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摘要：为了定量地评价泥沙异重流基本控制参数对泥沙异重流流动的影响，本文设计了一系列数值试验来展示各种参数与泥沙异重流流动特征之间的定量关系。采用ADI法求解三维方程经垂向积分后的平面二维泥沙异重流方程。所选取的基本控制参数包括水下斜坡坡角，总阻力系数，水力挟带系数，泥沙饱和浓度和泥沙沉速。通过数值试验得出水下斜坡坡角θ、泥沙饱和浓度Es越大，总阻力系数cd、泥沙沉速ω越小，相应地泥沙异重流流速、流动厚度以及悬沙浓度越大。其中斜坡坡角对泥沙异重流影响最大。当泥沙异重流流动处于超临界流状态，水力挟带系数Ew大于零，这时由于有一定水量的卷入，所以流动厚度沿程增加。
www.365SYJ.com 关键词：黄河口 泥沙异重流 控制参数 数值试验 ADI法 易贴 http://www.uniuc.com 泥沙异重流及形成的地质体在沉积学和石油地质中有重要意义。在黄河口，泥沙异重流是泥沙搬运的重要方式，是河口区沉积动力的重要过程，是认识河口三角洲发育演化的重要途径。为使研究深入一步，我们进行了泥沙异重流的数值模拟。近年来，国内对异重流数模研究较少，仅见方春明等(1997)关于泥沙异重流潜入时的立面二维数值模拟以及邱晨霞(1995)对盐水异重流的二维两层数值计算。 大学城资料库 www.uniuc.com/lib 1 平面二维泥沙异重流控制方程及数值模拟 http://www.uniuc.com 目前，包含三个基本控制方程(流体质量、动量守恒方程和泥沙质量守恒方程)的泥沙异重流数值模拟被广泛应用，本文把一维方程推广到平面二维的情形，成为四方程模型，如下所示[1] 华东社区 e.bbsuc.com 
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其中u，v分别为x，y方向速度，θx，θy分别为x，y方向坡度，Ewx与Ewy分别为x、y方向的水力挟带系数，τx、τy为x方向与y方向的剪切摩擦力，kx、ky分别为x方向与y方向的悬沙扩散系数，t为时间，h为异重流厚度，s为深度平均的悬沙含量，ρs，ρw，ρf分别为泥沙颗粒、水体和泥沙异重流的密度，Es为泥沙饱和浓度，ω为泥沙颗粒的沉降速度，α为泥沙运动饱和系数，g为重力加速度，f为柯氏力参量。 http://www.uniuc.com 在方程(1)中，水力挟带系数Ewx与Ewy是流动Richardson数(Rix、Riy)的函数，可用若干经验式表达[5]。以x方向为例，它们是 http://www.uniuc.com Ashida et al.(1975): Ewx=0.0015/Rix； 易贴 Parker et al.(1987): Ewx=0.075/(1+718Rix2.4)2.5； 大学城 Fukushim et al.(1985):Ewx=0.0015/(0.0204+Rix)； http://www.uniuc.com 以及俞维升(1991)：Ewx=0.0034/Rix2.9等。 www.Hueiu.com 会友网 在方程(2)、(3)中，剪切摩擦力τx、τy是作用在异重流上下界面摩擦力的总和，它们由下式所示。 华东社区 e.bbsuc.com 
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其中 cd=cf(1+α′),被称为总阻力系数，范家骅等(1980)的cd值约0.003，Parker et al.(1987)的cd值在0.001～0.058之间，俞维升(1991)的cd值在0.003～0.004之间，可见cd值有很大的不确定性。 大学城 在方程(4)中，泥沙饱和浓度Es是描述泥沙异重流流动特征参数的函数，对黄河口可用下式表示 易贴 中国水科院(1997)公式[2，3] www.365SYJ.com s≤15kg/m3,Es=123(V2/gh)0.36(V/ω)-0.33(1-Δh/h)0.2 大学城资料库 www.uniuc.com/lib s>15kg/m3,Es=9.7(V2/gh)0.01(V/ω)0.16(1-Δh/h)0.22 www.Hueiu.com 会友网 V为合流速,h为水深,ω为泥沙沉速，Δh为潮差。 http://www.uniuc.com 张青玉经验式 Es=9.83(V2/h)0.23 易贴 定解条件： http://www.uniuc.com 边界条件：陆地边界：Vn＝0(n为岸线的法线方向), s′=0(′表示陆地) 大学城资料库 www.uniuc.com/lib 水边界：h*(t)=h(t),s*=s(*表示水边界)；河口边界：u=1.5(m/s) s=50(kg/m3) 大学城 初始条件：u=0 v=0 s=0 h=0.5(m) 大学城资料库 www.uniuc.com/lib 采用有限差分法中的ADI法求解方程组(1)、(2)、(3)、(4)。事实上，我们应当同时求解描述泥沙异重流流动的方程，因为它们是一组相互耦合的方程组。然而同时求解相当复杂，我们便采取一种叫冻结系数法[4]的近似耦合法来求解。 http://www.uniuc.com 计算黄河口泥沙异重流时，泥沙异重流起点在黄河入海处。数值计算区域如图1所示，x、y方向空间步长均取1/3千米，时间步长取24秒；计算区海底地形如图2所示；柯氏参数f＝2Ωsinφ，Ω取7.2722×10-5s-1，φ取36.7°；泥沙密度ρs取2.65g/cm3，水体密度ρw取1.015g/cm3，泥沙异重流密度ρf取1.040g/cm3。 www.Bbsuc.com 
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| 图1 泥沙异重流数值计算区域
Area of numerical simulation of
sediment density current www.Hueiu.com 会友网 | 图2 计算区海底地形图
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