKE中的MIKE3建立三维小区域精细化潮流数学模型，该模型驱动因子包括潮位、潮流、风、径流、波浪和底摩擦阻力，潮位和潮流边界由中范围潮流数学模型提供，其中潮流边界为具有垂向分布特性的流速和流向；基于上述参数和边界条件的设置，计算并输出潮位、水深、分层流速和分层流向；风和径流驱动与大范围潮流数学模型相同，波浪的作用通过S2波浪数学模型计算得到的波浪辐射应力进行反映，波浪辐射应力采用线性插值的方式输入三维中范围潮流数学模型；底摩擦阻力根据底质的泥沙特性得到的粗糙高度进行计算；
S6、将实测资料和计算值进行比较，对上述模型进行验证；
搜集历史水动力观测资料和潮汐表资料，水动力观测资料包括：潮位、垂向平均流速、垂向平均流向、分层流速、分层流向，潮汐表资料提供潮位数据；基于潮流数学模型计算历史时刻的潮位、流速和流向，将实测资料和计算值进行比较，并采用SKILL模型效率系数对模型进行评价；
S7、抛石水平漂移距离计算；
二维大范围潮流数学模型计算变化的潮位过程，输入至三维中范围潮流数学模型，为三维中范围潮流数学模型提供外海动力边界，形成二维和三维潮流数学模型的耦合，三维中范围潮流数学模型计算得到的变化的潮位、分层流速和流向结果输入至三维小区域精细化潮流数学模型，为三维小区域精细化潮流数学模型提供外海动力边界，抛石漂移距离计算基于三维小区域精细化潮流数学模型计算得到的抛石位置的分层流速和分层流向进行计算，考虑了抛石的垂向沉降过程和水平漂移过程。
1）垂向沉降计算
垂向运动中，抛石受到重力G，浮力
Figure SMS_36
和水流阻力/>
Figure SMS_37
的共同作用，抛石在垂向的平衡方程为：
Figure SMS_38
，
式中
Figure SMS_39
为抛石质量，/>
Figure SMS_40
为重力加速度，/>
Figure SMS_41
为垂向加速度；
Figure SMS_42
，
式中
Figure SMS_43
为抛石沉降速率，t为时间，浮力/>
Figure SMS_44
计算公式如下：
Figure SMS_45
，
式中
Figure SMS_46
为水的密度，/>
Figure SMS_47
为抛石的体积：
Figure SMS_48
，
式中
Figure SMS_49
为抛石的粒径，/>
Figure SMS_50
为抛石半径；
垂向水流阻力的计算公式如下：
Figure SMS_51
，
式中
Figure SMS_52
为垂向阻力系数；
抛石进入水中很快便呈现匀速下降的趋势，均匀的沉降速率
Figure SMS_53
为：/>
Figure SMS_54
，
式中
Figure SMS_55
为抛石的密度；
不同水层的垂直运动时间
Figure SMS_56
为：
Figure SMS_57
，
式中
Figure SMS_58
为水层厚度；
2）水平漂移计算
抛石在水平方向受到水流作用的有效推移力
Figure SMS_59
为：
Figure SMS_60
，
式中
Figure SMS_61
为水流流速，/>
Figure SMS_62
为抛石位移速度，/>
Figure SMS_63
为水平向的阻力系数，考虑抛石为变加速运动，需要考虑变加速运动引起的附加质量/>
Figure SMS_64
，抛石在水平方向上的动力平衡方程为：，
Figure SMS_65
，
附加质量
Figure SMS_66
计算公式为：
Figure SMS_67
，
式中
Figure SMS_68
为抛石水平方向上的加速度：
Figure SMS_69
，
式中
Figure SMS_70
为附加质量系数；
抛石水平漂移距离
Figure SMS_71
为：
Figure SMS_72
，
式中
Figure SMS_73
为分层层数，/>
Figure SMS_74
为第i层的抛石水平漂移速率，/>
Figure SMS_75
为第i层的水流流速，
Figure SMS_76
为第i层抛石水平方向上的加速度；
S8、根据工程需要的预测时间，对已建立好的波浪和潮流数学模型进行风场、大气压场及径流的修改，预测工程区域波浪、潮位、水深、分层流速和分层流向。
进一步，大范围模型网格分辨率范围为100m~5km，该模型计算范围以抛石区域为中心，向外延伸半径大于100km，保证模型边界潮位过程受岸线和地形的影响较小。
进一步，中范围模型网格分辨率范围为10m~1km，该模型计算范围包括在大范围模型计算范围内，以抛石区域为中心，向外延伸半径大于10km。
进一步，小区域模型网格分辨率均小于100m，抛石区域网格分辨率小于5m，该模型计算范围包括在中范围模型计算范围内，以抛石区域为中心，向外延伸半径1km。
进一步，在抛石垂向沉降和水平漂移的计算中，水平阻力系数
Figure SMS_77
，垂向阻力系数
Figure SMS_78
和附加质量系数/>
Figure SMS_79
，需要根据现场试验中的流速、流向、水深、抛石质量和水平漂移距离，进行多变量参数拟合，得到相应各项参数。
进一步，建立三维小区域精细化潮流数学模型时，风、径流及波浪驱动与大范围潮流数学模型相同，底摩擦阻力与中范围潮流数学模型一致。
进一步，进行预测时，针对施工规划，确定需要预报的时间，通过公开数据库（NOAA或ECMWF）获取对应预报时间的天气（风、大气压强），并收集往年对应时间径流数据，对波浪数学模型和潮流数学模型中的风、大气压强及径流条件进行修改。
相对于现有技术，本发明创造具有以下优势：
本发明预测方法采用三重嵌套网格和二三维模型耦合的方式，所采用的二维和三维耦合数学模型，较基于一维模型和二维模型的方法，能反映抛石区域水流垂向结构对抛石漂移的影响，特别是在抛石区有深基槽这种复杂且坡度较大的地形条件下，水流的垂向结构对抛石漂移的影响更加显著，因此采用三维模型更加合理和精确。
但是，如果整个模型范围均采用三维模型，则计算量较大，本方法采用二维和三维模型耦合的方式进行计算，其中外海大范围海域采用二维模型，工程区域及附近海域采用三维模型。在三维模型中，分为中范围模型和小区域精细化模型，中范围模型的垂向分层较小区域精细化模型更稀疏。上述方法可以有效保证计算精度，同时也显著降低了三维模型的计算量，增加了计算效率，保证了预测的时效性。
同时，抛石漂移的计算考虑了水流的垂向分布特性，将风、波浪、岸线、地形的影响纳入该预测方法中，不仅适用于内河河道的抛石工程，同时适用于河口和外海的抛石工程，可根据工程需要预报和预报。
附图说明
构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：
图1为本发明考虑风浪流作用的水下抛石漂移距离的预测方法的流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。
一种考虑风浪流作用的水下抛石漂移距离的预测方法，如图1所示，包括如下步骤：
S1、根据工程区域将网格进行划分；
将工程区域及其邻近的大范围海域作为大范围模型网格区域，由工程区域向外海网格逐渐稀疏；
将工程区域及其邻近的小范围海域作为中范围模型网格区域，该中范围模型网格区域被大范围模型网格区域覆盖，由工程区域向外海网格逐渐稀疏；
将工程区域作为小区域模型网格区域，以抛石区域为中心，采用精细化网格构建。
S2、潮流数学模型采用有限体积法求解不可压缩Reynolds平均Navier-Stokes方程，驱动因子包括潮位、风、径流、波浪和底部摩擦阻力。潮流数学模型为三重嵌套模型，分别基于大范围模型网格、中范围模型网格和小区域模型精细化网格进行构建；
下面基于大范围模型网格，采用SWAN模式建立波浪数学模型，求解波作用守恒方程；模型采用风场进行驱动，基于从公开数据库获取的历史风场资料，输入SWAN模式中波作用守恒方程，计算得到历史时刻的波高、周期和波向；
波浪数学模型基于SWAN模式求解波作用守恒方程，克服了波浪能量密度在流场存在情况下不守恒的问题。波作用守恒方程反映了风生浪、波浪非线性相互作用导致的能量转化，以及由于白帽、底部摩擦和波浪破碎引起的能量耗散。
在本预测方法中，基于大范围模型网格建立波浪数学模型，并通过风生浪驱动形成波浪场，其中风数据来源于公开数据库，考虑波浪非线性相互作用、白帽耗散、底摩擦阻力和波浪破碎，通过计算波作用量换算得到波浪辐射应力输入潮流数学模型；
S3、建立二维大范围潮流数学模型；
基于大范围模型网格，采用DHI MIKE中的MIKE21建立二维大范围潮流数学模型，该模型驱动因子包括潮位、风、径流、波浪和底摩擦阻力。潮位边界由潮位过程进行驱动，潮位过程边界由TOPEX/Poseidon卫星测高数据计算得到的调和常数进行驱动，如果工程区域及其邻近范围海域内有河流输入，则需要考虑径流的影响，具体的，径流数据采用历史统计数据，以源流量的形式输入至模型中；风的影响通过风速和大气压强输入进模型中，该部分数据通过再分析数据库进行获取；波浪的作用通过波浪数学模型计算得到的波浪辐射应力进行反映；底摩擦阻力根据底质糙率系数进行计算。基于上述参数和边界条件的设置，计算并输出潮位、水深、垂向平均流速和流向；
二维潮流数学模型控制方程如下：
Figure SMS_80
，
式中：
t为时间；x和y为笛卡尔坐标；u和v分别为x和y方向垂向平均流速分量；
Figure SMS_92
为总水深，/>
Figure SMS_83
，/>
Figure SMS_87
为静止水深，/>
Figure SMS_93
为水位；s为源流量；/>
Figure SMS_97
为科氏力参数，由纬度和地球旋转角速度决定；/>
Figure SMS_96
为重力加速度；/>
Figure SMS_98
为水的真实密度；/>
Figure SMS_90
为水的参考密度；/>
Figure SMS_94
为大气压力；/>
Figure SMS_81
和/>
Figure SMS_86
为水体表面剪应力分量；/>
Figure SMS_84
和/>
Figure SMS_89
为底床切应力分量；
Figure SMS_91
为波浪辐射应力张量分量；/>
Figure SMS_95
和/>
Figure SMS_82
为源项的流速分量；
Figure SMS_85
为侧向切应力分量，反映了水体的粘滞力和紊动影响，由水平涡粘系数
Figure SMS_88
和垂向平均流速共同控制。
S4、建立三维中范围潮流数学模型；
基于中范围模型网格，采用DHI MIKE中的MIKE3建立三维中范围潮流数学模型，该模型驱动因子包括潮位、风、径流、波浪和底摩擦阻力；大范围潮流数学模型提供潮位边界数据输入三维中范围潮流数学模型，实现二维潮流模型和三位潮流模型的单向耦合，风和径流驱动与大范围潮流数学模型相同，波浪的作用通过S2波浪数学模型计算得到的波浪辐射应力进行反映，波浪辐射应力采用线性插值的方式输入三维中范围潮流数学模型；底摩擦阻力根据底质的泥沙特性得到的粗糙高度进行计算；基于上述参数和边界条件的设置，计算并输出潮位、水深、分层流速和分层流向；
三维潮流数学模型控制方程如下：
Figure SMS_99
，
式中：
t为时间；x,y,z为笛卡尔坐标；u,v,w分别为x,y,z方向流速分量；
Figure SMS_102
为总水深，
Figure SMS_105
，/>
Figure SMS_111
为静止水深，/>
Figure SMS_103
为水位；s为源流量；/>
Figure SMS_107
为科氏力参数，由纬度和地球旋转角速度决定；/>
Figure SMS_110
为重力加速度；/>
Figure SMS_113
为水的真实密度；/>
Figure SMS_100
为水的参考密度；/>
Figure SMS_106
为大气压力；/>
Figure SMS_109
为波浪辐射应力张量分量；/>
Figure SMS_114
和/>
Figure SMS_101
为源流量的流速分量，/>
Figure SMS_104
为垂直方向的涡粘性系数；/>
Figure SMS_108
和/>
Figure SMS_112
为水平应力项，以亚网格尺度水平涡动粘度为主导；在中范围潮流模型中，潮流模型为三维潮流数学模型；中范围潮流数学模型垂向层数根据工程区域海域平均水深进行确定:如平均水深小于20m，则垂向层数为5，如果平均水深大于20m垂向层数为10。
S5、建立三维小区域精细化潮流数学模型；
基于小区域模型网格，采用DHI MIKE中的MIKE3建立三维小区域精细化潮流数学模型，该模型驱动因子包括潮位、潮流、风、径流、波浪和底摩擦阻力，潮位和潮流边界由中范围潮流数学模型提供，其中潮流边界为具有垂向分布特性的流速和流向，风、径流及波浪驱动与大范围潮流数学模型相同，底摩擦阻力与中范围潮流数学模型一致；基于上述参数和边界条件的设置，计算并输出潮位、水深、分层流速和分层流向；小区域精细化潮流模型为三维潮流数学模型，模型根据工程区域海域平均水深进行确定:如平均水深小于10m，则垂向层数为5，如果平均水深大于10m小于20m，垂向层数为10，如果平均水深大于20m，垂向层数为20。
小区域精细化潮流模型外海开边界由中范围潮流模型计算得到的潮位、不同水层的流速及流向共同驱动；径流、风和波浪驱动方式及数据来源于大范围潮流模型一致。底摩擦阻力根据底质粗糙高度进行计算。计算输出结果包括水深、不同水层的流速及流向。风和径流驱动与大范围潮流数学模型相同，波浪的作用通过S2波浪数学模型计算得到的波浪辐射应力进行反映，波浪辐射应力采用线性插值的方式输入三维中范围潮流数学模型；底摩擦阻力根据底质的泥沙特性得到的粗糙高度进行计算。
S6、将实测资料和计算值进行比较，对上述模型进行验证；
搜集历史水动力观测资料和潮汐表资料，水动力观测资料包括：潮位、垂向平均流速、垂向平均流向、分层流速、分层流向，潮汐表资料提供潮位数据；基于潮流数学模型计算历史时刻的潮位、流速和流向，将实测资料和计算值进行比较，并采用SKILL模型效率系数对模型进行评价；
S7、抛石漂移距离计算；
抛石在水中的运动过程，分为由重力驱动引起的垂向沉降过程和水平对流引起的水平漂移过程。下面进行计算。二维大范围潮流数学模型计算变化的潮位过程，输入至三维中范围潮流数学模型，形成二维和三维潮流数学模型的耦合，三维中范围潮流数学模型计算得到的变化的潮位、分层流速和流向结果输入至三维小区域精细化潮流数学模型，从而实现工程区域精确的潮位和潮流计算。抛石漂移距离的计算基于三维小区域精细化潮流数学模型的计算得到的分层流速、分层流向及水深情况，考虑了抛石在水中的垂向沉降过程和水平漂移过程，详细步骤如下：
1）垂向沉降计算
垂向运动中，抛石受到重力G，浮力
Figure SMS_115
和水流阻力/>
Figure SMS_116
的共同作用，抛石在垂向的平衡方程为：
Figure SMS_117
，
式中
Figure SMS_118
为抛石质量，/>
Figure SMS_119
为重力加速度，/>
Figure SMS_120
为垂向加速度。
Figure SMS_121
，
式中
Figure SMS_122
为抛石沉降速率，t为时间，浮力/>
Figure SMS_123
计算公式如下：
Figure SMS_124
，
式中
Figure SMS_125
为水的密度，/>
Figure SMS_126
为抛石的体积：
Figure SMS_127
，
式中
Figure SMS_128
为抛石的粒径，/>
Figure SMS_129
为抛石半径。
垂向水流阻力的计算公式如下：
Figure SMS_130
，/>
式中
Figure SMS_131
为垂向阻力系数。
抛石进入水中很快便呈现匀速下降的趋势，均匀的沉降速率
Figure SMS_132
为：
Figure SMS_133
，
式中
Figure SMS_134
为抛石的密度。
不同水层的垂直运动时间
Figure SMS_135
为：
Figure SMS_136
，
式中
Figure SMS_137
为水层厚度。
2）水平漂移计算
抛石在水平方向受到水流作用的有效推移力
Figure SMS_138
为：
Figure SMS_139
，
式中
Figure SMS_140
为水流流速，/>
Figure SMS_141
为抛石位移速度，/>
Figure SMS_142
为水平向的阻力系数，考虑抛石为变加速运动，需要考虑变加速运动引起的附加质量/>
Figure SMS_143
，抛石在水平方向上的动力平衡方程为：
Figure SMS_144
，
附加质量
Figure SMS_145
计算公式为：
Figure SMS_146
，
式中
Figure SMS_147
为抛石水平方向上的加速度：
Figure SMS_148
，
式中
Figure SMS_149
为附加质量系数。
抛石水平漂移距离
Figure SMS_150
为：
Figure SMS_151
，/>
式中
Figure SMS_152
为分层层数，/>
Figure SMS_153
为第i层的抛石水平漂移速率，/>
Figure SMS_154
为第i层的水流流速，
Figure SMS_155
为第i层抛石水平方向上的加速度；
在抛石垂向沉降和水平漂移的计算中，水平阻力系数
Figure SMS_156
，垂向阻力系数/>
Figure SMS_157
和附加质量系数/>
Figure SMS_158
，需要根据现场试验中的流速、流向、水深、抛石质量和水平漂移距离，进行多变量参数拟合，得到相应各项参数。
S8、根据工程需要的预测时间，对已建立好的波浪和潮流数学模型进行风场、大气压场及径流的修改，预测工程区域波浪、潮位、水深、分层流速和分层流向。
大范围模型网格较粗，网格分辨率范围为100m~5km，该模型计算范围以抛石区域为中心，向外延伸半径大于100km，保证模型边界潮位过程受岸线和地形的影响较小。
中范围模型网格较细，网格分辨率范围为10m~1km，该模型计算范围包括在大范围模型计算范围内，以抛石区域为中心，向外延伸半径大于10km。
小区域模型采用精细化网格，网格分辨率均小于100m，抛石区域网格分辨率小于5m，该模型计算范围包括在中范围模型计算范围内，以抛石区域为中心，向外延伸半径1km。
需要说明的是，抛石漂移试验选在流速变化显著的重点工程区域，抛石试验在施工交通船上进行，试验前期准备保证交通船与水流方向平行，并保证交通船锚系稳定。将块石采用编织网包裹，编织网一端连接水深2倍长的尼龙绳，用于块石的抛落与回收，具体的，将尼龙绳穿过定滑轮，自定滑轮起，定滑轮为原点，在定滑轮两侧的船舷边缘用白漆分别标记刻度，刻度单位为0.1m。
试验时，先将块石从船舷边缘抛落，对块石抛落位置进行定位，待尼龙绳不再随块石滑落时说明块石完全落至底部，随后将倾斜的尼龙绳慢慢捋至与船舷垂直，记录尼龙绳此时的位置，即可获得块石漂移距离。在抛石试验中，需要针对不同尺寸的抛石进行多次试验。并同步进行水文观测，同步水文观测包括流速、流向及水深的观测。观测采用船载ADCP进行测量，采集时间需覆盖抛石漂移试验。
同步水文观测采用声学多普勒流速剖面仪（ADCP-iFlow600P），ADCP测流的优势是可以从海面到海底全剖面实时分层流速流向测验。ADCP采用船侧支架安装，仪器最小入水深度不低于0.5m，同时要确保仪器任意波束不被船体遮挡，且在测验时，任何时刻ADCP换能器均不会露出水面。仪器供电采用一组直流电瓶供电，供电电压12V。为解决铁船对ADCP内部磁罗盘影响（铁磁效应），采用外界GNSS罗经的方式，以代替仪器内部磁罗盘。GNSS接收天线应尽可能置于仪器的正上方。GNSS天线定位安装指向和ADCP安装指向一致，均指向船艏位置。当船舶位置固定后，即开始对流速进行测量，并对流速数据进行实时获取，待该位置抛石试验结束后，停止测量。
现场抛石漂移试验和同步水文观测需要记录的数据包括：抛石尺寸、抛石密度、抛石质量、水深、分层流速、分层流向和抛石水平漂移距离。作为举例，基于MATLAB遗传算法工具箱（GA）实现水平漂移距离计算公式的多变量参数拟合，根据现场试验中的抛石尺寸、抛石密度、抛石质量、水深、分层流速、分层流向和抛石水平漂移距离，得到相应的水平阻力系数
Figure SMS_159
，垂向阻力系数/>
Figure SMS_160
和附加质量系数/>
Figure SMS_161
，并输入抛石水平漂移距离计算模块。/>
进行预测时，针对施工规划，确定需要预报的时间，通过公开数据库（NOAA或ECMWF）获取对应预报时间的天气（风、大气压强），并收集往年对应时间径流数据，对波浪数学模型和潮流数学模型中的风、大气压强及径流条件进行修改。并更改抛石参数（尺寸、密度、质量），计算和预测相应预报时间抛石的水平漂移距离，同时也可预报相应的水动力条件（潮位、波浪、流速）。
本发明预测方法采用三重嵌套网格和二三维模型耦合的方式，所采用的二维和三维耦合数学模型，较基于一维模型和二维模型的方法，能反映抛石区域水流垂向结构对抛石漂移的影响，特别是在抛石区有深基槽这种复杂且坡度较大的地形条件下，水流的垂向结构对抛石漂移的影响更加显著，因此采用三维模型更加合理和精确。
但是，如果整个模型范围均采用三维模型，则计算量较大，本方法采用二维和三维模型耦合的方式进行计算，其中外海大范围海域采用二维模型，工程区域及附近海域采用三维模型。在三维模型中，分为中范围模型和小区域精细化模型，中范围模型的垂向分层较小区域精细化模型更稀疏。上述方法可以有效保证计算精度，同时也显著降低了三维模型的计算量，增加了计算效率，保证了预测的时效性。
同时，抛石漂移的计算考虑了水流的垂向分布特性，将风、波浪、岸线、地形的影响纳入该预测方法中，不仅适用于内河河道的抛石工程，同时适用于河口和外海的抛石工程。另外，还能可根据工程需要提供远期预报（7-14天）、中期预报（3-7天）和近期预报（3天内）三种预报成果，提出施工窗口期建议，合理指导施工安排和决策。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种考虑风浪流作用的水下抛石漂移距离的预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、根据工程区域将网格进行划分；
将工程区域及其邻近范围海域作为大范围模型网格区域，由工程区域向外海网格逐渐稀疏；
将工程区域及其邻近范围海域作为中范围模型网格区域，该中范围模型网格区域被大范围模型网格区域覆盖，由工程区域向外海网格逐渐稀疏；
将工程区域作为小区域模型网格区域，以抛石区域为中心，采用精细化网格构建；
S2、建立波浪数学模型；
基于大范围模型网格，采用SWAN模式建立波浪数学模型，求解波作用守恒方程；模型采用风场进行驱动；
基于从公开数据库获取的历史风场资料，输入SWAN模式中波作用守恒方程，计算得到历史时刻的波高、波向和周期；
S3、建立二维大范围潮流数学模型；
基于大范围模型网格，采用DHIMIKE中的MIKE21建立二维大范围潮流数学模型，该模型驱动因子包括潮位、风、径流、波浪和底摩擦阻力；潮位边界由潮位过程进行驱动，潮位过程边界由TOPEX/Poseidon卫星测高数据计算得到的调和常数进行驱动，风的影响通过风速和大气压强输入进模型中，风速和大气压强的数据通过再分析数据库进行获取；波浪的作用通过波浪数学模型计算得到的波浪辐射应力进行反映；底摩擦阻力根据底质糙率系数进行计算；
基于上述二维大范围潮流数学模型的模型驱动因子参数设置、以及和潮位边界条件的设置，计算并输出潮位、水深、垂向平均流速和流向；
二维大范围潮流数学模型控制方程如下：
Figure FDA0004173899240000021
Figure FDA0004173899240000022
Figure FDA0004173899240000023
式中：
t为时间；x和y为笛卡尔坐标；u和u分别为x和y方向垂向平均流速分量；h为总水深，h＝d+η，d为静止水深，η为水位；S为源流量；f为科氏力参数，由纬度和地球旋转角速度决定；g为重力加速度；ρ为水的真实密度；ρ0为水的参考密度；pa为大气压力；τsx和τsy为水体表面剪应力分量；τbx和τby为底床切应力分量；sxx、sxy、syx、syy为波浪辐射应力张量分量；us和vs为源项的流速分量；Txx、Txy、Tyy为侧向切应力分量，反映了水体的粘滞力和紊动影响，由水平涡粘系数A和垂向平均流速共同控制；
S4、建立三维中范围潮流数学模型；
基于中范围模型网格，采用DHI MIKE中的MIKE3建立三维中范围潮流数学模型，该模型驱动因子包括潮位、风、径流、波浪和底摩擦阻力；将大范围潮流数学模型提供的潮位边界数据输入三维中范围潮流数学模型，实现二维潮流模型和三位潮流模型的单向耦合，风和径流驱动与大范围潮流数学模型相同，波浪的作用通过S2波浪数学模型计算得到的波浪辐射应力进行反映，波浪辐射应力采用线性插值的方式输入三维中范围潮流数学模型；底摩擦阻力根据底质的泥沙特性得到的粗糙高度进行计算；
基于上述三维中范围潮流数学模型的模型驱动因子的参数设置、以及潮位边界条件的设置，计算并输出潮位、水深、分层流速和分层流向；
三维中范围潮流数学模型控制方程如下：
Figure FDA0004173899240000031
Figure FDA0004173899240000032
Figure FDA0004173899240000033
式中：
t为时间；x，y，z为笛卡尔坐标；u，v，w分别为x，y，z方向流速分量；h为总水深，h＝d+η，d为静止水深，η为水位；S为源流量；f为科氏力参数，由纬度和地球旋转角速度决定；g为重力加速度；ρ为水的真实密度；ρ0为水的参考密度；pa为大气压力；sxx、sxy、syx、syy为波浪辐射应力张量分量；us和vs为源流量的流速分量，vt为垂直方向的涡粘性系数；Fu和Fv为水平应力项，以亚网格尺度水平涡动粘度为主导；
S5、建立三维小区域精细化潮流数学模型；
基于小区域模型网格，采用DHI MIKE中的MIKE3建立三维小区域精细化潮流数学模型，该模型驱动因子包括潮位、潮流、风、径流、波浪和底摩擦阻力，潮位和潮流边界由中范围潮流数学模型提供，其中潮流边界为具有垂向分布特性的流速和流向；风和径流驱动与大范围潮流数学模型相同，波浪的作用通过S2波浪数学模型计算得到的波浪辐射应力进行反映，波浪辐射应力采用线性插值的方式输入三维中范围潮流数学模型；底摩擦阻力根据底质的泥沙特性得到的粗糙高度进行计算；
基于上述三维小区域精细化潮流数学模型的模型驱动因子参数设置、以及潮位和潮流边界条件的设置，计算并输出潮位、水深、分层流速和分层流向；
S6、将实测资料和计算值进行比较，对上述建立的三维小区域精细化潮流数学模型进行验证；
搜集历史水动力观测资料和潮汐表资料，水动力观测资料包括：潮位、垂向平均流速、垂向平均流向、分层流速、分层流向，潮汐表资料提供潮位数据；
基于三维小区域精细化潮流数学模型计算历史时刻的潮位、流速和流向，将实测资料和计算值进行比较，并采用SKILL模型效率系数对模型进行评价；
S7、抛石漂移距离计算；
二维大范围潮流数学模型计算变化的潮位过程，输入至三维中范围潮流数学模型，为三维中范围潮流数学模型提供外海动力边界，形成二维和三维潮流数学模型的耦合，三维中范围潮流数学模型计算得到的变化的潮位、分层流速和流向结果输入至三维小区域精细化潮流数学模型，为三维小区域精细化潮流数学模型提供外海动力边界，抛石漂移距离计算基于三维小区域精细化潮流数学模型计算得到的抛石位置的分层流速和分层流向进行计算，考虑了抛石的垂向沉降过程和水平漂移过程；在建立三维小区域精细化潮流数学模型时，风、径流及波浪驱动与大范围潮流数学模型相同，底摩擦阻力与中范围潮流数学模型一致；
1)垂向沉降计算；
垂向运动中，抛石受到重力G，浮力Ff和水流阻力fy的共同作用，抛石在垂向的平衡方程为：
may＝G-Ff-fy＝mg-Ff-fy
式中m为抛石质量，g为重力加速度，ay为垂向加速度，
αy＝dω/dt
式中ω为抛石沉降速率，t为时间，浮力Ff计算公式如下：
Ff＝ρgVs
式中ρ为水的密度，Vs为抛石的体积：
Figure FDA0004173899240000051
式中D为抛石的粒径，R为抛石半径，
垂向水流阻力的计算公式如下：
fy＝ηyρD2ω2
式中ηy为垂向阻力系数，
抛石进入水中很快便呈现匀速下降的趋势，均匀的沉降速率
Figure FDA0004173899240000061
为：
Figure FDA0004173899240000062
式中ρs为抛石的密度，
不同水层的垂直运动时间ti为：
Figure FDA0004173899240000063
式中hi为水层厚度，
2)水平漂移计算；
抛石在水平方向受到水流作用的有效推移力Fx为：
Figure FDA0004173899240000068
式中
Figure FDA0004173899240000064
为水流流速，/>
Figure FDA0004173899240000065
为抛石位移速度，ηx为水平向的阻力系数，考虑抛石为变加速运动，需要考虑变加速运动引起的附加质量ma，抛石在水平方向上的动力平衡方程为：/>
Figure FDA0004173899240000066
附加质量ma计算公式为：
ma＝βρD3
式中ax为抛石水平方向上的加速度：
Figure FDA0004173899240000067
式中β为附加质量系数，
抛石水平漂移距离Sh为：
Figure FDA0004173899240000071
式中n为分层层数，
Figure FDA0004173899240000073
为第i层的抛石水平漂移速率，/>
Figure FDA0004173899240000072
为第i层的水流流速，axi为第i层抛石水平方向上的加速度；
S8、根据工程需要的预测时间，对已建立好的波浪和潮流数学模型进行风场、大气压场及径流的修改，预测工程区域波浪、潮位、水深、分层流速和分层流向。
2.根据权利要求1所述的一种考虑风浪流作用的水下抛石漂移距离的预测方法，其特征在于：大范围模型网格分辨率范围为100m～5km，该模型计算范围以抛石区域为中心，向外延伸半径大于100km，以减小岸线和地形在模型边界潮位过程的影响。
3.根据权利要求1所述的一种考虑风浪流作用的水下抛石漂移距离的预测方法，其特征在于：中范围模型网格分辨率范围为10m～1km，该模型计算范围包括在大范围模型计算范围内，以抛石区域为中心，向外延伸半径大于10km。
4.根据权利要求1所述的一种考虑风浪流作用的水下抛石漂移距离的预测方法，其特征在于：小区域模型网格分辨率均小于100m，抛石区域网格分辨率小于5m，该模型计算范围包括在中范围模型计算范围内，以抛石区域为中心，向外延伸半径1km。
5.根据权利要求1所述的一种考虑风浪流作用的水下抛石漂移距离的预测方法，其特征在于：在抛石垂向沉降和水平漂移的计算中，水平阻力系数ηx，垂向阻力系数ηy和附加质量系数β，需要根据现场试验中的流速、流向、水深、抛石质量和水平漂移距离，进行多变量参数拟合，得到相应各项参数。
6.根据权利要求1所述的一种考虑风浪流作用的水下抛石漂移距离的预测方法，其特征在于：进行预测时，针对施工规划，确定需要预报的时间，通过公开数据库获取对应预报时间的天气，并收集往年对应时间径流数据，对波浪数学模型和三维小区域精细化潮流数学模型中的风、大气压强及径流条件进行修改。
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