mike21c泥沙模块科学手册中文版(3)

2025-06-27

式中:i 虚数 w 河宽

n 横向坐标(单位向量) s 纵向坐标(单位向量) 带入式(3.30),得:

与水动力学得耦合通过定义以下参数来实现:

而床面扰动的长度变换的长度比尺定义为:

式(3.32)的解为:

一个求解的图例见图3.5。

自适应长度λs预示作在通过泥沙输移夷平之前,下游一段距离的任何扰动都将被感受到。横向坡度因子G,结合螺旋流强度,控制床面切应力的偏向(进

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而控制泥沙输移的方向),看来对自适应长度比尺相当重要。理论上讲,如果床面切应力不受河床横向坡度的影响,长度比尺将变成无穷大。不然,任何干扰被保留。如果G值较大,横向坡度的重力效应将对床面切应力产生强烈的偏向,自适应长度将变小,干扰将迅速消失。

从式(3.34)可以看到,宽深比河单独的水深对长度比尺都很重要。事实上,求解的边界条件确定了宽深比的重要性。

如果将式(3.33)带入作为对干扰在在流场中对河流地貌产生相映的式(3.32),那么对于坐标s,我们有:

作为河床地貌变化对流场的相映的式(3.21),也可以对坐标s写成:

项从式(3.32)中分离出来,

项从式(3.36)中分离出来,带入式(3.37),

可以得到:

式(3.38)的复数解为:

式中:

j 解的个数,对于二阶微分方程有两个根存在。 复波数可以分解成代表波长的实部,和代表波阻的虚部:

把式(3.39)带入式(3.37)得到确定波数的多项式:

复行列式为:

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式(3.41)有复数解:

对于

,波数的实部为:

而波数的虚部为:

求解草图见图3.6。

对于

大于1时,解变得不稳定,因为阻尼变成负数,线性化方程时采用

的假定不再正确。

3.4 动床阻力

有两种方式可以更新谢才系数和满宁系数,要么为水深的简单函数,要么为计算的沙波尺度的函数。

由水深更新阻力系数可表达如下:

式中:A 阻力系数

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b 阻力指数

可变阻力的应用将影响冲淤模式。采用了阻力更新,水流将更加偏离浅水区,从而造成床面切应力加大,泥沙输移增强。通常,这将导致河床冲刷的超条效应,沙洲的地貌将变得更加圆滑,正如1992年Talmon所述。

3.5 补给受限的泥沙输移

补给受限的泥沙输移意味作,局部的挟沙力由两个因数的乘积确定,一个是局部床沙层厚度与平衡床沙厚度的相对比值,另一个是由选定的公式计算出的输沙能力。补给限制的泥沙输移是在有一层床沙时激活,而不是缺省的0层。输沙公式修改为:

式中对输沙能力

进行了缩放得到输沙率S。缩放是通过函数f,以及床沙

时,输沙

厚度?相对于指定的可以充足补给泥沙的床沙厚度?eq的比值。当率小于挟沙力。函数f变为

。当床沙厚度大时输沙率不受此影响。

平衡厚度作为水深比例来计算的,缺省为h/12,因为典型的沙波高度为水深的1/6。可以指定平衡厚度相对于水深的最大和最小值。如果最大和最小值相同,也可以指定厚度为常数。注意,很薄的床沙会很快移动,将要求较小的地貌(河床变形)时间步长。

补给受限的泥沙输移模型可以用来模拟薄层泥沙,比如下水道、粗化河床表面、局部抗冲区。补给受限模型将跟踪局部床沙厚度,能够再生易于冲刷的薄层床沙。补给受限的泥沙输移模型有两个主要的应用:

局部抗冲区域

例如河流中被植被覆盖的小岛,就可以用补给受限的泥沙输移模型。当指定初始床沙厚度的分布时,岛上可以指定为0,而其他地方用一个较大数值,比如100m。这就意味作岛是不可冲的,但多余的泥沙可以在岛上沉积(以后也可以被冲走)。

对地貌系统的补给比输沙能力低(不饱和输沙)

这是补给受限的泥沙输移模型最重要的应用。这里泥沙将在粗化河床(或混凝土管道)上形成厚度可变的床沙层。床沙厚度由进入的泥沙补给确定。这对

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于粗化河道很重要,也可以用来模拟沙洲。

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