一种基于波能通量推算实测波浪摩擦系数的测量分析方法与流程

[0001]
本发明涉及海洋工程技术领域，尤其是一种基于波能通量推算实测波浪摩擦系数的测量分析方法。


背景技术：

[0002]
波浪从深水或有限区域传播到浅水区域时，由于海床底质摩擦(包括渗透)的影响，会引起波浪衰减。而不同形态的海床底质，如泥沙、淤泥、砂石或珊瑚礁等，会造成波浪衰减特征，如波浪谱衰减斜率、谱宽和谱峰分布等都会有较大的差异性，总体反映在底摩擦导致波浪摩擦系数的差别。以往推算波浪摩擦系数常用于模型试验中，尚未应用于实地测量中，因此需要建立由海底摩擦导致的实测波浪摩擦系数的分析方法。


技术实现要素：

[0003]
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种基于波能通量推算实测波浪摩擦系数的测量分析方法，利用方向波潮仪同步测量波浪、海流和潮位参数以及波浪谱信息，该测量分析方法简单明了、实用有效，适合于浅水区域不同海底底质类型的波浪摩擦系数的计算分析。
[0004]
本发明的技术方案如下：
[0005]
一种基于波能通量推算实测波浪摩擦系数的测量分析方法，包括如下步骤：
[0006]
选择近岸为平坦或坡度较缓的浅水区域作为测试区域；
[0007]
在测试区域进行测点布局，且至少布置两个测点；
[0008]
在各个测点部署方向波潮仪；
[0009]
进行测量，持续测量时间涵盖一天的涨落潮；
[0010]
测量完毕后，回收方向波潮仪；
[0011]
读取实测数据并进行有效性分析；
[0012]
基于波能通量模型推算海底摩擦导致的波浪摩擦系数。
[0013]
其进一步的技术方案为，基于波能通量模型推算海底摩擦导致的波浪摩擦系数，包括：
[0014]
采用沿测量线方向的波能通量方程如下：
[0015][0016]
其中f
x
为波能通量，表达式为：
[0017][0018]
其中，s(f)为能量谱(由测量时程波高通过fft换算得到)；c
gx
是测量线方向的波浪群速度(由测量结果推算得到)，波浪相速度c＝l/t，l为波长，t为周
期，h为水深(直接测量得到)，波数k＝2π/l；ρ为海水密度，重力加速度g＝9.81m/s2；
[0019]
式(1)中，ε
f
为海底摩擦引起的波浪衰减量，表达式为：
[0020][0021]
其中，f
w
是波浪摩擦系数(无量纲值)，u
rms
为近海底波浪水质点速度，表达式为：
[0022][0023]
其中σ为满足以下色散关系的圆频率：
[0024]
σ2＝gktanh(kh)
ꢀꢀꢀ
(11)；
[0025]
对于计算过程中公式(2)和公式(4)的积分项，这里采用梯形积分进行计算，公式(1)的微分项则采用差分法进行计算，即：
[0026][0027]
其中δx为测点间距在波浪传播方向上的投影。
[0028]
其进一步的技术方案为，读取实测数据并进行有效性分析，包括：
[0029]
方向波潮仪获取的实测数据包括各个测点的水深、波长和周期；
[0030]
通过分析测点的方向谱以判定测点的主浪向，若各个测点的主浪向基本一致，则判定测点布局合理，推算的波浪摩擦系数有效，否则重新进行在测试区域进行测点布局的步骤。
[0031]
其进一步的技术方案为，方向谱通过方向波潮仪实测得到，或者通过数值模拟得到，数值模拟包括动谱平衡方程、boussinesq方程或缓坡方程波浪传播模型。
[0032]
其进一步的技术方案为，测点布局采用垂直于岸线的直线排布形式，测点间距至少大于一倍波长，波浪传播方向与测量线方向的角度偏差小于等于22.5
°
，测点水深与波长的关系满足
[0033]
其进一步的技术方案为，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。
[0034]
其进一步的技术方案为，方向波潮仪的采样频率范围在1～8hz，每组波流参数持续测量时间满足大于100个波周期的条件。
[0035]
本发明的有益技术效果是：
[0036]
在浅水区域通过定点波浪的测量值，本申请提出了基于波能通量模型推算由海底摩擦引起的波浪摩擦系数的测量分析方法，适合于近岸工程、海洋工程和近岛礁工程领域中涉及浅水区域波浪摩擦系数的定量评估，该分析方法可应用于实地测量或模型试验中；本申请结构紧凑、合理，操作方便，在测点布置过程中尽量保持波浪传播方向与测量线方向一致或角度偏差较小，防止由于地形水深变化导致波浪折射影响，而且测点间的间距至少大于一个平均波长，避免测点间的相互干扰，导致测点间波浪传播不充分影响测量准确性；在数据有效性分析中，通过分析测点的方向谱以判定测点的主浪向是否一致，从而判断测点布局是否合理，提高了测量的准确性。
附图说明
[0037]
图1是本申请提供的测量分析方法的流程图。
[0038]
图2是本申请提供的测点布局示意图(三测点，
★
表示测点)。
[0039]
图3是本申请提供的测点布局示意图(五测点，
★
表示测点)。
[0040]
图4是本申请提供的实地岛礁浅水海域的测点布局示意图。
[0041]
图5是本申请提供的有义波高的时历曲线图。
[0042]
图6是本申请提供的谱峰周期的时历曲线图。
[0043]
图7是本申请提供的谱峰波向的时历曲线图。
[0044]
图8是本申请提供的测点的方向谱检查图。
[0045]
图9是本申请提供的波浪摩擦系数正态分布检查图。
具体实施方式
[0046]
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
[0047]
结合图1-图9所示，本实施例公开的一种基于波能通量推算实测波浪摩擦系数的测量分析方法，其流程图如图1所示，包括如下操作步骤：
[0048]
步骤1：选择近岸为平坦或坡度较缓(也即未有波浪破碎发生)的浅水区域作为测试区域，测试区域的流速小于等于0.1m/s。
[0049]
步骤2：在测试区域进行测点布局，且至少布置两个测点。
[0050]
测点布局采用垂直于岸线的直线排布形式，图2和图3示例性的展示了三测点和五测点的布局形式，为了减少测点间的相互干扰，测点间距至少大于一倍波长，测点不能太靠近岸边，防止岸线对波浪反射的影响。测点布局以直线排布形式最为经济和有效，但前提条件是各个测点的主浪向基本一致，防止由于地形水深变化导致波浪折射影响，因此尽量保持波浪传播方向与测量线方向一致或角度偏差较小，一般小于等于22.5
°
。测点水深与波长的关系满足浅水波条件或有限水深波条件，也即
[0051]
步骤3：在各个测点部署方向波潮仪。
[0052]
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。
[0053]
步骤4：进行测量，持续测量时间涵盖一天的涨落潮。
[0054]
数据线接通方向波潮仪，设置方向波潮仪的采样频率和每组波流参数持续测量时间。方向波潮仪的采样频率范围在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。
[0055]
步骤5：测量完毕后，回收方向波潮仪。
[0056]
步骤6：读取实测数据并进行有效性分析。
[0057]
方向波潮仪获取的实测数据包括各个测点的水深、波长和周期，本实施例以两个测点q1、q2为例，采用图4示出的实地岛礁浅水海域的测点布局方式，方向波潮仪测得的其他实测数据如图5-图7所示。
[0058]
通过分析测点的方向谱以判定测点的主浪向，若各个测点的主浪向基本一致，则判定测点布局合理，推算的波浪摩擦系数有效，否则重新进行在测试区域进行测点布局的
步骤。方向谱可以通过方向波潮仪实测得到，或者通过数值模拟得到，数值模拟包括动谱平衡方程、boussinesq方程或缓坡方程波浪传播模型。
[0059]
图8(a)为测点q1的方向谱检查图，图8(b)为测点q2的方向谱检查图，从图中找寻谱密度大的区域(也即图中深色区域)，确定谱峰最高点，根据最大值对应的坐标确定该点的频率和角度，以判定测点q1、q2的主浪向。
[0060]
步骤7：基于波能通量模型推算海底摩擦导致的波浪摩擦系数。
[0061]
采用沿测量线方向的波能通量方程如下：
[0062][0063]
其中f
x
为波能通量，表达式为：
[0064][0065]
其中，s(f)为能量谱(由测量时程波高通过fft换算得到)，c
gx
是测量线方向的波浪群速度(由测量结果推算得到)，具体的，波浪相速度c＝l/t，l为波长，t为周期，h为水深(直接测量得到)，波数k＝2π/l；ρ为海水密度，重力加速度g＝9.81m/s2。
[0066]
式(1)中，ε
f
为海底摩擦引起的波浪衰减量，表达式为：
[0067][0068]
其中，f
w
是波浪摩擦系数(无量纲值)，也即本申请需要推算的物理量，波浪摩擦系数正态分布检查图如图9所示；u
rms
为近海底波浪水质点速度，表达式为：
[0069][0070]
其中σ为满足以下色散关系的圆频率：
[0071]
σ2＝gktanh(kh)
ꢀꢀꢀ
(17)；
[0072]
对于计算过程中公式(2)和公式(4)的积分项，这里采用梯形积分进行计算，公式(1)的微分项则采用差分法进行计算，即：
[0073][0074]
其中δx为测点间距在波浪传播方向上的投影。
[0075]
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。