海岸侵蝕的內(nèi)部動(dòng)力

海岸防護(hù)

ShoreProtection第3章海岸侵蝕的內(nèi)部動(dòng)力

Chapter3-InternalDynamicofCoastalErosion

§3海岸侵蝕的內(nèi)部動(dòng)力§3.1潮汐和潮流§3.2風(fēng)暴潮§3.3風(fēng)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潮汐定義與分類（廣義）定義由于日、月引潮力的作用，使地球的巖石圈、水圈和大氣圈中分別產(chǎn)生的周期性的運(yùn)動(dòng)和變化，總稱潮汐。分類地潮（固體潮汐）：固體地球在日、月引潮力作用下引起的彈性-塑性形變海潮（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、漲落與進(jìn)退氣潮（大氣潮汐）大氣各要素（如氣壓場(chǎng)、大氣風(fēng)場(chǎng)、地球磁場(chǎng)等）受引潮力的作用而產(chǎn)生的周期性變化§3.1.1潮汐由于海潮現(xiàn)象十分明顯，且與人們的生活、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)、交通運(yùn)輸?shù)汝P(guān)系密切，因而習(xí)慣上將潮汐一詞狹義理解為海洋潮汐。說(shuō)文解字大海之水，朝生為潮，夕生為汐——（海洋）潮汐§3.1.1潮汐潮汐要素高潮/滿潮：潮汐漲落一周期內(nèi)最高的潮位低潮/干潮：潮汐漲落一周期內(nèi)最低的潮位漲潮：從低潮到高潮的過(guò)程中，水位逐漸上升的過(guò)程落潮：從高潮到低潮的過(guò)程中，水位逐漸下降的過(guò)程平潮：高潮前后的一段時(shí)間內(nèi)海面處在不漲不落的平衡狀態(tài)停潮：低潮前后的一段時(shí)間內(nèi)海面處在不漲不落的平衡狀態(tài)高潮時(shí)：平潮的中間時(shí)低潮時(shí)：停潮的中間時(shí)潮差：相鄰高低潮潮位之差高潮高：海面上漲到最高位置時(shí)的高度低潮高：海面下降到最低位置時(shí)的高度§3.1.1潮汐§3.1.1潮汐潮汐要素平均高潮間隙：每天月中天時(shí)刻至高潮時(shí)的時(shí)間間隔的長(zhǎng)期平均值平均低潮間隙：每天月中天時(shí)刻至低潮時(shí)的時(shí)間間隔的長(zhǎng)期平均值§3.1.1潮汐潮汐類型（漲落周期）半日潮型：一個(gè)太陰日（24小時(shí)50分）內(nèi)出現(xiàn)兩次高潮和兩次低潮，前一次高潮和低潮的潮差與后一次高潮和低潮的潮差大致相同，漲潮過(guò)程和落潮過(guò)程的時(shí)間也幾乎相等（6小時(shí)12.5分）。我國(guó)渤海、東海、黃海的多數(shù)地點(diǎn)為半日潮型，如大沽、青島、廈門等。正規(guī)半日潮：在一個(gè)太陰日內(nèi)，有兩次高潮和兩次低潮，從高潮到低潮和從低潮到高潮的潮差幾乎相等，這類潮汐就叫做正規(guī)半日潮。不正規(guī)半日潮：在一個(gè)朔望月中的大多數(shù)日子里，每個(gè)太陰日內(nèi)一般可有兩次高潮和兩次低潮；但有少數(shù)日子，第二次高潮很小，半日潮特征就不顯著，這類潮汐就叫做不正規(guī)半日潮。§3.1.1潮汐潮汐類型（漲落周期）全日潮型：一個(gè)太陰日內(nèi)只有一次高潮和一次低潮。如南海汕頭、渤海秦皇島等。南海的北部灣是世界上典型的全日潮海區(qū)。正規(guī)日潮：在一個(gè)太陰日內(nèi)只有一次高潮和一次低潮。不正規(guī)日潮：這類潮汐在一個(gè)朔望月中的大多數(shù)日子里具有日潮型的特征，但有少數(shù)日子則具有半日潮的特征?；旌铣毙停阂粋€(gè)朔望月中有些日子出現(xiàn)兩次高潮和兩次低潮，但兩次高潮和低潮的潮差相差較大，漲潮過(guò)程和落潮過(guò)程的時(shí)間也不等；而另一些日子則出現(xiàn)一次高潮和一次低潮。我國(guó)南海多數(shù)地點(diǎn)屬混合潮型。如榆林港，十五天出現(xiàn)全日潮，其余日子為不規(guī)則的半日潮，潮差較大?！?.1.1潮汐潮汐的不等現(xiàn)象日不等一個(gè)太陰日內(nèi)，相鄰的高潮和低潮的潮高和潮時(shí)不等的現(xiàn)象半月不等一個(gè)月內(nèi)大潮小潮依次更替，潮差變化兩個(gè)周期的現(xiàn)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（太陽(yáng)）引力和其繞地月（地日）公共質(zhì)心運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性離心力的合力作用，即引潮力地球上不同地方的水質(zhì)點(diǎn)所受月球（太陽(yáng)）引力大小不一樣，但引力方向均指向月球球心慣性離心力的大小都相等，方向都背離月球（太陽(yáng)），而且彼此平行月球引潮力是太陽(yáng)引潮力的2.17倍其他星球在地球上也有類似的引潮力，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潮汐兩種潮汐理論平衡潮理論（潮汐靜力理論）地球?yàn)橐粋€(gè)圓球，其表面完全被等深的海水所覆蓋，不考慮陸地的存在海水沒(méi)有粘性，也沒(méi)有慣性，海面能隨時(shí)與等勢(shì)面重疊海水不受地轉(zhuǎn)偏向力和摩擦力的作用潮汐動(dòng)力理論對(duì)海水運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)，只有水平引潮力才是重要的，而引潮力的鉛直分量（鉛直引潮力）和重力相比非常小，因此鉛直引潮力所產(chǎn)生的作用只是使重力加速度產(chǎn)生極微小的變化，故不重要。海洋潮汐實(shí)際上指的是海水在月球和太陽(yáng)水平引潮力作用下的一種潮波運(yùn)動(dòng)，即水平方向的周期運(yùn)動(dòng)和海面起伏的傳播，海洋潮波在傳播過(guò)程中，除了受引潮力作用之外，還受到海陸分布、海底地形（如水深）、地轉(zhuǎn)偏向力（即科氏力）以及摩擦力等因素的影響。§3.1.1潮汐兩種潮汐理論引潮力的鉛垂分量和水平分量§3.1.1潮汐潮汐預(yù)報(bào)基于潮汐靜力理論和實(shí)測(cè)資料調(diào)和分析法建立在假想天體和分潮概念上假想天體：把具有復(fù)雜周期的潮汐看作是許多周期長(zhǎng)短各異的潮汐疊加而成的，而且假設(shè)與每一個(gè)這樣周期的潮汐都對(duì)應(yīng)有一個(gè)天體分潮：這些假想天體對(duì)海水所引起的潮汐常用的有8個(gè)分潮和3個(gè)淺水分潮淺水分潮是由于潮波在淺水區(qū)的變形干涉引起的§3.1.1潮汐分潮符號(hào)（即假想天體符號(hào)）名稱周期（平太陽(yáng)時(shí)）相對(duì)振幅（?。?＝100）半日分潮M2太陰主要半日分潮12.421100S2太陽(yáng)主要半日分潮12.00046.5N2太陰橢率主要半日分潮12.65819.1K2太陰－太陽(yáng)赤緯半日分潮11.96712.7全日分潮K1太陰－太陽(yáng)赤緯全日分潮23.93454.4O1太陰主要全日分潮25.81941.5P1太陽(yáng)主要全日分潮24.06619.3Q1太陰橢率主要全日分潮26.8687.9淺水分潮M4太陰淺水1/4日分潮6.210M6太陰淺水1/6日分潮6.140MS4太陰、太陽(yáng)淺水1/4日分潮6.103

常用分潮及其周期、相對(duì)振幅§3.1.1潮汐潮汐類型的區(qū)分正規(guī)半日潮0<(HK1+Ho1)/HM2≤0.5；0<(HK1+Ho1)/(HM2+HS2)≤0.25不正規(guī)半日潮0.5<(HK1+Ho1)/HM2≤2.0；0.25<(HK1+Ho1)/(HM2+HS2)≤1.5不正規(guī)全日潮2.0<(HK1+Ho1)/HM2≤4.0；1.5<(HK1+Ho1)/(HM2+HS2)≤3.0正規(guī)全日潮4.0<(HK1+Ho1)/HM2；3.0<(HK1+Ho1)/(HM2+HS2)§3.1.2潮流定義指海水在天體引潮力作用下所形成的周期性水平運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)形式回轉(zhuǎn)流在開(kāi)闊海區(qū)，受地球偏轉(zhuǎn)力影響而形成旋轉(zhuǎn)流往復(fù)流在海峽、水道、河口或狹窄港灣內(nèi)的潮流，因受到地形的約束，主要在兩個(gè)方向上往復(fù)變化§3.1.2潮流潮流和潮位當(dāng)波峰（高潮）到達(dá)時(shí)，流速最大波峰過(guò)后流速減慢，在半潮面時(shí)流速為0，發(fā)生轉(zhuǎn)流當(dāng)波谷（低潮）到到達(dá)時(shí)，流速最大波谷過(guò)后流速減慢，在半潮面時(shí)流速為0，發(fā)生轉(zhuǎn)流§3.1.2潮流潮流和潮位漲潮落潮流潮位從潮谷開(kāi)始上漲至中潮位，潮流流速?gòu)淖畲鬁p小至0漲潮漲潮流潮位從中潮位上漲至高潮位，潮流流速?gòu)?增大至最大落潮漲潮流潮位從高潮位下降至中潮位，潮流流速?gòu)淖畲鬁p小至0落潮落潮流潮位從中潮位下降至低潮位，潮流流速?gòu)?增至最大§3.1.2潮流潮流類型規(guī)則半日潮流(WK1+WO1)/WM2≤0.5不規(guī)則半日潮流0.5<(WK1+WO1)/WM2≤2.0

不規(guī)則全日潮流2.0<(WK1+WO1)/WM2≤4.0規(guī)則全日潮流4.0<(WK1+WO1)/WM2WK1、WO1、WM2分別表示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、邊界條件等原因，潮流產(chǎn)生非線性現(xiàn)象所導(dǎo)致的余流潮余流分類Euler（歐拉）余流潮流（u,v）在一個(gè)周期T內(nèi)的時(shí)間平均值Lagrange（拉格朗日）余流歐拉余流+Stokes漂流§3.2風(fēng)暴潮定義強(qiáng)烈的大氣擾動(dòng)（如熱帶氣旋、溫帶氣旋、強(qiáng)冷空氣活動(dòng)）所引起的海面異常升降現(xiàn)象說(shuō)明不是周期性的水面升降運(yùn)動(dòng)如果正好遇上天文大潮，兩者重合、疊加，就會(huì)造成水位暴漲§3.2風(fēng)暴潮分類及特點(diǎn)由熱帶風(fēng)暴（臺(tái)風(fēng)、颶風(fēng)等）引起的熱帶風(fēng)暴潮來(lái)勢(shì)兇猛，速度快，強(qiáng)度大，風(fēng)暴潮潮位較高，破壞力大由溫帶氣旋和冷空氣活動(dòng)而產(chǎn)生的溫帶氣旋風(fēng)暴潮具有強(qiáng)度弱，移動(dòng)緩慢和持續(xù)性等特點(diǎn)形成條件強(qiáng)勁持久的向岸或離岸大風(fēng)有利的海岸地形和具有廣闊的海域天文大潮與其疊加§3.3風(fēng)和波浪§3.3.1風(fēng)§3.3.2波浪§3.3.1風(fēng)風(fēng)速、風(fēng)向（觀測(cè)站資料）風(fēng)速：規(guī)定觀測(cè)時(shí)刻前10分鐘的平均風(fēng)速，以(m/s)計(jì)風(fēng)向：規(guī)定觀測(cè)時(shí)刻前1分鐘到規(guī)定觀測(cè)時(shí)刻為止所出現(xiàn)的風(fēng)向的傾向，按16方位表示最大風(fēng)速：某一期間中出現(xiàn)的平均風(fēng)速中的最大值極大風(fēng)速/最大瞬間風(fēng)速：某一期間中出現(xiàn)的平均風(fēng)速中的最大值與瞬間變化風(fēng)速（瞬間風(fēng)速）的最大值常風(fēng)向/盛行風(fēng)向：在一定期間內(nèi)，觀測(cè)值中出現(xiàn)次數(shù)最多的風(fēng)向強(qiáng)風(fēng)向：在一定期間內(nèi)，觀測(cè)值中出現(xiàn)最大風(fēng)速的風(fēng)向§3.3.1風(fēng)風(fēng)況圖/風(fēng)玫瑰圖根據(jù)工程規(guī)劃設(shè)計(jì)需要，常把風(fēng)的觀測(cè)資料分別按季節(jié)、年度、多年統(tǒng)計(jì)繪制成各級(jí)風(fēng)的風(fēng)向頻率圖風(fēng)玫瑰圖通用程序風(fēng)玫瑰圖§3.3.1風(fēng)最大風(fēng)速是海岸、港口工程設(shè)計(jì)所需的一項(xiàng)重要?dú)庀髣?dòng)力因素中國(guó)沿海最大風(fēng)速地理分布(1960～1969)概況一般沿海島嶼的最大風(fēng)速比大陸岸邊的大渤海與黃海沿岸12級(jí)（≥22.7m/s）的最大風(fēng)速多出現(xiàn)于秋末至次年春初寒潮及氣旋活動(dòng)頻繁時(shí)期，風(fēng)向多偏北東海與南海沿岸12級(jí)以上的最大風(fēng)速，一般出現(xiàn)于夏、秋之間的臺(tái)風(fēng)季節(jié)，各方向的風(fēng)都有東海沿岸大風(fēng)最多，其次是黃、渤海沿岸，南海沿岸大風(fēng)最少§3.3.1風(fēng)風(fēng)作用力概述風(fēng)是空氣運(yùn)動(dòng)而形成的風(fēng)具有動(dòng)能，當(dāng)一個(gè)結(jié)構(gòu)物置于風(fēng)路上時(shí)，就會(huì)擋住運(yùn)動(dòng)的空氣或使其路徑改變，這樣風(fēng)的動(dòng)能就會(huì)全部或部分的傳遞到結(jié)構(gòu)物上形成壓能，任何結(jié)構(gòu)物上的風(fēng)力是由壓差決定的風(fēng)力是風(fēng)速、風(fēng)向、結(jié)構(gòu)物的面積及形狀的函數(shù)§3.3.1風(fēng)風(fēng)作用力美國(guó)石油協(xié)會(huì)風(fēng)力公式F=0.0473v2CsA，v為海面上10m高度的持續(xù)風(fēng)速（km/h），Cs為形狀系數(shù)，A為物體的投影面積（m2）任意高度處的風(fēng)速：v=v10(y/10)x，y為海面上任意點(diǎn)高度（m），x為指數(shù)美國(guó)船級(jí)社風(fēng)力公式F=0.0623vk2ChCsA，Ch為高度系數(shù)挪威船級(jí)社風(fēng)力公式F=ρ/2vty2CAsinα，vyt=γv10(y/10)β，ρ為空氣的質(zhì)量密度；vty為海面上高度y米處，在時(shí)間t內(nèi)的風(fēng)速；α為風(fēng)向與結(jié)構(gòu)軸線的夾角；γ為陣風(fēng)因子；β為高度因子；v10為海面以10m高處一小時(shí)內(nèi)的平均風(fēng)速§3.3.2波浪波浪的產(chǎn)生風(fēng)吹過(guò)海面時(shí)，通過(guò)壓力和摩擦力作用將能量傳遞給海水，使海水質(zhì)點(diǎn)離開(kāi)平衡位置作圓周運(yùn)動(dòng)，海面隨之發(fā)生周期性起伏，形成波浪。波高和周期取決于風(fēng)速、風(fēng)時(shí)和風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度。波浪分類（根據(jù)不同的周期或頻率）表面張力波（T<0.1s）短周期重力波（0.1s<T<1s）重力波（1s<T<30s）長(zhǎng)周期重力波（30s<T<5min）長(zhǎng)周期波（5mins<T<12～24h）超長(zhǎng)周期波（T>12～24h）§3.3.2波浪波浪分類（根據(jù)不同的周期或頻率）§3.3.2波浪波浪分類（根據(jù)理論研究）小振幅波/艾里波/正弦波/線性波波陡H/L→無(wú)限小；H/d→無(wú)限小非線性的自由表面邊界條件可以線性化

適用于波高較小的波浪運(yùn)動(dòng)有限振幅波波陡H/L→有限必須考慮自由表面的非線性影響常用的非線性波：余擺線波（格斯特納波）：水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)不符合實(shí)際STOKES波橢圓余弦波：計(jì)算不方便孤立波等：橢圓余弦波的一種極限情況§3.3.2波浪波浪分類（根據(jù)波浪形態(tài)）規(guī)則波波面光滑、波形規(guī)則，波峰波谷明顯，二維性質(zhì)顯著涌浪接近規(guī)則波不規(guī)則波波形雜亂，波高、波周期和波浪傳播方向不定，三維性質(zhì)明顯大洋中的風(fēng)浪為不規(guī)則波§3.3.2波浪波浪分類（根據(jù)傳播海域的水深）相對(duì)水深：水深/波長(zhǎng)深水波h/L≥0.5有限水深波0.5<h/L<0.05淺水波h/L≤0.05§3.3.2波浪波浪分類（根據(jù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)）振蕩波：水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)每經(jīng)過(guò)一個(gè)周期后沒(méi)有明顯的向前移動(dòng)，即各質(zhì)點(diǎn)基本上圍繞其靜止位置沿著某種固有軌跡運(yùn)動(dòng)。（風(fēng)成波）推進(jìn)波：波剖面對(duì)某一參照點(diǎn)作水平運(yùn)動(dòng)。立波：波剖面無(wú)水平運(yùn)動(dòng)，只有上、下振動(dòng)。推移波：水質(zhì)點(diǎn)具有一個(gè)與波浪傳播方向相同的推移，在任一時(shí)刻任一斷面上，沿水深的各質(zhì)點(diǎn)具有幾乎相同的速度。（潮波、地震波、洪水波）§3.3.2波浪振蕩波立波推移波§3.3.2波浪波浪分類（根據(jù)破碎與否）破碎波未破碎波破后波§3.3.2波浪波浪分類（根據(jù)是否受風(fēng)的直接作用）風(fēng)浪在風(fēng)直接作用下產(chǎn)生的水面波動(dòng)。波型雜亂，波高和周期以及波向不定，呈現(xiàn)不規(guī)則的隨機(jī)現(xiàn)象。涌浪風(fēng)浪離開(kāi)風(fēng)吹的區(qū)域后所形成的波浪。波形規(guī)則，具有明顯的波峰和波谷。§3.3.2波浪波浪要素波峰（wavecrest）波谷（wavetrough）波長(zhǎng)（L）波高（H）振幅（A）：A=1/2*H波陡（δ）周期（T）波速（C）：C=L/T頻率（f）：f=1/T波數(shù)（κ）：κ=2π/L角頻率（ω）：ω=2π/T=2πf§3.3.2波浪波浪要素§3.3.2波浪波浪要素波向線表示波浪傳播方向的線波峰線與波向線正交并通過(guò)波峰的線群速度波的包絡(luò)傳播的速度實(shí)際上就是波實(shí)際前進(jìn)的速度形象一點(diǎn)說(shuō)，你拿電鉆在一個(gè)很堅(jiān)固的墻上鉆洞，你會(huì)覺(jué)得電鉆的鉆頭的螺紋在旋轉(zhuǎn)時(shí)似乎以高速前進(jìn)，但這只是你的錯(cuò)覺(jué)，因?yàn)槟憧吹降氖锹菁y的“相速度”，雖然很快，但是你的電鉆卻很慢很慢地向墻內(nèi)推進(jìn)，也就是說(shuō)電鉆的總的向前推進(jìn)的速度就是“群速度”。如果墻壁很硬，你的電鉆根本就鉆不進(jìn)去，電鉆向前推進(jìn)的速度為“0”，但是你從電鉆的螺紋上看卻總是覺(jué)得電鉆是不斷鉆進(jìn)去的。Cg=nC0§3.3.2波浪群速度和波速包絡(luò)線示意圖§3.3.2波浪群速度和波速群速度和相速度（深水條件下，Cg=1/2C0）§3.3.2波浪波浪參數(shù)的統(tǒng)計(jì)平均波高均方根波高§3.3.2波浪波浪參數(shù)的統(tǒng)計(jì)累積頻率為F(%)的波高HF

實(shí)際海面上不規(guī)則波列所出現(xiàn)的概率F對(duì)應(yīng)的波高。如H1%即為F=1%的波高1/10大波波群或觀測(cè)的全部波浪中，按波高大小的順序，就相當(dāng)于總數(shù)的1/10的大波及對(duì)應(yīng)其波高的周期，進(jìn)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，取前面的十分之一來(lái)做平均的波高)有效波高或1/3大波波群或全部觀測(cè)記錄中，按波高大小順序，就相當(dāng)于總數(shù)的1/3的大波及對(duì)應(yīng)其波高的周期，進(jìn)行平均得到的波浪，稱為有效波，并以H1/3或Hs和T1/3或Ts表示?！?.3.2波浪波浪參數(shù)的統(tǒng)計(jì)§3.3.2波浪波浪在近岸的變形在近岸帶（nearshorezone），當(dāng)波浪從深水向岸傳播進(jìn)入淺水區(qū)時(shí)，由于受水深變淺、地形變化以及底摩擦的影響，波長(zhǎng)（L）、波高(H)、波陡(δ)、波速(C)等會(huì)發(fā)生一系列的變化。完整的波浪向岸入射變化過(guò)程，包括折射、淺水、繞射、反射、能量耗散以及與水流的非線性相互作用。波浪的破碎：當(dāng)波浪到達(dá)海灘并在水深與波高大致相當(dāng)時(shí)，就發(fā)生破碎，波峰本身向前傾倒或崩解為氣泡和浪花。崩波（Spillingbreakers）：波浪逐漸變陡，直到波峰變得不穩(wěn)定而以氣泡和浪花瀑布似的落下卷波（plungingbreakers）:波浪的情形是波浪向岸面變?yōu)橹绷?，進(jìn)而上部發(fā)生彎曲，最后以整個(gè)水體向下傾倒激波（Surgingbreakers）:波浪向上聳起，仿佛要傾倒，但波底卻向攤面上部沖激致使波峰崩潰而消失§3.3.2波浪§3.3.2波浪波浪在近岸的變形波浪的折射：波浪一旦進(jìn)入淺水區(qū)就受到“折射作用”。在折射過(guò)程中，波浪傳播的方向隨水深的逐漸變淺而改變，改變的結(jié)果使波峰逐漸與等深線趨于平行。波浪的反射：波浪傳播運(yùn)動(dòng)的前方，遇到陡峭的障礙物，由于物壁的反作用，使部分波浪運(yùn)動(dòng)返回形成反射波。反射波和入射波疊加形成駐波。波浪的繞射：當(dāng)波浪傳入近岸，因受防波堤等障礙物的阻攔，將從低端侵入堤內(nèi)的隱蔽凈水域，波峰線變形，改變了前進(jìn)方向，能量在前進(jìn)方向的一側(cè)擴(kuò)散，波高遞減。把這種能量在前進(jìn)方向上的擴(kuò)散稱為繞射?！?.3.2波浪§3.4近岸波浪流近岸區(qū)流動(dòng)海岸流：一般在破碎帶鄰近及其外緣水深