[发明专利]一种考虑风浪流作用的水下抛石漂移距离的预测方法

权利要求书

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：

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；p_a为大气压力；τ_sx和τ_sy为水体表面剪应力分量；τ_bx和τ_by为底床切应力分量；s_xx、s_xy、s_yx、s_yy为波浪辐射应力张量分量；u_s和v_s为源项的流速分量；T_xx、T_xy、T_yy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：

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；p_a为大气压力；s_xx、s_xy、s_yx、s_yy为波浪辐射应力张量分量；u_s和v_s为源流量的流速分量，v_t为垂直方向的涡粘性系数；F_u和F_v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F_f和水流阻力f_y的共同作用，抛石在垂向的平衡方程为：

ma_y＝G-F_f-f_y＝mg-F_f-f_y

式中m为抛石质量，g为重力加速度，a_y为垂向加速度，

α_y＝dω/dt

式中ω为抛石沉降速率，t为时间，浮力F_f计算公式如下：

F_f＝ρgV_s

式中ρ为水的密度，V_s为抛石的体积：

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：

f_y＝η_yρD²ω²

式中η_y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，均匀的沉降速率为：

式中ρ_s为抛石的密度，

不同水层的垂直运动时间t_i为：

式中h_i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F_x为：

式中为水流流速，为抛石位移速度，η_x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m_a，抛石在水平方向上的动力平衡方程为：

附加质量m_a计算公式为：

m_a＝βρD³

式中a_x为抛石水平方向上的加速度：

式中β为附加质量系数，

抛石水平漂移距离S_h为：

式中n为分层层数，为第i层的抛石水平漂移速率，为第i层的水流流速，a_xi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。