河口海域水流挾沙能力分析

文/金艷萍 李瑞杰 李佳芮 董德信

河口海域水流挾沙能力分析

文/金艷萍 李瑞杰 李佳芮 董德信

水流挾沙力是反映河床處于沖淤平衡狀態(tài)下水流挾帶泥沙能力的綜臺性指標。作者通過對眾多挾沙力公式的分析比較，基于量綱和諧的考慮，建立了新的挾沙力公式形式。本文以長江口的泥沙輸運為例，利用長江口泥沙實測資料，研究了新建立的挾沙力公式在長江口的適用性。計算結果表明，本文作者建立的公式在長江口具有一定的適用性，與劉家駒公式相比較，計算精度差不多，計算結果尚令人滿意，但還存在一定的誤差，說明將本文建立的挾沙力公式進行率定后，可以將其推廣到近岸河口海域，為工程實踐提供有益的參考價值。

水流挾沙 回歸分析 挾沙力公式 長江口

水流挾沙能力是指在一定水流、泥沙和斷面形態(tài)條件下，河床處于平衡狀態(tài)時，水流所能挾帶的最大含沙量(或稱臨界含沙量)。水流挾沙能力是河流動力學的基本問題，是河床演變分析和河道整治工程設計的重要基礎，是預測河道演變的重要物理變量。

在理論上，盡管有很多描述水流挾沙能力的公式，但目前尚難找到一個可以普遍適用于不同河流且系數(shù)取值不變的挾沙能力計算公式。在眾多的水流挾沙能力公式中，尋找一個便于河床演變工程計算，具有較強理論基礎，公式形式相對固定，系數(shù)容易率定，適用范圍較廣，又能達到一定工程計算精度要求的河道輸沙能力公式是比較切合實際的。本文著重研究新建立的挾沙力公式在長江口的適用性，并希望能夠推廣到其他近岸河口海域，為工程實踐提供有益的參考價值。

1 多元線性回歸分析方法原理

作者在閱讀相關文獻的基礎上，將眾多學者的挾沙力公式進行了論述、分類和總結，得出挾沙力公式的基本形式：

兩邊同時取對數(shù)，則為：

可簡化為：

可見，原有的冪函數(shù)轉化為線性函數(shù)，就可利用多元線性回歸分析方法來確定各參數(shù)。

1.1 多元線性回歸的概念

多元線性回歸是研究多個自變量與一個因變量間是否存在線性關系（相互依存關系）,并用多元線性回歸方程來表達這種關系（或用回歸方程定量地刻畫一個因變量與多個自變量間的線性依存關系）。

回歸分析是在研究現(xiàn)象之間相關分析的基礎上，對自變量x和因變量y的變動趨勢擬合數(shù)學模型進行數(shù)量推算的一種統(tǒng)計分析方法。進行回歸分析，要以現(xiàn)象之間存在相關關系為前提，然后對自變量x和因變量y的變動擬合適宜的回歸方程。確定其定量關系式，在對擬合的回歸方程進行顯著性檢驗，最后利用所求得關系式進行推算和預測。

1.2 多元線性回歸的數(shù)學模型建立

有多個自變量的線性回歸模型稱為多元線性回歸模型。假定是一個可觀測的隨機量，為個自變量，且有：（1.4）式中：為未知參數(shù)，是常數(shù)項，稱為總體偏回歸系數(shù)，為隨機變量，且。稱此式為元線性回歸模型，自變量也稱為解釋變量，應變量也稱為內生變量。

相關系數(shù)是在線性相關的條件下，說明兩個現(xiàn)象之間相關關系緊密程度的統(tǒng)計分析指標。相關系數(shù)通常為 r或 r2，r2=SSR/SST=I-SSE/ SST。r表示變量x和y線性相關方向和相關程度，取值范圍在[-1，1]。當-1

為判斷現(xiàn)象之間相關程度的高低，通過相關系數(shù)判斷相關關系密切程度的標準是：r=0，表明x和y完全不相關；0<|r|<0.3時，認為x和y不相 關；0.3<|r|<0.5時， 認 為x和y低度相關；0.5<|r|<0.8時，認為x和y顯著相關；0.8<|r|<<1時，認為x和y高度相關。

2 挾沙力公式建立

2.1 公式提出

作者以能量平衡為基礎，分析了挾沙力公式的影響因素，通過無量綱分析，得到了半經(jīng)驗性質的水流挾沙力公式：

式中：S*為水流挾沙力；V為斷面平均流速，m/s；Vc為起動流速，m/s；h為斷面平均水深，m；d為泥沙粒徑，mm；g為重力加速度，m/s2；k為挾沙力系數(shù)；m、n為挾沙力系數(shù)。起動流速Vc按張瑞瑾公式計算[1]。

2.2 參數(shù)的確定

從進行篩選過的水槽試驗資料中，選擇流速較大時刻（接近穩(wěn)定狀態(tài)）的數(shù)據(jù)計算。經(jīng)過多元線性回歸分析，作者計算出：k=1370.57，m=0.32074，n=1.6936。

擬合后的公式如下：

2.3 相關系數(shù)

利用公式2.2計算泥沙濃度，畫出計算泥沙濃度與實測的散點關系圖，見圖（1）。

其中：R =0.8202。從計算結果可以看出，R>0.8，這說明因變量與自變量之間高度相關，由此可見，此公式精度已經(jīng)很高了，滿足要求，可以用來計算泥沙濃度。

2.4 挾沙力公式驗證

運用水槽試驗資料數(shù)據(jù)擬合出公式后，現(xiàn)在用天然河道實測資料數(shù)據(jù)對公式（1）進行驗證，利用篩選出來的天然河道實測數(shù)據(jù)，運用擬合的公式（1）計算出泥沙濃度（圖2），并和實測泥沙濃度進行相關性分析。

圖（2）給出了計算值與實測資料的比較結果，由圖可以看出，相關系數(shù)達到0.7547，說明公式（1）在很大范圍內有較高的精度，用于天然河道水流挾沙力的計算是可靠的。

但用公式計算的計算值與實測值仍出現(xiàn)一些偏離，其原因可能是所選取的資料范圍、精度和公式本身結構造成。另外，難以準確判斷天然河道是否處在沖淤平衡狀態(tài)也是其中的一個重要原因。

3 挾沙力公式在長江口的應用與比較

3.1 長江口水文條件

長江口屬大型潮汐河口，是泥沙匯入?yún)^(qū)，水豐沙巨，徑流量大，納潮量大，潮流也強。在這兩股較強動力的相互作用下，形成了長江口分叉型入海河道，在諸河道口門均沉積了攔門沙。長江口的泥沙主要來自上游，也有部分海域來沙，其懸沙以極細粉砂和粘土為主。

3.2 資料來源

采用長江口2002年9月26日21：00-28日1：00，汛期中潮分層流速、流向、含沙量、含鹽度等實測資料，將本文建立的挾沙力公式與劉家駒公式進行比較。

3.3 應用步驟

（1）數(shù)據(jù)篩選：河口地區(qū)的水流具有周期性，在在漲落潮過程中以及漲落潮交替時刻的流場比較復雜，其泥沙運動特性相對比較復雜，挾沙力對于漲落潮過程中的加速水流和減速水流的實用性還有待研究；此外，河口地區(qū)還受鹽水入侵的影響，密度分層的水流中泥沙運動及其復雜，所以在本次研究中為了更好的運用公式（1），將漲落潮交替時刻的實測資料予以剔除，選擇流速較大時刻（接近穩(wěn)定狀態(tài)）的數(shù)據(jù)進行計算。

（2）將各測站點的實測數(shù)據(jù)代入挾沙力公式（1）與劉家駒公式進行計算，算出泥沙含量，分別畫出計算出的含沙量與實測含沙量的散點圖（圖3、圖4），求其相關系數(shù)。

3.4 挾沙力公式計算比較

（1）作者建立的公式的應用結果

（3）計算結果分析：

從計算結果可以看出，作者建立的挾沙力公式在長江口具有一定的適用性，計算精度到達0.6以上，結果還是較為令人滿意的，說明本文所建立的挾沙力公式可以推廣到河口海域，但還存在一定的誤差。這主要是由于長江口的泥沙運動非常復雜，即受徑流的作用，又受潮汐的影響；在河口地區(qū)，鹽淡水混合會產(chǎn)生泥沙絮凝的現(xiàn)象，從而改變了泥沙的結構，進而影響泥沙運動。而本文公式是建立在水槽實測數(shù)據(jù)的基礎上，盡管影響泥沙運動的機理本質上是不變的，但河口地區(qū)的泥沙動力因素有其特殊性與復雜性，因此將本文建立的挾沙力公式應用到河口海域會帶來一定的誤差。事實上，到目前為止，還沒有一個統(tǒng)一的挾沙力公式能夠用于準確計算預測潮汐河口的泥沙含量。

劉家駒公式在長江口的計算結果與作者建立的公式相比，在計算精度上差不多。本文作者的公式是建立在水槽試驗數(shù)據(jù)之上的，而劉家駒公式是建立在海岸地區(qū)的實測數(shù)據(jù)資料之上的，但在應用于河口海域時帶來一定的偏差，說明在將挾沙力公式使用到具體海域時，應將公式的系數(shù)進行再率定，率定后的公式將給工程實踐提供有益的參考價值。

4 結語

（1）本文主要研究泥沙輸移過程中涉及的挾沙力公式，作者參考有關泥沙運動的論文及期刊，對國內外挾沙力公式進行了比較分析，基于量綱和諧的考慮，采用基于最小二乘法原理的多元線性回歸分析方法，最終建立了新的挾沙力公式。

（1）本文建立的挾沙力公式能夠用來計算河道含沙量的計算，當推廣到河口海域泥沙含量的計算時，通過與劉家駒公式的計算結果相比較，新的挾沙力公式的精度略低一點，這應是公式建立的基礎不一樣。新建立的公式應用于河口海域時帶來了一定的偏差，因此將挾沙力公式應用到具體的某一海域時，先對公式的系數(shù)進行再率定，得到的公式可為工程提供參考價值。

（2）挾沙力適合于平面二維水流，當水流特性展現(xiàn)三維特性時，例如密度分層時，水流挾沙力的表達形式還需進一步研究。

致謝：感謝河海大學李瑞杰教授和董德信碩士對本文工作給予有益建議和幫助！

[1] 張瑞瑾，謝鑒衡，王明甫等.河流泥沙動力學.北京：中國水利水電出版社.1998

[2] 王昌杰等.河流動力學.人民交通出版社.2001

[3] 舒安平.水流挾沙力公式的驗證與評述.人民黃河.1993

[4] 鄧安軍，郭慶超，李寶軍，孫玉慶.水流挾沙力的影響因素及其BP網(wǎng)絡模型.人民黃河.2007

[5] 劉峰，李義天.泥沙粒配對水流挾沙力影響的試驗研究.長江科學院院報.1996

[6] 劉峰，李義天.新的水流挾沙力計算公式.長江科學院院報.1997

[7] 葉峰.運用MATLAB軟件進行回歸分析建模.成都航空職業(yè)技術學院學報.2007

[8] 吳禮斌、李柏年編著.《數(shù)學實驗與建?！?北京：國防工業(yè)出版社.2007

[9] 邢云，宋志堯，孔俊，章衛(wèi)勝.長江口水流挾沙力公式初步研究. JOURNAL OF CHINA HYDR0L0GY.2008 [10] 馬建華等.《長江口焦點關注》.長江出版社

[11] 王玲玲，劉蘭玉，姚文藝.水流挾沙力計算公式比較分析.水資源與水工程學報.2008

[12] 張紅藝，周赤建，張歐陽，張紅武.高含沙水流挾沙力計算公式研究.水力發(fā)電學報.2004

[13] 項印玉，孫昭華，朱建榮.長江河口段水流挾沙力初步研究.武漢大學學報(工學版).2007

[14] 黃才安.沖積河流水流泥沙運動基本規(guī)律的研究.學位論文.2003

Analysis of sediment carrying capacity of estuarine waters

Jinyanping，liruijie，lijiarui,dongdexin
(Academy of Coast and Offshore Engineering, Hohai University, Nanjing, Jiangsu,210098)

Sediment carrying capacity is a reflection of sediment erosion and deposition in the river bed under a state of equilibrium, the capacity of sediment taking indicators syndrome. The author discussed formula, classification and summary of, and Through many sediment analysis formula and dimensional analysis, a new formula sediment form based on having read a lot of related documents of many scholars. In this paper, the author of the Yangtze River estuary sediment transport as an example, the measured use of the Yangtze River estuary sediment, the study established the new formula in the sediment of the applicability of the Yangtze River estuary. The results show that the author of this article has established the formula in the Yangtze Delta has some applicability, and Chia-Chu Liu, compared to the formula to calculate the accuracy of more or less the same result is still satisfactory, but there are some errors in this article that will force the establishment of the sediment rate formula can be extended to the mouth of the sea-shore, in order to provide a useful practice reference value.

sediment carrying capacity , regression analysis , sediment carrying capacity Formula , Yangtze Delta

（作者單位：河海大學港口海岸與近岸工程學院）