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基于ADCP的长江口水沙运动分析及三维水流数学模型

于东生  
【摘要】:本文旨在根据ADCP水流实测资料及悬沙含量实测资料,并结合三维水流数学模型,对长江口水流泥沙运动规律进行研究。 针对河口水流运动特性,采用ADCP实测水流资料对长江口水流运动规律进行研究分析。首先介绍了ADCP水流测量的原理及方法,并探讨ADCP的误差控制;研究了ADCP水流实测数据的处理方法,本文所用水流资料为ADCP的文本数据文件;根据ADCP实测水流资料,利用水文学、泥沙运动力学、河流动力学、数理统计相结合的方法,对长江口水流运动规律进行研究;基于河口水流运动特点,研究长江口水流环流形成的机理,并研究主要的影响因素;科氏力、径潮流相互作用及盐水入侵导致的密度梯度是形成环流的主要原因。 根据ADCP实测流量数据,采用三种不同的处理方法,对长江口横断面流量分布规律进行了分析,单宽流量分布与河道断面形态较为一致,同时也发现地形变化对流量分布有很大影响。单宽流量在一定程度上能反映水流与河床边界的相互作用、相互适应的辨证关系,反映断面上单宽水体所具有的动量大小,可表征水流运动强度的动量,更能直接地反映水流对河床的动力作用。 采用ADCP实测水流资料与悬沙含量实测资料相结合的方法,对长江口悬沙运动进行分析。悬沙运动模式与水流基本一致,也存在三种悬沙输移环流模式。在径潮流作用相对均衡的河口段,存在表层向海、底层向陆的垂向悬沙环流,北侧进沙、南侧出沙的平面悬沙环流以及表层向南、底层向北的横向悬沙环流。分析了潮流量与输沙率之间的关系。 以水流运动的基本假定为基础,分析Navier-Stokes方程,Reynolds方程及紊流模型,利用牛顿流体的应力与应变的本构关系,推导挟沙水流时均运动方程;从曲线网格生成技术入手,探讨控制函数的构造形式,应用Poisson方程变换建立正交曲线坐标系下的二维和三维水流数学模型;根据所建立的三维水流数学模型,对长江口水流进行模拟计算。 除了采用常用的水位、定点流速及垂线流速验证外,采用ADCP实测资料进行验证,包括断面流速、流量等。利用统计模型、方差分析模型与回归分析模型,对计算值与实测值进行相关性检查,探讨两者之间线性关系的密切程度,并分析ADCP水流测量的精度。结果表明,ADCP实测资料与模拟计算值有较好的一致性。


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