海底摩擦导致波浪衰减的实地测量方法与流程

本发明涉及海洋工程技术领域，尤其是一种海底摩擦导致波浪衰减的实地测量方法。

背景技术：

波浪从深水区传播到浅海区域附近，由于海底摩擦和渗透综合影响，会引起波浪发生衰减的变化。而不同海底底质形态(泥沙、淤泥、砂石或珊瑚礁等)差别较大，导致波浪的衰减特性差别也较大。目前还未有现成的实测技术定量描述由于海底摩擦导致的波浪衰减值。

技术实现要素：

本申请人针对上述现有生产技术中的问题和测试需求，提供一种海底摩擦导致波浪衰减的实地测量方法，从而可同步测量波浪、海流和潮位参数以及波浪谱信息，该测量方法应用设备简单，操作方便，应用灵活性高，适合于浅海区域不同海底地形、地貌和地质类型。

本发明所采用的技术方案如下：

一种海底摩擦导致波浪衰减的实地测量方法，包括如下操作步骤：

第一步：选择近岸为平坦或坡度较缓的浅海区域；

第二步：进行测点布局；

第三步：在已经布局的点部署方向波潮仪；

第四步：进行测量，持续测量时间涵盖一天的涨落潮；

第五步：测量完毕后，回收方向波潮仪；

第六步：读取实测数据；

第七步：进行数据整理分析；

第八步：换算得到海底摩擦导致的波浪衰减系数。

作为上述技术方案的进一步改进：

第八步中，换算的公式为

采用沿测量线方向的动谱方程计算摩擦系数的方程如下：

其中n＝e/σ为动谱，e为能量谱(由测量时程波高换算得到)，sf为底部摩擦带来的波浪衰减。ux和cgx分别是测量线方向的流速(直接测量得到)和波浪群速度。σ为满足以下色散关系的圆频率：

σ²＝gktanh(kd)(2)

底部摩擦项可以写为：

其中d为水深(直接测量得到)，重力加速度g＝9.81m/s²。γ为衰减系数，与摩擦系数fw的关系为：

γ＝fwg|ux|(4)

考虑到能谱内部能量转移的可能性，对式(1)式进行积分得到：

其中，

设，

那么，

bγ＝a(10)

就可以通过最小二乘法等方法得到衰减系数γ。对于计算过程中的积分项，这里采用梯形积分进行计算，微分项则采用差分法进行计算，即：

δx为测点间距在波浪传播方向上的投影，δt为每组参数测量时间间隔。

所述测点布局可以采用直线或矩阵形式。

所述直线形式的测点布局采用三测点。

所述直线形式的测点布局采用五测点。

所述矩阵形式的测点布局采用四测点。

所述矩阵形式的测点布局采用九测点。

所述方向波潮仪采用自容式测量，内置干电池，整体安装在金属支架上。

所述方向波潮仪采样频率范围在1～8hz。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过选择近岸较为平坦或坡度较缓的浅海区域，但测点又不能太靠近岸边，防止岸线对波浪反射的影响。测点的布局可采用直线或矩阵形式，测点数目结合海试实际条件尽可能多布放。若测点布局为直线形式，尽量保持波浪传播方向与测量线方向一致或偏差较小；若测点布局为矩阵形式，尽量在波浪传播方向上加密测点。测点水深与波长关系满足浅水波条件或有限水深波条件。测点间的间距至少大于一个平均波长，否则测量存在相互干扰，导致测点间波浪传播不充分影响测量准确性。

本发明建立一种在浅海区域衡量由海底摩擦导致波浪衰减值的实地测量方法，适合于近岸工程、海洋工程和近岛礁工程中涉及浅水区域波浪传播变形特性的评估。

附图说明

图1为本发明测点布局示意图(三测点，★表示测点)。

图2为本发明测点布局示意图(五测点，★表示测点)。

图3为本发明测点三角形矩阵示意图(三测点)。

图4为本发明测点三角形矩阵示意图(四测点)。

图5为本发明测点四边形矩阵示意图(四测点)。

图6为本发明测点四边形矩阵示意图(九测点)。

图7为本发明有义波高和谱峰周期时程图(a)。

图8为本发明有义波高和谱峰周期时程图(b)。

图9为本发明波浪摩擦衰减系数分布图。

图10为本发明波浪摩擦衰减系数正态分布检查图

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1-图10所示，本实施例的海底摩擦导致波浪衰减的实地测量方法，包括如下操作步骤：

第一步：选择近岸为平坦或坡度较缓的浅海区域；

第二步：进行测点布局；

第三步：在已经布局的点部署方向波潮仪；

第四步：进行测量，持续测量时间涵盖一天的涨落潮；

第五步：测量完毕后，回收方向波潮仪；

第六步：读取实测数据；

第七步：进行数据整理分析；

第八步：换算得到海底摩擦导致的波浪衰减系数。

第八步中，换算的公式为

采用沿测量线方向的动谱方程计算摩擦系数的方程如下：

本专利提出基于动谱平衡方程来处理得到由海底导致波浪衰减项，进而得到波浪摩擦系数。考虑流的影响，采用沿测量线方向的动谱方程计算摩擦系数的方程如下：

其中n＝e/σ为动谱，e为能量谱(由测量时程波高换算得到)，sf为底部摩擦带来的波浪衰减。ux和cgx分别是测量线方向的流速(直接测量得到)和波浪群速度。σ为满足以下色散关系的圆频率：

σ²＝gktanh(kd)(2)

底部摩擦项可以写为：

其中d为水深(直接测量得到)，重力加速度g＝9.81m/s²。γ为衰减系数，与摩擦系数fw的关系为：

γ＝fwg|ux|(4)

考虑到能谱内部能量转移的可能性，对式(1)式进行积分得到：

其中，

设，

那么，

bγ＝a(10)

就可以通过最小二乘法等方法得到衰减系数γ。对于计算过程中的积分项，这里采用梯形积分进行计算，微分项则采用差分法进行计算，即：

δx为测点间距在波浪传播方向上的投影，δt为每组参数测量时间间隔。

测点布局可以采用直线或矩阵形式。

直线形式的测点布局采用三测点。

直线形式的测点布局采用五测点。

矩阵形式的测点布局采用四测点。

矩阵形式的测点布局采用九测点。

方向波潮仪采用自容式测量，内置干电池，整体安装在金属支架上。

方向波潮仪采样频率范围在1～8hz。

方向波潮仪采用自容式测量，内置干电池，整体安装于金属支架上。数据线接通方向波潮仪，设置方向波潮仪采样频率和每组波流参数持续测量时间。方向波潮仪采样频率范围在1～8hz。采样频率的选择根据目测波浪周期，周期较小时选择较高频率；周期较大时选择较低频率。每组持续测量时间满足大于100个波周期的条件。

在各个测点位置部署方向波潮仪。持续测量时间涵盖一天的涨落潮。

测量完成后，回收方向波潮仪，读取实测数据，进行数据整理分析，换算得到海底摩擦导致的波浪衰减系数。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。