近岸水流运动特性

1（优选）近岸水流运动特性版ppt讲解目前一页\总数六十一页\编于五点近岸水流(潮流、近岸波生流)垂向(沿水深)分布水中物质输移水底剪切应力海床冲淤变化P83，图4-1(潮流底流速度很小)悬移质推移质目前二页\总数六十一页\编于五点4.本章总纲4.1潮波运动简介4.2水流速度垂向分布4.3波浪对水流垂向分布的影响4.4波浪和水流共同作用的底摩擦力目前三页\总数六十一页\编于五点为什么要研究潮汐运动？海岸洪水、波浪变形、航运、渔业、居住大多数海岸建筑物在高潮位时破坏引起泥沙输移，导致岸滩和地形变化引起污染物颗粒输移，影响环境4.1潮波运动简介目前四页\总数六十一页\编于五点4.1.1基本定义潮波：昼潮夜汐，海面周期性的垂向升降运动涨潮-落潮潮汐周期：一个太阴日，两次高潮和两次低潮潮流：海水周期性的水平整体运动涨潮流-涨潮时向岸流动的海水落潮流-落潮时向海流动的海水海岸和河口地区的潮波一般是大洋或外海潮波传播的结果

目前五页\总数六十一页\编于五点平衡潮理论潮汐动力理论4.1.2潮汐理论目前六页\总数六十一页\编于五点平衡潮理论(静力理论)假定地球全部被均匀深度和密度的水体所覆盖海水是无粘流体，摩阻力可以忽略，没有惯性，因此在重力和引潮力的作用下、在任何时刻均能保持平衡状态4.1.2潮汐理论目前七页\总数六十一页\编于五点平衡潮理论(静力理论)假定地球全部被均匀深度和密度的水体所覆盖海水是无粘流体，摩阻力可以忽略，没有惯性，因此在重力和引潮力的作用下、在任何时刻均能保持平衡状态4.1.2潮汐理论目前八页\总数六十一页\编于五点4.1.2潮汐理论天体引力有差别：地球上不同海域距离太阳和月球的相对位置不同惯性离心力：地-月、地-日转动系统绕其共同质心运动时产生的引潮力=天体引力+惯性离心力平衡潮理论-引潮力目前九页\总数六十一页\编于五点4.1.2潮汐理论平衡潮理论-月球的引潮力目前十页\总数六十一页\编于五点径向分量对潮汐作用很小(只引起水位升降，不主导潮波运动)水平分量虽小，但垂直于重力方向，会引起水体的切向运动

单位质量水质点引潮力垂向分力最大值与重力之比：目前十一页\总数六十一页\编于五点可以解释半日潮、全日潮、潮汐的基本成因4.1.2潮汐理论平衡潮理论的优点目前十二页\总数六十一页\编于五点大潮和小潮大潮：某地一个月中潮差最大的日子，一般发生在朔(农历初一，也称新月)和望(农历十五、也称满月)日之后约1—2天小潮：某地一个月中潮差最小的日子，通常出现在上弦(初七、初八)和下弦(廿二、廿三)后约1—2天涛之起也，随月兴衰(Why？)目前十三页\总数六十一页\编于五点涛之起也，随月兴衰目前十四页\总数六十一页\编于五点实际潮汐与平衡潮严重不符：(1)地球表面水体运动必须满足水动力方程。这表明潮汐应以长波形式传播。受边界和地形的影响，潮波会发生反射，共振等，导致潮差增大；海床摩阻使潮差减小；不同的地形和岸线形态将使潮差增大或减小(2)(人是地行仙，日行八万里)在赤道上，地球表面相对月球的线速度为449m/s。如平衡潮与月球在地球表面上的移动轨迹同步，其传播速度需达449m/s，由此得海洋深度需大于20Km(c=sqrt(gh))。但实际海洋深度远小于20Km。因此实际潮汐相对于平衡潮会有延迟现象(3)水体运动还受到地球自转柯氏力的影响。在北半球，柯氏力使潮流向右偏转，而在南半球，则使潮流向左偏转4.1.2潮汐理论平衡潮理论的缺陷目前十五页\总数六十一页\编于五点以水动力学方程为基础，研究周期性引力作用下的强迫潮波的运动规律，方程中考虑水深、地形、岸线、科氏力、惯性力、摩擦力等对潮波的影响潮汐动力理论4.1.2潮汐理论目前十六页\总数六十一页\编于五点水平压力梯度项静压平衡方程4.1.2潮波控制方程假定：水平二维流(合理否？)，不考虑摩阻力水深10m时，潮波波长442km，远大于水深(浅水长波)潮波振幅一般不超过几米So，一个周期T内，水平方向的运动距离远大于垂向的运动距离(i.e.垂向速度w远小于水平速度u，v)目前十七页\总数六十一页\编于五点4.1.2

运动方程简化的强迫潮波运动方程对流加速度当地加速度

柯氏力

引潮力压力梯度力(水面坡降力)强迫潮波运动方程式,没有考虑摩阻力，水平速度u、v在无摩阻长波运动中可认为不随深度而变

(4-9)-3个未知量u，v，η，两个方程？目前十八页\总数六十一页\编于五点4.1.2

连续方程P87，图4-4，质量守恒即体积守恒(Why？)单位时间内流入水柱体的流体体积(x，y两个方向)，等于该水柱在单位时间内水位升高引起的流体体积增加潮波连续方程目前十九页\总数六十一页\编于五点强迫潮波运动控制方程三个未知量(u、v、η)，三个方程地理纬度北半球为正，南半球为负目前二十页\总数六十一页\编于五点请记下待做的习题习题4.1注明班级、学号、姓名下周四课前，各班学习委员收齐后上交目前二十一页\总数六十一页\编于五点4.1.3潮波特性类似风浪和涌浪之区分：深水中为强迫潮波，引潮力不可忽略；浅水中为自由潮波，不受引潮力的影响(Why)目前二十二页\总数六十一页\编于五点浅海潮波运动方程不考虑引潮力、摩阻力、科氏力，湍流涡粘力潮波沿x向传播(v=0)海底水平(h=常数)小振幅波动(忽略非线性项)目前二十三页\总数六十一页\编于五点著名的波动方程浅海潮波即线性浅水长波h/L<0.05

有何不同？目前二十四页\总数六十一页\编于五点1.潮汐调和分析调和分析：根据实测潮位数据确定各分潮(潮波的组成波)的振幅An和迟角Gn(最小二乘法拟合，P89图4-6，详见工程水文学)线性-只考虑月球-太阳-地球引潮力实际潮波是非线性的-天体+浅水+气象A0-平均海面高程An-分潮振幅Vn-分潮天文相位角(可查表)Gn-分潮迟角(海底摩擦、海水惯性等引起的高潮时滞后于月中天时刻的相位角)r-非天文因素引起的非周期性水位变化(可查表)目前二十五页\总数六十一页\编于五点2、地转对自由潮波影响考虑前提：宽阔的海湾(边界限制没有或很少)地转效应及相应的自由潮波方程前进波在无限长平底渠道中传播方向相反的凯尔文波叠加地转对潮流场的影响目前二十六页\总数六十一页\编于五点地转自转目前二十七页\总数六十一页\编于五点4.4.1地转效应(科氏力)男主角-火车-女主角地转效应水流由低纬度向高纬度移动，原较高速率“惯性”使得水流偏向自转方向水流由高纬度向低纬度移动，原较低速率的“惯性”使得水流偏向地球自转的反向北半球即偏向运动方向的右侧，南半球则偏向左侧目前二十八页\总数六十一页\编于五点现实生活中的科氏力？NotaManifestationoftheCoriolisEffect！

ToosmallscalefortheCoriolisEffecttobesignificant目前二十九页\总数六十一页\编于五点考虑地转效应的自由潮波方程忽略引潮力和底摩阻+(1)(2)(3)目前三十页\总数六十一页\编于五点考虑前进波在无限长平底渠道中传播时的情况，x轴取在渠道中心线上。在无限长渠道中水质点主要在x方向运动，y方向速度v很小，可取v≈0。凯尔文波为前进波类型，潮位和流速相位相同考虑北半球的情况，这时fc＞0，潮波沿x方向传播，按潮波方向来定义渠道左右岸2、无限长平底渠道(凯尔文波)目前三十一页\总数六十一页\编于五点潮波主要沿x向传播，v≈0海底水平(h=常数)小振幅波动(忽略非线性项)(2)(3)(1)2、无限长平底渠道(凯尔文波)目前三十二页\总数六十一页\编于五点2、无限长平底渠道(凯尔文波)目前三十三页\总数六十一页\编于五点高潮位(潮波波峰，u为正，水流沿正x方向运动)高潮位右岸高左岸低，侧向水面坡降力平衡了科氏力指向y轴负向(右岸)y=-b/2为右岸2、无限长平底渠道(凯尔文波)目前三十四页\总数六十一页\编于五点2、无限长平底渠道(凯尔文波)低潮位(潮波波谷，u为负，水流沿负x方向运动)低潮位右岸低左岸高，侧向水面坡降力平衡了科氏力指向y轴正向(左岸)y=-b/2为右岸目前三十五页\总数六十一页\编于五点右岸潮差要大于左岸潮差柯氏力对潮波的影响：在北半球，柯氏力促使潮波向其运动方向的右侧偏移，因此在右边(相对于潮波流向)水位升高，从而形成沿河宽方向的压力梯度，来平衡柯氏力

高潮位右岸高左岸低(y=-b/2为右岸)低潮位右岸低左岸高(y=-b/2为右岸)目前三十六页\总数六十一页\编于五点3、两反向凯尔文波的叠加无潮点(节点)等振幅线同潮时线目前三十七页\总数六十一页\编于五点4、地转对潮流的影响地转将使得潮流的周期性水平往复运动带有旋转的特性潮流椭圆如果没有边界限制，宽阔海区的潮流并不是简单的来回运动，而是具有旋转的特性。如在海上某点连续观测潮流的流速及方向，以该点为原点绘制逐时观测的潮流矢量，则潮流方向在一个潮周期内旋转一周，矢量端点的联线近似椭圆(潮流椭圆)

在北半球，旋转式潮流一般沿顺时针方向转动目前三十八页\总数六十一页\编于五点请记下待做的习题习题4.5注明班级、学号、姓名下周四课前，各班学习委员收齐后上交目前三十九页\总数六十一页\编于五点4、天然河口潮波运动特征复杂多变的开放动力体系河口是内陆河流和海岸的连接区域，属于海岸带的一部分。河口在向陆边界受河流径流影响，在出口则受到潮波的影响潮波在河口传播过程中会因为海底地形、河口平面形态、径流、底摩阻和地转等因素而发生变形潮流是河口区域泥沙运动、岸滩演变和盐淡水掺混的主要动力因子目前四十页\总数六十一页\编于五点（1）潮波在大陆架上的传播大陆架潮流和浅水自由潮波一样，也会受地转力、底摩阻、海岸边界的影响，形成旋转潮流系统、振幅和波速减小、港湾共振等现象目前四十一页\总数六十一页\编于五点（1）潮波在大陆架上的传播平均深度200m平均深度4km波向的变化-折射效应水深减小→波速减小→波浪折射→波峰趋于平行于等深线，假定大陆架沿岸方向无限长，折射定律可表示为：即使潮波深水平行大陆架边缘入射(α0=90°)，大陆架上的潮波波向角αi≈13°(基本平行于等深线)目前四十二页\总数六十一页\编于五点（1）潮波在大陆架上的传播反射40%反射回大洋透射波高的变化-能量守恒目前四十三页\总数六十一页\编于五点（1）潮波在大陆架上的传播示例大洋中水深h0=4000m，潮差H0=2m，大陆架hi=200m，若大洋潮波的方向平行于大陆架边缘(入射角为90°)，求大陆架上的潮波方向、潮差和流速解：波向：arcsin(1/4.47)*180/pi=12.93潮差：1.64*2=3.28m；放大1.64倍流速：,放大7倍多大洋潮波流速:流速的放大因子大于潮差的放大因子目前四十四页\总数六十一页\编于五点（2）天然河口潮波变形

影响因素水深(减小)河口平面形态底摩阻浅滩和河口端部的反射或全反射河流径流其它：盐淡水混合；科氏力目前四十五页\总数六十一页\编于五点波动类型的变化主要影响因素：河口平面形态、水深、浅滩和河口端部反射外海潮波：简单前进波，高、低潮位时潮流速度达到最大值，在中潮位(平均水面)流速为零河口潮波：介于前进波和驻波之间。前进潮波遇到浅滩、河岸、河口顶端会发生反射。若河宽向上游迅速变小、水深急剧变小的河口，反射强烈，河口潮波接近驻波，此时，高低潮位时潮流速度为零，在中潮位流速最大外海潮波河口潮波目前四十六页\总数六十一页\编于五点波面形态的变化主要影响因素：水深、河流径流波形：水深变浅，波峰(高潮位)的传播速度要大于波谷(低潮位)，潮波前坡变陡、后坡变坦(潮位上升快、回落慢)流速：涨潮流速大于落潮流速，使涨潮历时缩短，落潮历时延长；径流向海净流动，与潮波叠加，使落潮历时延长潮波变形在潮差相对于水深较大的强潮河口更为显著。在某些河口，受水深沿程快速减小和逆向径流影响，潮波变形形成了几乎直立的波前，波前就象一个翻滚的水墙向上游传播，河口涨潮初期的潮位急剧上升，这种现象称之为涌潮目前四十七页\总数六十一页\编于五点(3) 潮差(潮波的波高)的变化水深变浅→波高增大河口断面向陆方向收缩(喇叭效应→能量汇聚→潮差沿程增大)浅滩及河口边界反射(形成驻波→潮差沿程增大→共振)底摩阻(能量损失→潮差按指数规律沿程减小)目前四十八页\总数六十一页\编于五点滔天浊浪排空来,翻江倒海山为摧目前四十九页\总数六十一页\编于五点钱塘潮的生成原因之一典型的喇叭形河口目前五十页\总数六十一页\编于五点钱塘涌潮的生成原因之二河流径流流速与潮波速度比：钱塘江径流与入射潮波的速度相近，势均力敌，有利于涌潮的产生河口所处位置：杭州湾在东海的西岸，太平洋的潮波由东北进入东海之后，在南下的过程中，受到科氏力的作用，向右偏移，使东海的西岸潮差大于东岸目前五十一页\总数六十一页\编于五点请记下待做的习题习题4.2、4.3注明班级、学号、姓名下周四课前，各班学习委员收齐后上交目前五十二页\总数六十一页\编于五点4.2水流速度垂向分布对数分布边界层水力光滑流边界层水力粗糙流指数分布△-床面粗糙高度，2.5D(均匀无沙纹海床)或4η(沙纹床面)κ-为Karmanconstant(卡门常数)，清水均匀流=0.4，挟沙水流(浑水)则非常数hzxo表层中层内层目前五十三页\总数六十一页\编于五点水流→单向运动→水底边界层充分发展→边界层很厚(甚至可达全水深)波浪→周期性往复流动(半周期一变向)→水