台风作用下自由沉物周边海底冲刷过程的模拟研究.pdf

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1、泥沙研究2014年6月JournalofSedimentResearch第3期台风作用下自由沉物周边海底冲刷过程的模拟研究刘力搴。一，庞重光(1．中国科学院海洋研究所，山东青岛266071；2．中国科学院海洋环流与波动重点实验室，山东青岛2660713．中国科学院大学，北京100049)摘要：在台风等极端天气状况下，强烈的波致底流速和潮流的共同作用使海底沉积泥沙冲刷严重。采用数值试验的方法，探讨了台风作用下受海底自由沉物的影响造成的沉积泥沙被加速冲刷的过程。数值计算工具采用了SWAN海浪模式和DRAMBUIE冲刷

2、模式。结果显示：波致底流速随水深的增加而减小，但在高风速作用下，最大底流速并不发生在水深最小处；在相同水深条件下，背景风速作用下波致底流速与台风作用下的底流速之间存在数量级的差别。自由沉物周围的冲刷坑在无回填发生时，其深度随时间持续增加，增加的幅度与底流速的变化幅度一致；冲刷坑最终深度与底流速具有正相关关系。底质粒径对冲刷坑最终深度有显著影响；粗、细颗粒底质会随底流速增加而出现易冲刷性改变的现象，以某流速为界，小于该值细颗粒底质易被冲刷，大于该值则粗颗粒易被冲刷。关键词：台风；底流速；海底冲刷；自由沉物；数值模拟

3、中图分类号：P737．2文献标识码：A文章编号：0468-155X(2014)03—0020—08在浅海区，正常情况下风浪引起的海水近底层运动与潮流相比几乎可以忽略，但在极端天气状况下，如寒潮，台风等，风场作用大大增强，波浪引起的近底层海水运动(近底层波致轨道速度，以下简称波致底流速)也会明显加强。在一定深度内，波致底流速会超过潮流流速；在强波致底流和潮流的共同作用下，海底自由沉物如水雷等，以及非自由沉物如海底管线等的冲刷会更加严重，并造成相当的经济损失。因此，以台风为代表，研究极端天气现象对浅海区有沉物影响的海

4、底冲刷过程有一定科学意义和应用价值。研究台风作用下沉物影响的海底冲刷状况，波致底流速的准确计算至关重要。在浅海区，按照线性波动理论的假设，波浪轨道运动公式可以描述任意深度海水的波致底流速，但实际情况不能完全以线性波动理论来解释。在实际海洋中，波浪的传播过程是非线性的，不同频率、波长、波高的波浪传播方向各不相同，而且波浪传播时发生破碎和底摩擦还会造成能量的耗散¨。因此本文利用能综合模拟波浪传播各种物理过程的第三代浅海海浪数值模式SWAN(SimulatingWavesNearshore)来模拟波致底流速。目前为止，

5、许多模式可以用来预测海底自由沉物的冲刷过程，比如一些被广泛使用的标准模式：ASU模式(ArizonaStateUniversity)、VIMS2一D模式(VirginiaInstituteofMafineScience)和DRAMBUIE(DefenseResearchAgencyMineBurialEnvironment)模式。DRAMBUIE模式相比其他模式可以更好地将潮流、波浪、沉积物粒径、水深和海底沉物特征等因素结合起来，而且模式计算量小、简单实用，已经被多次使用和讨论’。因此本文选用DRAMBUIE模式

6、来模拟台风作用下海底自由沉物周围的冲刷过程。1模式的介绍及运行1．1SWAN模式SWAN模式属于第三代浅海海浪数值模式，由荷兰Delft大学土木工程系在WAM模式、WaveWatch收稿日期：2Ol3-03-07基金项目：国家重大科学研究计划课题(2叭2cB956OO4)资助作者简介：刘力搴(1983一)，女，内蒙古锡林郭勒盟人，硕士，主要从事海洋地质沉积动力方面研究。E-mail：457106902@qq．tom通讯作者：庞重光。E-mail：chgpang@qdio．ae．cn20Ⅲ模式和TOMAWAC模式的

7、基础上开发并维护。SWAN建立在动谱平衡方程上，以不规则波的方向谱形式来表示随机海浪，并且能综合模拟各种物理过程，包括波浪的传播过程以及波浪的产生和耗散。近年来，SWAN模式被广泛应用于我国陆架海域波浪的数值模拟。。。由于波浪在传播过程中不断有能量的输入和耗散，所以SWAN以波动谱平衡方程来解释波浪传播过程，在笛卡尔坐标下波动谱平衡方程表示为aNOCNOCNOCNOCNSa￡Oy00or等式的左边分别表示波动谱密度Ⅳ随时间t、空间、Y、频率和传播方向0的变化；C为传播速度；右边则表示从风驱动波浪到波浪传播的几乎所

8、有主要过程，包括：风成波浪、白帽破碎、底摩擦、变浅引起的破碎、三波相互作用和四波相互作用；S代表能量源项。本文使用的版本为40．85，运行SWAN模式最终输出与波浪有关的参数为：波致底流速、近底层波浪的周期。特别说明的是，SWAN模式输出的波致底流速依据下式计算2m=E(，)d盯deSWAN模式在计算时，考虑到增水作用水深h随时间变化，对波浪能量的积分也包括风成波浪和波浪