第四章-海洋水文

第四章海洋水文§4-1潮汐和潮流桥梁及其附属建筑物的高程必须由高潮位来确定。在海水的运动中，垂直方向上的一种周期性运动叫潮汐；而同时存在的一种水平方向上的流动叫潮流。海洋潮汐是由月球和太阳的引潮力引起的。作用力有两个：吸引力和惯性离心力。在引潮力作用下，海面呈椭圆球状，形成潮汐椭球。一、潮汐在农历每月的初一即朔点时刻处太阳和月球在地球的一侧，所以就有了最大的引潮力，所以会引起“大潮”，在农历每月的十五或十六附近，太阳和月亮在地球的两侧，太阳和月球的引潮力你推我拉也会引起“大潮”；在月相为上弦和下弦时，即农历的初八和二十三时，太阳引潮力和月球引潮力互相抵消了一部分所以就发生了“小潮”，故农谚中有“初一十五涨大潮，初八二十三到处见海滩”之说。在潮汐涨落的每一周期内，当水位涨到最高位置时，叫高潮或满潮；当水位下降到最低位置时，叫低潮或干潮。从低潮到高潮过程中，水位逐渐上升，叫涨潮；从高潮到低潮过程中，水位逐渐下降，叫落潮。当潮汐达到高潮或低潮的时候，海面在一段时间内既不上升也不下降，分别叫平潮和停潮。平潮的中间时刻叫高潮时；停潮的中间时刻，叫低潮时，相邻的高潮与低潮的水位差叫潮差。潮汐的有关概念潮汐类型潮汐的涨退现象是因时因地而异的，但从涨退周期来说，可分为3种类型：半日潮、全日潮、混合潮。混合潮：有不规则半日潮和不规则日潮两种情况。不规则半日潮：在一个月的多数日子里呈半日潮的性质，而在其余日子里两次高潮和两次低潮的高度和历时都不相同；不规则日潮：在半月中日潮的天数超过7天，而在其余日子里为不规则半日潮。半日潮：在一个太阴日(24h50min)内出现两次高潮和两次低潮。它们的高度和历时都几乎相同，潮位时间曲线为对称的余弦曲线。全日潮：一个太阴月中的大多数太阴日，出现一次高潮和一次低潮。潮位曲线为对称的余弦曲线。潮汐现象的特点是每昼夜有两次高潮，而不是一次，“昼涨称潮，夜涨称汐”。地球上的海水或江水，受到太阳、月球的引力以及地球自转的影响，在每天早晚会各有一次水位的涨落，这种现象，早称之为潮，晚称之为汐。潮汐的成因●内因：海洋水体；●外因：天体引潮力。月球引潮力是太阳的2.17倍。二、我国的潮汐和风暴潮我国的潮汐和风暴潮世界洋流分布图2月8月我国主要港口潮差（单位：m）大潮差小潮差湛江4.872.18（平均）黄浦2.500.3高雄0.400.20基隆1.200.30厦门4.602.90福州5.703.60上海3.002.00青岛3.481.91天津2.48秦皇岛1.00大连2.561.39风暴潮：由于剧烈的大气扰动，如强风和气压骤变（通常指台风和温带气旋等灾害性天气系统）导致海水异常升降，使受其影响的海区的潮位大大地超过平常潮位的现象，称为风暴潮。又可称“风暴增水”、“风暴海啸”、“气象海啸”或“风潮”。三、基准面和特征潮位从1957年起，我国的统一高程基准面是利用青岛验潮站的多年（一般取19年）平均海平面，即黄海平均海平面。1.受潮汐影响周期性涨落的水位称潮位，又称潮水位，中国通常以黄海基面作为水位高程的零点。（1）平均潮位。逐时观测记录潮位的平均值。某一定时期（一日，一月，数月，一年或多年等）的平均潮位称该时期的平均海面。潮汐具有18.61年长周期的变化，因此，一般以19年的观测资料求得潮位平均值。（2（3（4（5）最低潮位。某一定时期内的最低低潮位值。（6）设计（高）潮位。工程设计采用的高潮位值，一般采用设计重现期相应于的高潮位值。（7）设计低潮位。工程设计采用的低潮位值，一般采用2.在一个潮汐周期内，相邻高潮位与低潮位间的差值，又称潮幅。潮差大小受引潮力、地形和其他条件的影响，随时间及地点而不同。中国沿海潮差分布的趋势是东海沿岸最大，渤（1）平均潮差。某一定时期内的潮差的平均值，是潮汐的一个重要特征值。中国东海沿岸平均潮差约5m，渤海、黄海约2ｍ～3m，南海小于2m（2）最大潮差。某一定时期内的潮差的最大值，是潮汐的一个重要工程特征值。中国著名的钱塘江河口潮汐，最大潮差近9m。世界上最大潮差发生在加拿大的芬地湾，达19.6m。（3）最大可能潮差。由天文因素决定的最大可能出现的潮（4）最小潮差。某一定时期内的潮差的最小值。基准面与特征潮位四、设计（高）潮位的推算设计潮位的推算一般有4种方法：我国潮位的观测：一般每小时观测一次，高潮和低潮时5~~15min观测一次。1.当有n年最高潮位观测资料时，设计潮位的推算按耿贝尔方法2.当实测观测资料不足一年时，设计潮位的推算可按临近有一年以上观测资料的验潮站资料，应用“短期同步差比法”推算设计潮位。具体如下：AAAKRAHNNS)0.6(式中--原有站和拟建站的设计潮位--原有站和拟建站的短期同步潮位--原有站和拟建站的平均海平面--拟建站（桥位）的短期验潮资料的月平均海平面--拟建站（桥位）地区海平面的月订正值3.当有短期验潮资料时，设计潮位按近似公式计算：--年平均海平面--短期验潮资料的月平均海平面--该地区或附近海平面的月订正值--一个月以上短期资料的平均潮差--常数，一般取K=0.4式中4.有当地平均大潮升资料时，设计潮位的计算：45.0)(0.90[0ARAHNS式中--半日潮和不规则半日潮验潮站的用平均大潮升，日潮和不规则日潮用回归潮平均高潮高。--与大潮升或回归潮高潮高同一潮高起算的平均海平面五、海流海流-是潮流、风海流、波流、梯度流等合成的水流。潮流—天体引潮力产生水流风海流—风的切向力产生的水流波流---近岸浪破碎产生的水平方向水流梯度流—大气压力、水温或盐度分布不均形成的水流§4-2海岸和河口海岸是什么？通俗的说，海岸是临接海水的陆地部分。进一步说，海岸是海岸线上边很狭窄的那一带陆地。一、海岸根据海岸动态可分为堆积海岸和侵蚀性海岸，根据地质构造划分为上升海岸和下降海岸；根据海岸组成物质的性质，可把海岸分为基岩海岸、砂砾质海岸、平原海岸、红树林海岸和珊瑚礁海岸。这是长江口和江苏南部海岸长江三角洲近2000年向海伸展过程中，造陆7500平方公里俄罗斯莱娜河基岩海岸沙质海岸砾石海岸淤泥质海岸红树林海岸珊瑚礁海岸二、河口是河流和受水体的结合地段。受水体可能是海洋、湖泊、水库和河流等，因而河口可分为入海河口、入湖河口、入库河口和支流河口等。河流近口段以河流特性为主，口外海滨以海洋特性为主，河口段的河流因素和海洋因素则强弱交替地相互作用，有独特的性质黄河入海口的卫星地图(1989年2月13日)黄河入海口的卫星地图（2009年6月20日）§4-2波浪海浪一般是风浪、涌浪以及涌浪传播到海岸所引起的近岸波的总称。风浪是在风的直接持续作用下所产生的波浪。涌浪是风停止后，海面存在的波浪或传到无风区的波浪。一、波浪的基本要素和名称波峰、波谷、波顶、波底、波高、波长、周期、波速等波浪运动的实质是水质点周期振动引起的水面起伏现象。H波陡：波高与波长之比波向线：代表波的传播方向的线前进波：在海面上形成后，向岸边传播的波浪波峰线：通过波峰的线，与波向线垂直H深水前进波：当水深大于一半波长处的前进波，它的运动不受海底的影响，水质点的运动轨迹近于圆形。它的波浪要素：浅水前进波：当水深小于一半波长处的前进波，它的运动受海底摩阻力的影响，水质点的运动轨迹近于椭圆形。它的波浪要素：波浪前进中遇到陡峻的岩岸或建筑物，浅部或部分的波能被反射，称为波浪的反射；部分波绕过建筑物继续传播到该建筑物所掩护的水域，称为波浪的绕射。浅水前进波受海底摩阻力影响，使波陡增大。若水深缩小到一定程度，波形无法维持，波面倾倒破碎，称为波浪的破碎。波浪破碎后水质点仍有明显的前移，称为击岸波。击岸波继续向海岸传播，经多次破碎，最终形成击岸水流，沿岸滩涌到一定高度后，再向海回流。二、风场要素风速v(m/s)风时t(h):同一方向的风连续作用的时间。风距S(km，m):在一定的风况作用下，对波浪发展有实际作用的风区内的水域长度，又称风区长度或浪程。三、海浪固定点波高的统计分析海浪在任意固定点的波高、周期等要素，随着时间在时大时小的变化着，该点波高的等观测资料，构成该点不规则波浪要素的统计系列。固定点波高的频率分布为雷利分布（Rayleigh)深水波频率分布(累积频率)函数为：模比系数H/H与累积频率P的关系波列的平均波高H计算：雷利分布（Rayleigh)为偏态分布，离差系数CV=0.52偏态系数CS=0.64。波高的众值Hm=0.8H对于深水波则有浅水波波高频率分布函数与水深的关系上式当H/d=0时为深水波的频率分布特征波高—用所谓部分大波的平均波高所表示的波高，例如取观测波列的连续100个波，其中前10个大波的平均值作为特征波高，称为1/10大波或显著波，记为H1/10；又如取波列中前1/3大波的平均值作为特征波高，记为H1/3对于深水波,常见1/3等大波的平均波高可按下列公式计算：在不同H/d的情况下四、不同重现期设计波列推算五、我国的风况和海浪概况当桥梁工程附近有较长的波列实测资料时，可采用某一风向某一累积频率波高的年最大值系列进行频率计算，确定不同重现期设计波高。设计波浪的重现期是指某一特定波列累积频率的波浪(如H1%H1/10)平均多少年出现一次，它代表波列因素的长期(以几十年计)统计分布规律。自学第四节波浪对桥梁墩台的作用力一、圆柱及其他形状桩柱的波浪力波浪对柱形建筑物的作用力P由两部分组成：柱体驻点压力PD又称(速度压力)惯性分力PI(绕流产生)即：P计算：驻点压力P计算：惯性力PI上式中速度和加速度的计算D式中A---柱体的横断面积(m)CD,CM---柱体阻力系数和惯性系数t---时间(s),当波峰通过柱体中心时t=0th,sh---双曲余弦函数和双曲正弦函数H,T,L，d---波高、周期、波长、水深PD和PI的最大值PDmax和PImax分别出现在=0°和270°即1.5π的相位上。最大值PDmax和PImax的计算：先选定5个z点，其中必须包括z=0,d,d+三点，然后按照前面的五个公式计算各点的pDmax和pImax值第二步绘制z~~pDmax和z~~pImax的关系曲线由此计算出桩柱上驻点总压力最大值PDmax和PImax第三步作用在桩柱高度上任意相位时的正向总波浪力P可按下述计算作用在整个柱体高度上的最大总波浪力和总波浪力矩的计算：二、直墙式建筑物的波浪力直墙式建筑物的波浪力也包括两部分：立波和远破波产生的1.直墙式建筑物上立波的作用力波峰作用时立波波压力分布图当d≥1.8H,d/L=0.05~~0.12时，立波作用力的计算如下：(1).波面高程式中----波峰在静水面以上的高度(m)----波峰在静水面以上的高度(m)(2).静水面以上压强作用点hc处的墙面波压力强度计算：式中----静水面处的压强----水的容重(kN/m)3(3).及墙面上其他各特征点的波压力强度计算：式中系数,,q按下表确定，若＞取二者相等(4).单位长度墙身上的水平总波浪力PC计算：(5).单位长度墙身上的水平总波浪力矩MC计算：(6).单位长度墙底面的波浪浮托力Puc计算：----墙底面的宽度2.直墙式建筑物破碎波作用力远破波的波压力分布图静水面以上高度H处的波浪压力强度为0；静水面处波浪压力强度的计算：式中K1,K2----系数，见下表底坡i1/101/251/401/501/601/80≤1/100K11.891.541.401.371.331.291.25波坦L/H141516171819202122K21.011.061.121.171.211.261.301.341.37波坦L/H2324252627282930K21.411.441.461.491.501.521.541.55静水面以上的波浪压力强度按直线变化。静水面以下深度z=H/2处的波浪压力强度p的计算：z水底处的波浪压力强度p的计算：d墙底面上的波浪浮托力P的计算：u---折减系数单位长度墙身上的总水平波浪力，可按波压力分布图面积求得单位长度墙身上的总水平波浪力矩，可由压力分布图各部分面积与其形心到水底的距离乘积之和求得。