海岸动力沉积和地貌

1、海岸动力沉积和地貌概论vGeneral Scientific Questions vWhat sediments are found at a particular sitevWhere do they come fromvWhere are they goingvHow are their movements interacting with the bed morphologyvWhat are the temporal and spatial scales involved vHow to predict sediment transportv对在海与陆的动力相互作用下海岸沉积过程和地貌

2、发生和发育过程以及演变趋势的研究学科。研究对象包括陆地部分、水下岸坡以及水体（河口海岸带）。从海洋方向，动力包括波浪、潮汐、海流以及沿岸流等，从陆地方向，动力主要指径流等。v海岸动力沉积和地貌v1. 海岸沉积物海岸沉积物v2. 海岸动力海岸动力v3.泥沙运动和沉积物输移泥沙运动和沉积物输移v4. 海岸地貌海岸地貌v5. 海岸工程的一些理念海岸工程的一些理念1.海岸带沉积物海岸带沉积物1波浪对海岸及水下岸坡的侵蚀产物。波浪对海岸及水下岸坡的侵蚀产物。 2河流供应的沉积物。河流供应的沉积物。 3海底的来沙。海底的来沙。 4. 风吹入海岸带的物质。风吹入海岸带的物质。 5火山喷发火山喷发(陆上或水下

3、的陆上或水下的)的物质。的物质。 6生物堆积物。生物堆积物。 7海水化学变化产生的物质。海水化学变化产生的物质。 来源分：陆源的、生物的和化学的。来源分：陆源的、生物的和化学的。 动态特性分：一类是从悬浮状态中到海底，或动态特性分：一类是从悬浮状态中到海底，或者直接在海底上形成的，另一类沉积物分布在者直接在海底上形成的，另一类沉积物分布在海岸带波浪作用活动的范围，具有易动的特征。海岸带波浪作用活动的范围，具有易动的特征。 2. 海岸动力和泥沙运动波浪波浪环流和近岸流环流和近岸流潮流潮流风风波浪的要素波向线：表示波浪传播方向的线波峰线：与波向线正交并通过波峰的线。群速（Cg）：群速与波速的关系n

4、gCChhC)2sinh(2121)2sinh(2121hhn平均波高平均波高 均方根波高均方根波高 HrmsH2/1121NiirmsHNHrmsHH886.0累计频率为F(%)的波高HF (如如H1%即为即为F=1%的波高的波高)；1/p大波的波高大波的波高H1/p（有效波高，就是指（有效波高，就是指H1/3为为1/3大波大波的平均波高）；的平均波高）；rmsHH23/1v平均波高, 均方根波高；1/p大波的波高；rmsHH23/1rmsHH886.0通常认为有三种类型的破波: 崩波、卷波和激波。崩波：波浪逐渐变陡，直到波峰变得不稳定而以气泡和浪花瀑布似的落下。卷波:波浪的情形是波浪向岸面

5、变为直立，进而上部发生弯曲，最后以整个水体向下倾倒。激波:波浪向上耸起，仿佛要倾倒，但波底却向摊面上部冲激致使波峰崩溃而消失。 一般来说崩波大都发生在坡度非常小的海滩上，而且那里具有波陡大的波浪；卷波伴随较陡的海滩产生，而且那里的波浪陡度适中，激波则发生在高比降的海滩上，而且那里的波陡较小。vBattjes(1974)用破波相似参数来区别各种破波类型v激波： 3.0， 3.3v卷波：0.4 3.0, 0.5 3.3v崩波： 0.4, Ut, 泥沙起动v一般砂质海岸的Mz为0.05-2.0mm.v当D0.5mm时， )/2(maxLhTshHU4102)(46. 0)(DdgDUts环流和近岸流

6、 3.1 环流v世界大洋环流是复杂而又有规律的环流系统组成。v大洋的环流系统通常可以分成表层环流系统和深层环流系统。v大洋表层以风生大洋环流为主，v深层则以温度、盐度差异所产生的环流为主。如湾流、黑潮和环流。环流和近岸流 3.1 海区环流： 一般是指一个海区内各种海水组成的总循环模式。 它包括各种海流的组成、结构、分布于变化，为气候的海流平均状况。 描述海流的特征有：强度、流向、流轴、流量、流程以及流速结构等。沿岸流通常是与径流、风、波浪、潮汐相联系的，形成局部性水流。它对近岸地区的泥沙运移和生态条件有较明显的影响。就其成因，沿岸流可以分为两种基本类型，一种是与河流注入海的径流有关，另一种是由

7、波浪入射角度所引起的。对泥沙输移和海滩过程密切。沿岸流系 波浪产生的沿岸流和离岸流在近岸带，除了直接由波浪产生的水体往复运动外，还有由浪生流系，如裂流与其伴生的沿岸流共同组成的环流系统，波浪斜向入射海岸所产生的沿岸流。波浪产生的沿岸流和离岸流裂流（rip currents）是一种从激浪带向海流动的强而狭窄的水流。裂流式靠沿岸流系维持的。为了补偿通过裂流向海运动的水量，必然存在着水体向岸运动的缓慢的质量输移。河流和风的作用海岸带河流的作用是指注入了运动的水体与泥沙，他们抵消波浪、潮汐和海流的动能，并且积极地建造这海岸地貌。河流和风的作用（1）饱含悬浮质的沉积物流，在相应的风力推送下，可沿海岸运行

8、很远，直接进行了泥沙的搬运和沉积工作，促进了海岸的演变。（2）混浊的淡水，是沿岸水体的温度、盐度、密度、透明度、水色、营养盐等海洋水文要素发生变化，因而在一定程度上改变了海岸带自然环境。河流和风的作用1风形成波浪与风海流，2风直接对海岸岩石有直接的侵蚀作用。3对海岸沙丘的直接搬运作用。Sediment transport prediction ClassificationsvDepending on sediment propertiesNon-cohesive sediment transportCohesive sediment transportvDepending on the spa

9、tial dimensionsTransport at a pointTransport in water columnTransport over an areavDepending on the driving forcesCurrentsWaves or waves plus currentsvDepending on the grading and distributionSingle sized sedimentsMixed sediments2.2泥沙的横向运动 2.2.2中立线的概念 十九世纪末，意大利学者科尔纳利亚研究浅水区波浪的不对称性和变形及其对海底泥沙运动的作用，并提出海

10、滩泥沙运动的中立线理论。 1 9 4 6年前苏联学者曾科维奇在他的著作海岸动力学和地貌学一书中应用了中立线概念阐述海岸剖面塑造。 在一个波周期内，波浪和重力作用。在一个波周期内，波浪和重力作用。 如果泥沙向岸和离岸运动的距离相等，泥沙只产生来回如果泥沙向岸和离岸运动的距离相等，泥沙只产生来回摆动，并不产生位移。摆动，并不产生位移。 将海滩剖面上泥沙颗粒仅产生往复摆动而不产生位移的将海滩剖面上泥沙颗粒仅产生往复摆动而不产生位移的地点作连接线，就称为地点作连接线，就称为“中立线中立线。下部上部“中立线的位置取决于下列三个条件：1.坡度较陡，对该剖面上各种粒径泥沙的中立线位置也就愈靠近海岸和在深度较

11、浅的地点。2.当波浪较大时，它们的不对称性变形发展较快，在该剖面上泥沙的中立线位处在岸外较远的较大水深处。3.颗粒较大，其中立线应位处在离岸较远的地点。v英曼和巴格诺尔德取得了反映局部海滩坡度的关系式：v式中C=局部离岸能量消耗速率/局部向岸能量消耗速率v而t g是颗粒与介质剪切力之间的内摩擦系数。vC=1，t g =0，vC0，tgt g，海滩坡度将接近泥沙的休止角。)11(CCtgtg 涌浪和暴风浪海滩剖面塑造过程v随着风向的季节性变化，海滩剖面形态随之变化.v海滩剖面形态只能达到相对的平衡状态。 涌浪剖面：v泥沙颗粒受到轻微的压实。v水体的波动作用将使滩面沉积物产生分选，最粗的颗粒留在滩

12、面的顶部和滩肩上。暴风浪剖面：v在涌浪持续作用的海岸线上，当暴风浪侵袭时将导致海滩极其迅速和最大规模的侵蚀。v在暴风浪季节里，任何连续的暴风浪不太可能导致海滩侵蚀作用大规模增大。因为岸外沙坝很快地形成了。 3.2.3 涌浪剖面与暴风浪剖面的演替涌浪剖面与暴风浪剖面的演替v整个剖面所含有的泥沙体积保持相对不变，冬季和夏季断面的面积大致相同。冬季沉积物从滩肩向沙坝转移，而夏季又从沙坝向滩肩搬运，总的剖面坡度，冬季剖面比夏季剖面小。vc 18, 海滩侵蚀； vc 9, 海滩淤积；v9 c 18, 基本平衡。67. 005027. 000)/()(tan(LdLHc泥沙的纵向运动波浪发生折射时，与中立

13、线方向就不一致，引起水下岸坡上的泥沙发生沿海岸的纵向运动。砂质海岸沿岸输沙主要发生在破波带内，主要动力是破波及破波产生的沿岸流。输沙强度用沿岸输沙率表示，指单位时间内通过某垂直于岸线的整个横断面的总泥沙量。沿岸输沙曾柯维奇认为沿岸泥沙流具有下列要素：容量：单位时间内波浪和波成水流所能搬运泥沙通过海岸某一断面的最大数量。波峰线与岸线(或等深线)成45角时，容量达到最大值。 强度：单位时间内，波浪和波成水流实际搬运泥沙通过海岸某一断面的数量。饱和度：泥沙流的强度与容量的比值。Total load transportvTotal load transport rate is the combinat

14、ion of bedload and suspended load transportvTotal load transport rate can be obtained by calculating bedload and suspended load transport rates separately and then adding up the two.vAlternatively total sediment transport rate can be given by a single empirical formula. It applies to flows and tidal

15、 currents The friction coefficient CD must be determined by Englund (1966) alluvial friction method3/2522500.04(/ ) (1)DtCuq msg sDwhere Relation of Engelund And Hansen (1972) /ss:u depthaveraged velocity This is a formula for the total load transport by wave plus currents It requires the knowledge

16、of depth-averaged current velocity and root-mean-square of wave velocity. A specific formula for the friction coefficient CD must be used The parameter As depends only on fluid property sediment size and water depth2.4220.018(1 1.6tan)tsrmscrDqAuuuuCwhere Soulsby/van Rijn (1997) 200.4ln( /) 1DCh zta

17、n: bed slope泥沙的纵向运动沿岸输沙的计算采用以下两种公式。(1)CERC公式。顺岸输沙率是单位海岸线长度上沿岸波能通量分量的函数导出 ,经过多次修改而广为使用 . 泥沙的纵向运动bbbgLECIcossin)(77. 0bbbgsLECagScossin)()(77. 0LsLSagI)(281bgHE)221 (21khshkhcCg式中: H ,C 为波高和波速 ; 为破波角度 ; =0.6泥沙的纵向运动(2 )中国规范 (87)公式 :bbbbnCHKQ2sin1064. 0202000LHLLCbb4/41 21LbdshLdnbbbbdb为破波点水深海岸动力地貌海岸动力地

18、貌The problems that require morphodynamicsvCoastsBed formsLocal ScoursBeach erosionShoreline changesvEstuariesBed formsChannel stability assessment & stable channel designBank erosion海岸地貌海岸地貌基岩海岸基岩海岸砂质海岸连岛沙坝泻湖海岸淤泥质海岸潮滩潮水沟贝壳堤红树林珊瑚礁海岸Scale concepts and implicationsvMorphodynamics studies processes of k

19、nown extent It investigates the relationship between dynamics processes and spatial patterns, the interactions found between adjacent spatial units, and the causes and effects of spatial heterogeneity .vRegardless of the specific focus of morphologists, the concept of scale is fundamental because mo

20、rphologists typically try to understand the dynamics at one level of an morphological system as an aggregation of interactions among lower-level units.Morphodynamic scales relationMorphodynamics at small scales - scoursScours are produced by simultaneous erosion and deposition near coastal structure

21、s. As scours develop, they influence the flow which, in turn, control their development (i.e. a feedback). Equilibrium scour depth is the usual engineering design parameter. Time scale to equilibrium can be determined empirically. Large morphological systemsMultiple time scales for the cliff-beach s

22、ystemRate of sea level riseRate of foreshore erosionRate of cliff erosionRate of debris removalRate of longshore transportTiming and extent of engineering interventionsThe nature of coastal morphological developmentvInteractionsvMulti-scalesvBoth random and deterministicvTheory-rich and data poorvSe

23、nsitive to boundary conditionsvNo generally agreed modelling systems or methodologiesPrediction of long-term coastal evolution - obstaclesvFine structure is not possible to predict over long time scalevBoundary conditions can not be know precisely over long-time scalevNature offers only one realisat

24、ion and chronological effects may be importantvScale aggregation parameterisation of sub-scale processesMethods of studies vDeterministicEmpirical sediment transport, cliff erosionTheoretical/numerical waves, tides, morphological changesvProbabilisticSensitivity analysisSystem reliabilityScenarios a

25、nalysisvCase studiesTypes of Morphodynamics Models1D, 2D or 3D-PROCESS BASED-PROBABILITY BASED-RULE BASED- HYDRODYNAMICS- SEDIMENT DYNAMICS-MORPHOLOGICAL EVOLUTIONModel ImplementationvEvent based Monte Carlo ModelvLife-cycle Approach50 Year FuturevUncertainty in Model VariablesvIntegrate Coastal Eng

26、ineering with EconomicsvSediment transport remains a challenging problemvNotable progress has been made in the studies of micro-scale processes, measurement techniques and model applications vNon-cohesive sediment transport is much better understood than the cohesive sediment transport.vValidation r

27、emain a critical issue especially in situations where the concentration is highWhat is Coastal EngineeringvCoastal Engineering is the application of physical science and engineering principles for the planning, design and construction of engineering works in the coastal zone for the protection, util

28、ization and enhancement of coastal zone.vCoastal Management is concerned with plans and strategies for promoting sustainable development and the protection of coastal resources considering physical, economical, environmental, ecological and social factors. The need for Coastal EngineeringvFlood prev

29、entionvErosion controlvSiltation managementCoastal Engineer are interested invHydrodynamics : the generation and transformation of waves, currents, wave-current interactions, wave forces. vSediment transport and coastal morphodynamics shaped by erosion and accretion processes.vPollutant transport su

30、ch as that from marinas, outfalls and oil spills.vPlanning, design and construction of ports, harbors, artificial beaches and land reclamation.vPlanning and execution of channel dredging works.Engineering optionsvDo nothingvManaged retreatvMaintain the present conditionvEnhance protection standardsE

31、ngineering solutionsvFixing or controlling the shorelineSeawalls RevetmentGroynesSubmerged breakwatersHeadlandsvAdding new sediments to the beachBeach nourishmentForeshore nourishmentThe Principles of coastal engineering design and construction Be Cost-effective In harmony rather than in conflict wi

32、th nature Minimising any side effects sand trapping, sand starvationadverse sediment sortingdowndrift erosionThis building with nature approach requires a profound understanding of the sediment transport processes in morphological systems.The three most basic design rules (1) try to understand the physical system based on available field data; (2) try to estimate the morphological effects of engineering works(3) use detailed models for fine-tuning and determination