海岸侵蚀的内部动力

海岸防护

ShoreProtection第3章海岸侵蚀的内部动力

Chapter3-InternalDynamicofCoastalErosion

§3海岸侵蚀的内部动力§3.1潮汐和潮流§3.2风暴潮§3.3风和波浪§3.4近岸波浪流§3.1潮汐和潮流§3.1.1潮汐§3.1.2潮流§3.1.1潮汐定义与分类（广义）定义由于日、月引潮力的作用，使地球的岩石圈、水圈和大气圈中分别产生的周期性的运动和变化，总称潮汐。分类地潮（固体潮汐）：固体地球在日、月引潮力作用下引起的弹性-塑性形变海潮（海洋潮汐）：海水在日、月引潮力作用下引起的海面周期性的升降、涨落与进退气潮（大气潮汐）大气各要素（如气压场、大气风场、地球磁场等）受引潮力的作用而产生的周期性变化§3.1.1潮汐由于海潮现象十分明显，且与人们的生活、经济活动、交通运输等关系密切，因而习惯上将潮汐一词狭义理解为海洋潮汐。说文解字大海之水，朝生为潮，夕生为汐——（海洋）潮汐§3.1.1潮汐潮汐要素高潮/满潮：潮汐涨落一周期内最高的潮位低潮/干潮：潮汐涨落一周期内最低的潮位涨潮：从低潮到高潮的过程中，水位逐渐上升的过程落潮：从高潮到低潮的过程中，水位逐渐下降的过程平潮：高潮前后的一段时间内海面处在不涨不落的平衡状态停潮：低潮前后的一段时间内海面处在不涨不落的平衡状态高潮时：平潮的中间时低潮时：停潮的中间时潮差：相邻高低潮潮位之差高潮高：海面上涨到最高位置时的高度低潮高：海面下降到最低位置时的高度§3.1.1潮汐§3.1.1潮汐潮汐要素平均高潮间隙：每天月中天时刻至高潮时的时间间隔的长期平均值平均低潮间隙：每天月中天时刻至低潮时的时间间隔的长期平均值§3.1.1潮汐潮汐类型（涨落周期）半日潮型：一个太阴日（24小时50分）内出现两次高潮和两次低潮，前一次高潮和低潮的潮差与后一次高潮和低潮的潮差大致相同，涨潮过程和落潮过程的时间也几乎相等（6小时12.5分）。我国渤海、东海、黄海的多数地点为半日潮型，如大沽、青岛、厦门等。正规半日潮：在一个太阴日内，有两次高潮和两次低潮，从高潮到低潮和从低潮到高潮的潮差几乎相等，这类潮汐就叫做正规半日潮。不正规半日潮：在一个朔望月中的大多数日子里，每个太阴日内一般可有两次高潮和两次低潮；但有少数日子，第二次高潮很小，半日潮特征就不显著，这类潮汐就叫做不正规半日潮。§3.1.1潮汐潮汐类型（涨落周期）全日潮型：一个太阴日内只有一次高潮和一次低潮。如南海汕头、渤海秦皇岛等。南海的北部湾是世界上典型的全日潮海区。正规日潮：在一个太阴日内只有一次高潮和一次低潮。不正规日潮：这类潮汐在一个朔望月中的大多数日子里具有日潮型的特征，但有少数日子则具有半日潮的特征。混合潮型：一个朔望月中有些日子出现两次高潮和两次低潮，但两次高潮和低潮的潮差相差较大，涨潮过程和落潮过程的时间也不等；而另一些日子则出现一次高潮和一次低潮。我国南海多数地点属混合潮型。如榆林港，十五天出现全日潮，其余日子为不规则的半日潮，潮差较大。§3.1.1潮汐潮汐的不等现象日不等一个太阴日内，相邻的高潮和低潮的潮高和潮时不等的现象半月不等一个月内大潮小潮依次更替，潮差变化两个周期的现象月不等年不等多年不等§3.1.1潮汐潮汐的形成原因地球上的海水受月球（太阳）引力和其绕地月（地日）公共质心运动产生的惯性离心力的合力作用，即引潮力地球上不同地方的水质点所受月球（太阳）引力大小不一样，但引力方向均指向月球球心惯性离心力的大小都相等，方向都背离月球（太阳），而且彼此平行月球引潮力是太阳引潮力的2.17倍其他星球在地球上也有类似的引潮力，但非常小可以忽略§3.1.1潮汐潮汐的形成原因§3.1.1潮汐潮汐的形成原因§3.1.1潮汐两种潮汐理论平衡潮理论（潮汐静力理论）地球为一个圆球，其表面完全被等深的海水所覆盖，不考虑陆地的存在海水没有粘性，也没有惯性，海面能随时与等势面重叠海水不受地转偏向力和摩擦力的作用潮汐动力理论对海水运动来说，只有水平引潮力才是重要的，而引潮力的铅直分量（铅直引潮力）和重力相比非常小，因此铅直引潮力所产生的作用只是使重力加速度产生极微小的变化，故不重要。海洋潮汐实际上指的是海水在月球和太阳水平引潮力作用下的一种潮波运动，即水平方向的周期运动和海面起伏的传播，海洋潮波在传播过程中，除了受引潮力作用之外，还受到海陆分布、海底地形（如水深）、地转偏向力（即科氏力）以及摩擦力等因素的影响。§3.1.1潮汐两种潮汐理论引潮力的铅垂分量和水平分量§3.1.1潮汐潮汐预报基于潮汐静力理论和实测资料调和分析法建立在假想天体和分潮概念上假想天体：把具有复杂周期的潮汐看作是许多周期长短各异的潮汐叠加而成的，而且假设与每一个这样周期的潮汐都对应有一个天体分潮：这些假想天体对海水所引起的潮汐常用的有8个分潮和3个浅水分潮浅水分潮是由于潮波在浅水区的变形干涉引起的§3.1.1潮汐分潮符号（即假想天体符号）名称周期（平太阳时）相对振幅（取Ｍ2＝100）半日分潮M2太阴主要半日分潮12.421100S2太阳主要半日分潮12.00046.5N2太阴椭率主要半日分潮12.65819.1K2太阴－太阳赤纬半日分潮11.96712.7全日分潮K1太阴－太阳赤纬全日分潮23.93454.4O1太阴主要全日分潮25.81941.5P1太阳主要全日分潮24.06619.3Q1太阴椭率主要全日分潮26.8687.9浅水分潮M4太阴浅水1/4日分潮6.210M6太阴浅水1/6日分潮6.140MS4太阴、太阳浅水1/4日分潮6.103

常用分潮及其周期、相对振幅§3.1.1潮汐潮汐类型的区分正规半日潮0<(HK1+Ho1)/HM2≤0.5；0<(HK1+Ho1)/(HM2+HS2)≤0.25不正规半日潮0.5<(HK1+Ho1)/HM2≤2.0；0.25<(HK1+Ho1)/(HM2+HS2)≤1.5不正规全日潮2.0<(HK1+Ho1)/HM2≤4.0；1.5<(HK1+Ho1)/(HM2+HS2)≤3.0正规全日潮4.0<(HK1+Ho1)/HM2；3.0<(HK1+Ho1)/(HM2+HS2)§3.1.2潮流定义指海水在天体引潮力作用下所形成的周期性水平运动运动形式回转流在开阔海区，受地球偏转力影响而形成旋转流往复流在海峡、水道、河口或狭窄港湾内的潮流，因受到地形的约束，主要在两个方向上往复变化§3.1.2潮流潮流和潮位当波峰（高潮）到达时，流速最大波峰过后流速减慢，在半潮面时流速为0，发生转流当波谷（低潮）到到达时，流速最大波谷过后流速减慢，在半潮面时流速为0，发生转流§3.1.2潮流潮流和潮位涨潮落潮流潮位从潮谷开始上涨至中潮位，潮流流速从最大减小至0涨潮涨潮流潮位从中潮位上涨至高潮位，潮流流速从0增大至最大落潮涨潮流潮位从高潮位下降至中潮位，潮流流速从最大减小至0落潮落潮流潮位从中潮位下降至低潮位，潮流流速从0增至最大§3.1.2潮流潮流类型规则半日潮流(WK1+WO1)/WM2≤0.5不规则半日潮流0.5<(WK1+WO1)/WM2≤2.0

不规则全日潮流2.0<(WK1+WO1)/WM2≤4.0规则全日潮流4.0<(WK1+WO1)/WM2WK1、WO1、WM2分别表示K1、O1和M2分潮流的最大流速§3.1.2潮流潮余流由于摩擦、海底地形、边界条件等原因，潮流产生非线性现象所导致的余流潮余流分类Euler（欧拉）余流潮流（u,v）在一个周期T内的时间平均值Lagrange（拉格朗日）余流欧拉余流+Stokes漂流§3.2风暴潮定义强烈的大气扰动（如热带气旋、温带气旋、强冷空气活动）所引起的海面异常升降现象说明不是周期性的水面升降运动如果正好遇上天文大潮，两者重合、叠加，就会造成水位暴涨§3.2风暴潮分类及特点由热带风暴（台风、飓风等）引起的热带风暴潮来势凶猛，速度快，强度大，风暴潮潮位较高，破坏力大由温带气旋和冷空气活动而产生的温带气旋风暴潮具有强度弱，移动缓慢和持续性等特点形成条件强劲持久的向岸或离岸大风有利的海岸地形和具有广阔的海域天文大潮与其叠加§3.3风和波浪§3.3.1风§3.3.2波浪§3.3.1风风速、风向（观测站资料）风速：规定观测时刻前10分钟的平均风速，以(m/s)计风向：规定观测时刻前1分钟到规定观测时刻为止所出现的风向的倾向，按16方位表示最大风速：某一期间中出现的平均风速中的最大值极大风速/最大瞬间风速：某一期间中出现的平均风速中的最大值与瞬间变化风速（瞬间风速）的最大值常风向/盛行风向：在一定期间内，观测值中出现次数最多的风向强风向：在一定期间内，观测值中出现最大风速的风向§3.3.1风风况图/风玫瑰图根据工程规划设计需要，常把风的观测资料分别按季节、年度、多年统计绘制成各级风的风向频率图风玫瑰图通用程序风玫瑰图§3.3.1风最大风速是海岸、港口工程设计所需的一项重要气象动力因素中国沿海最大风速地理分布(1960～1969)概况一般沿海岛屿的最大风速比大陆岸边的大渤海与黄海沿岸12级（≥22.7m/s）的最大风速多出现于秋末至次年春初寒潮及气旋活动频繁时期，风向多偏北东海与南海沿岸12级以上的最大风速，一般出现于夏、秋之间的台风季节，各方向的风都有东海沿岸大风最多，其次是黄、渤海沿岸，南海沿岸大风最少§3.3.1风风作用力概述风是空气运动而形成的风具有动能，当一个结构物置于风路上时，就会挡住运动的空气或使其路径改变，这样风的动能就会全部或部分的传递到结构物上形成压能，任何结构物上的风力是由压差决定的风力是风速、风向、结构物的面积及形状的函数§3.3.1风风作用力美国石油协会风力公式F=0.0473v2CsA，v为海面上10m高度的持续风速（km/h），Cs为形状系数，A为物体的投影面积（m2）任意高度处的风速：v=v10(y/10)x，y为海面上任意点高度（m），x为指数美国船级社风力公式F=0.0623vk2ChCsA，Ch为高度系数挪威船级社风力公式F=ρ/2vty2CAsinα，vyt=γv10(y/10)β，ρ为空气的质量密度；vty为海面上高度y米处，在时间t内的风速；α为风向与结构轴线的夹角；γ为阵风因子；β为高度因子；v10为海面以10m高处一小时内的平均风速§3.3.2波浪波浪的产生风吹过海面时，通过压力和摩擦力作用将能量传递给海水，使海水质点离开平衡位置作圆周运动，海面随之发生周期性起伏，形成波浪。波高和周期取决于风速、风时和风区长度。波浪分类（根据不同的周期或频率）表面张力波（T<0.1s）短周期重力波（0.1s<T<1s）重力波（1s<T<30s）长周期重力波（30s<T<5min）长周期波（5mins<T<12～24h）超长周期波（T>12～24h）§3.3.2波浪波浪分类（根据不同的周期或频率）§3.3.2波浪波浪分类（根据理论研究）小振幅波/艾里波/正弦波/线性波波陡H/L→无限小；H/d→无限小非线性的自由表面边界条件可以线性化

适用于波高较小的波浪运动有限振幅波波陡H/L→有限必须考虑自由表面的非线性影响常用的非线性波：余摆线波（格斯特纳波）：水质点运动不符合实际STOKES波椭圆余弦波：计算不方便孤立波等：椭圆余弦波的一种极限情况§3.3.2波浪波浪分类（根据波浪形态）规则波波面光滑、波形规则，波峰波谷明显，二维性质显著涌浪接近规则波不规则波波形杂乱，波高、波周期和波浪传播方向不定，三维性质明显大洋中的风浪为不规则波§3.3.2波浪波浪分类（根据传播海域的水深）相对水深：水深/波长深水波h/L≥0.5有限水深波0.5<h/L<0.05浅水波h/L≤0.05§3.3.2波浪波浪分类（根据运动状态）振荡波：水质点运动每经过一个周期后没有明显的向前移动，即各质点基本上围绕其静止位置沿着某种固有轨迹运动。（风成波）推进波：波剖面对某一参照点作水平运动。立波：波剖面无水平运动，只有上、下振动。推移波：水质点具有一个与波浪传播方向相同的推移，在任一时刻任一断面上，沿水深的各质点具有几乎相同的速度。（潮波、地震波、洪水波）§3.3.2波浪振荡波立波推移波§3.3.2波浪波浪分类（根据破碎与否）破碎波未破碎波破后波§3.3.2波浪波浪分类（根据是否受风的直接作用）风浪在风直接作用下产生的水面波动。波型杂乱，波高和周期以及波向不定，呈现不规则的随机现象。涌浪风浪离开风吹的区域后所形成的波浪。波形规则，具有明显的波峰和波谷。§3.3.2波浪波浪要素波峰（wavecrest）波谷（wavetrough）波长（L）波高（H）振幅（A）：A=1/2*H波陡（δ）周期（T）波速（C）：C=L/T频率（f）：f=1/T波数（κ）：κ=2π/L角频率（ω）：ω=2π/T=2πf§3.3.2波浪波浪要素§3.3.2波浪波浪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度波的包络传播的速度实际上就是波实际前进的速度形象一点说，你拿电钻在一个很坚固的墙上钻洞，你会觉得电钻的钻头的螺纹在旋转时似乎以高速前进，但这只是你的错觉，因为你看到的是螺纹的“相速度”，虽然很快，但是你的电钻却很慢很慢地向墙内推进，也就是说电钻的总的向前推进的速度就是“群速度”。如果墙壁很硬，你的电钻根本就钻不进去，电钻向前推进的速度为“0”，但是你从电钻的螺纹上看却总是觉得电钻是不断钻进去的。Cg=nC0§3.3.2波浪群速度和波速包络线示意图§3.3.2波浪群速度和波速群速度和相速度（深水条件下，Cg=1/2C0）§3.3.2波浪波浪参数的统计平均波高均方根波高§3.3.2波浪波浪参数的统计累积频率为F(%)的波高HF

实际海面上不规则波列所出现的概率F对应的波高。如H1%即为F=1%的波高1/10大波波群或观测的全部波浪中，按波高大小的顺序，就相当于总数的1/10的大波及对应其波高的周期，进行平均得到的波浪，并以H1/10和T1/10表示。(所有的波高由大到小排列，取前面的十分之一来做平均的波高)有效波高或1/3大波波群或全部观测记录中，按波高大小顺序，就相当于总数的1/3的大波及对应其波高的周期，进行平均得到的波浪，称为有效波，并以H1/3或Hs和T1/3或Ts表示。§3.3.2波浪波浪参数的统计§3.3.2波浪波浪在近岸的变形在近岸带（nearshorezone），当波浪从深水向岸传播进入浅水区时，由于受水深变浅、地形变化以及底摩擦的影响，波长（L）、波高(H)、波陡(δ)、波速(C)等会发生一系列的变化。完整的波浪向岸入射变化过程，包括折射、浅水、绕射、反射、能量耗散以及与水流的非线性相互作用。波浪的破碎：当波浪到达海滩并在水深与波高大致相当时，就发生破碎，波峰本身向前倾倒或崩解为气泡和浪花。崩波（Spillingbreakers）：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（plungingbreakers）:波浪的情形是波浪向岸面变为直立，进而上部发生弯曲，最后以整个水体向下倾倒激波（Surgingbreakers）: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§3.3.2波浪§3.3.2波浪波浪在近岸的变形波浪的折射：波浪一旦进入浅水区就受到“折射作用”。在折射过程中，波浪传播的方向随水深的逐渐变浅而改变，改变的结果使波峰逐渐与等深线趋于平行。波浪的反射：波浪传播运动的前方，遇到陡峭的障碍物，由于物壁的反作用，使部分波浪运动返回形成反射波。反射波和入射波叠加形成驻波。波浪的绕射：当波浪传入近岸，因受防波堤等障碍物的阻拦，将从低端侵入堤内的隐蔽净水域，波峰线变形，改变了前进方向，能量在前进方向的一侧扩散，波高递减。把这种能量在前进方向上的扩散称为绕射。§3.3.2波浪§3.4近岸波浪流近岸区流动海岸流：一般在破碎带邻近及其外缘水深