一种沙滩侵蚀量预测方法与流程

本发明涉及一种用于台风天气强波浪作用下的沙滩侵蚀量的预测方法。

背景技术：

我国东南沿海每年都遭受几次强台风的影响，台风引起的强波浪对海滩砂土影响较大，波浪导致沙滩砂粒悬浮，在波浪动力作用下被带到更深的水深处，造成海滩砂土严重侵蚀。以2016年“莫拉蒂”台风为例，该台风引起的波浪造成了厦门沙滩的严重侵蚀，据调查，海沧吴冠沙滩侵蚀量达到10～15cm高度，同安后田社区一带人造沙滩侵蚀量达到23～54cm高度。对于沙滩的侵蚀量，除了现场调查外，采用理论模型进行预测是一种较好的方法，目前的预测方法大都基于泥砂的输运模型、泥砂来源和波流特点建立的，这些方法大都比较复杂，某些参数难以确定，不便于工程师掌握使用。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种基于波流侵蚀力和砂土抗剪强度模型的沙滩侵蚀量预测方法，具有使用简单、结果可靠的优点，旨在为沙滩减灾和防护提供理论指导。

本发明采用如下技术方案：

一种沙滩侵蚀量预测方法，包括如下步骤：

1)计算破碎波波高H_b，H_b＝0.39g^0.2(TH₀²)^0.4，g为重力加速度，H₀为深水波波高，T为波浪周期，T₀为波浪持续时间，h为沙滩增水深度；

2)计算沙滩处波浪速度u₀：

3)计算不同波高对应的波浪数目N_i；

4)计算波浪对滩面造成的侵蚀剪应力：

τ_w＝0.5F_wρ_wu₀²

式中，F_w为水流与土体之间的摩阻系数，ρ_w为海水密度；

5)计算砂土抗侵蚀临界剪应力：

式中，d_s为砂土中值粒径，ρ_s为砂粒密度为砂土的内摩擦角；

6)计算沙滩的侵蚀量：

式中，E_s为波浪侵蚀量，N_i为第i个波高对应的波浪数，n为波高数，K_s和a分别为将侵蚀力转化为侵蚀量的转化系数，a取1.0。

优选的，在步骤1)中，根据波浪监测站监测数据，确定台风期间深水波浪参数，包括深水波波高H₀，波浪周期T，波浪持续时间T₀以及沙滩增水深度。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明基于波流侵蚀力和砂土抗剪强度模型进行沙滩侵蚀量预测，具有步骤简单、结果可靠的优点，旨在为砂滩减灾和防护提供理论指导。

附图说明

图1为不同波高对应的波高数；

图2为沙滩的某一滩面侵蚀量剖面；

图3为沙滩的另一滩面侵蚀量剖面。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

一种沙滩侵蚀量预测方法，其实现步骤为：

1)根据波浪监测站监测数据，确定台风期间深水波浪参数，包括深水波波高H₀，波浪周期T，波浪持续时间T₀，以及沙滩增水深度h。计算破碎波波高H_b，

H_b＝0.39g^0.2(TH₀²)^0.4 (1)

式中，g为重力加速度。

2)计算沙滩处波浪速度u₀：

3)计算不同波高对应的波浪数目N_i；

4)计算波浪对滩面造成的侵蚀剪应力，

τ_w＝0.5F_wρ_wu₀² (3)

式中，F_w为水流与土体之间的摩阻系数，F_w＝0.01-0.10，ρ_w为海水密度，取1.025g/cm³。

5)计算砂土抗侵蚀临界剪应力，

式中，d_s为砂土中值粒径，ρ_s为砂粒密度，取2.70-2.71g/cm³，为砂土的内摩擦角。

6)计算沙滩的侵蚀量，

式中，E_s为波浪侵蚀量，N_i为第i个波高对应的波浪数，n为波高数，K_s和a分别为将侵蚀力转化为侵蚀量的转化系数，K_s取4.57mm/d，a取1.0。

具体实施时，按照上述方法，确定波浪和砂土参数，最后求出一次台风期间的沙滩侵蚀量。

实施案例，我国东南沿海某市遭受一次强台风的影响，某处沙滩土体为细砂，经测试，其中值粒径d_s＝0.25mm，砂粒密度ρ_s＝2.70g/cm³，砂土内摩擦角为20°；在波浪监测站处(水深为53.0m)监测的强波浪作用持续约10h，不同波高对应的波浪数目见图1所示，波浪平均周期为5.4s，沙滩增水深度为2.5m，水流与土体之间的摩阻系数F_w取0.05，侵蚀量转化系数K_s＝4.57mm/d。两条海滩剖面如图2、图3所示，采用本发明的预测方法，预测经过该次强台风波浪侵蚀后，海滩面的侵蚀量，其侵蚀后的高程表示在图2中。可以看出，侵蚀量基本上随着水深的增大而减小，极端海况下，水深大于4.0m时，波浪基本不会对中砂海滩产生侵蚀。图2剖面1海滩的侵蚀主要发生在离岸线80m距离内，图3剖面2海滩坡度较大，其侵蚀主要发生在离岸线20m距离内。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。