[发明专利]一种均匀沙上扬通量计算方法

说明书

本发明公开了一种均匀沙上扬通量计算方法，该方法根据均匀沙的代表粒径、颗粒密度和床面颗粒体积分数确定平均一次猝发过程单位床面面积上的有效上扬面积进而计算上扬通量。与目前常用公式如Van Rijn公式和曹志先公式在中低上扬条件下计算结果偏大的情况不同，本发明公开的上扬通量计算方法在低、中、高上扬条件下均具有较高的准确性。

技术领域

本发明涉及一种均匀沙上扬通量计算方法，属于泥沙动力学技术领域。

背景技术

在河流和海洋环境中，水流和底床有着复杂的相互作用。当水流引起的床面切应力超过床面泥沙的起动切应力时，床面泥沙开始脱离床面进入水流。单位床面在单位时间上脱离床面的泥沙颗粒的质量(或体积)称为上扬通量。泥沙的上扬会增加水体的含沙量，进而影响水环境。当床面泥沙含有微生物和重金属等有害物质时，泥沙的上扬还将危害水质和水生态。长期的泥沙上扬会引起水下地形地貌演变，亦会造成涉水工程的失事，如桥梁因桩基冲刷而倒塌。因此准确地预测(计算)上扬通量至关重要。

过去几十年来，一些学者通过均匀沙冲刷实验，提出了一些上扬通量的经验公式，如Fernandez公式，Nakagawa和Tsujimoto公式，van Rijn公式。还有一些学者基于相关理论，建立了一些上扬通量理论公式。如爱因斯坦根据随机理论，在其推移质输沙理论中建立了上扬通量公式。曹志先根据紊流猝发机制并假设泥沙的上扬是猝发过程造成的，建立了上扬通量公式。周宜林等根据能量守恒原理建立了上扬通量的半经验半理论公式。现有上扬通量物理实验结果表明，Fernandez公式、Nakagawa和Tsujimoto公式、爱因斯坦公式和周宜林等提出的公式的误差较大。目前较常用的公式为van Rijn公式和曹志先公式。然而，与实测数据的比较显示，van Rijn公式和曹志先公式在高上扬条件下，公式的计算值与实测值吻合较好，但在中低上扬条件下，公式的计算值往往偏大。

发明内容

目的：为了克服现有技术中常用公式在中低上扬条件下，计算值比实测值偏大的问题，本发明提供一种均匀沙上扬通量计算方法，该方法根据大量均匀沙上扬通量实验数据量化了平均一次猝发过程单位床面面积上的有效上扬面积，使得该计算方法在低、中、高上扬条件下计算的上扬通量均与实测值吻合较好。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种均匀沙上扬通量计算方法，包括如下步骤：

(1)获取均匀沙基本参数，包括中值粒径d、颗粒密度ρ_s以及床面颗粒体积分数

(2)根据床面切应力τ_b，计算对应的Shields数θ，所述床面切应力τ_b采用沙粒切应力；

(3)根据实验或公式确定均匀沙的临界Shields数θ_cr；

(4)计算平均一次猝发过程单位床面上有效上扬面积A，计算公式为：

(5)计算无量纲上扬通量E_*，计算公式为：

式中，T_B⁺为内尺度无量纲猝发周期，取T_B⁺＝100；D_*为无量纲粒径；

(6)根据无量纲上扬通量，计算质量上扬通量E，计算公式为：

式中，g为重力加速度。

优选地，步骤(2)中，Shields数θ的计算公式为：

式中：ρ_w为水的密度；g为重力加速度。