[发明专利]河口水道水沙运动实验模拟及测量系统

权利要求书

1.一种河口水道水沙运动实验模拟及测量系统，其特征在于：测量系统包括固定测船，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；

该测量系统的模拟计算方法包括以下步骤：

收集测量系统的测量数据，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；N_z＝κ*D*u_*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；u_f是与径流有关的平均流速；τ_w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；h_tu′₀c′_t和h_tu′_tc′₀为时均量与潮汐振动切变引起的剪切扩散；h_tu′_tc′_t为垂向潮振荡切变作用。

2.根据权利要求1所述的河口水道水沙运动实验模拟及测量系统，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。

3.根据权利要求2所述的河口水道水沙运动实验模拟及测量系统，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。