[发明专利]河口水道水沙运动实验模拟及测量系统

说明书

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。

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；N_z＝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；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；