海洋工程环境学02

海洋与土木工程学院1CoastalHydrodynamics海洋工程环境学海洋与土木工程学院2波浪传向近海海洋与土木工程学院3当波浪传至浅水及近岸时，由于水深及地形、岸形的变化，无论其波高、波长、波速及传播方向等都会产生一系列的变化。诸如波向的折射、波高增大从而能量集中，波形卷倒、破碎和反射、绕射等。海洋与土木工程学院41波浪浅水变形、折射和绕射2波浪破碎1.5波浪的传播与破碎海洋与土木工程学院51.5.1浅水变形、折射、绕射和反射海洋与土木工程学院66cos,,,atzyx平面二维相位函数txktykxkyxjkikkyxjyixxyx波面方程：tkxHcos2微幅波波数向量空间向量波浪浅水变形海洋与土木工程学院7kjkikjyixyxttt0kttxktykxkyx因有：波浪守恒方程:00jyTixTT2220T=constant波浪守恒方程波数向量随时间变化率必然为角频率沿空间变化率所平衡海洋与土木工程学院88iEcnEcn0siikHcncHH0002sgiiikcccncHH22000浅水变形系数281gHEkhkhn2sinh2121侧视图水俯视图波浪正向入射C=波能守恒和浅水变形海洋与土木工程学院9siikcncHH2000000/2tanhLLLhLLcciEcnEcn0？减小的原因浅水变形系数海洋与土木工程学院102.1008.200015.0LHLhkkss0sk考虑非线性影响的系数：应用微幅波理论计算的浅水变形系数0sk考虑非线性影响的浅水变形系数海洋与土木工程学院1111波浪向岸传播过程中LHH1H2H3L1L2L3wavebaseSANDYBOTTOM•波长变短•波高增加•波速降低•波浪破碎(破波)海洋与土木工程学院12海湾波浪的折射海洋与土木工程学院13海洋与土木工程学院14波浪自深水向岸边传播进入浅水后，由于海底地形的影响，等深线往往与波峰线不平行。因此，除了有与波浪正向行进岸边时相似的变化外，在平面上波向线将偏转趋于和岸线垂直。此时，波峰线也将随海底地形而变得弯曲，最终趋向于与海岸线相适应或接近平行，这种近岸波浪传播变形现象称为波浪折射。波浪折射海洋与土木工程学院15折射的原因波浪传向岸边，当波峰线与等深线成某一角度，由于同一波峰线上不同点处的水深不同，波速也不同。波速随水深减小而降低，水较深处，波速较大，波浪传播较快；水较浅处，波速较小，波浪传播较慢，致使水深处的波峰传播速度快于水浅处的波峰传播速度，使波峰线与等深线间的夹角减小，即波峰线逐渐趋于与等深线平行波浪折射海洋与土木工程学院16Figure8-17海洋与土木工程学院171.折射引起的波向线变化k0k0ykxkxy0cossinykxkjkikkyxorhLgTc2th2ghc30g25g波向线波向线波浪折射海洋与土木工程学院1818岸滩具有平直且相互平等的等深线时，有:0sindxkdconssinkconssinc00csinsinc0cossinykxk30g25g0yxconscTLsin*2sin2波数沿岸线方向的投影为常数海洋与土木工程学院1919cons00iibEcnbEcnrsiiikkHbbcncHH00002波浪折射系数折射引起的波高的变化海洋与土木工程学院2020波浪折射系数波浪折射系数:irbbk0khccitanhsinsinsin00000coscosiibbiirbbkcoscos000000/2tanhLLLhLLcc海洋与土木工程学院21波向线趋于和岸线垂直波峰线趋于和岸线平行夹角变化符合光波的折射定理2211bcosαPQ==MNbcosα海洋与土木工程学院22海洋与土木工程学院23而在凹进的海湾处，波向线辐散，波浪较小。海底凸出的海岬处，波向线辐聚，出现大浪；波峰线有逐渐与等深线平行的趋势，也就是波向线与等深线逐渐垂直的趋势。海洋与土木工程学院24海洋与土木工程学院25浅水区波浪波浪的折射海洋与土木工程学院26海洋与土木工程学院27海洋与土木工程学院28海洋与土木工程学院29波浪发生折射海洋与土木工程学院30波浪折射塞班－情人岛海洋与土木工程学院31浅水区波浪海洋与土木工程学院32海洋与土木工程学院33海洋与土木工程学院3434波浪在传播中遇到障碍物时，除可能在障碍物前产生波浪反射外，还将绕过障碍物继续传播，并在遮蔽区内发生波浪扩散，这是由于遮蔽区内波能横向传播所致。波浪绕射海洋与土木工程学院35海洋与土木工程学院36当波浪遇到障碍物时，例如岛屿、海岬、防波堤等，它可以绕到障碍物遮挡的后面水域去，这种现象称为绕射。由于能量侧向扩散，故绕射后的波高明显减小。假如绕射前的波高为H0，绕射后的波高为H，则K=H/H0称为绕射系数，它可以通过模拟实验得到，以便为一些海岸工程提供依据。浅水区波浪波浪绕射海洋与土木工程学院37波浪绕射波浪在传播过程中遇到障碍物，除可能在障碍物前产生波浪反射外，还将绕过障碍物继续传播，并在掩护区内产生波浪扩散，这种现象称为波浪绕射。波浪绕射是波浪从高能量区向低能量区进行重分布的过程。因此，绕射区的波浪在同一波峰线上的波高是不等的，愈深入掩护区内的波高愈小，但波周期保持不变。海洋与土木工程学院38惠更斯原理示意图浅水区波浪波的绕射海洋与土木工程学院39浅水区波浪波的绕射海洋与土木工程学院40浅水区波浪波浪绕射形成的静稳海域可用于码头港口、海滨浴场及海藻养殖或网箱养鱼海洋与土木工程学院41海洋与土木工程学院4242缓坡方程02ccyccyxccxggg不规则波一般较规则波绕射系数为大海洋与土木工程学院43在波浪传播过程中如遇地形的突然（或迅速）变化或遇建筑物的阻挡，即会产生波浪的反射。反射角与入射角相等，如同光反射。反射波高HR与入射波高HI之比称为反射率KR，通常≤1，其值视建筑物的形式而异。4波浪反射海洋与土木工程学院44波高RRiH=KHRK反射系数4波浪反射海洋与土木工程学院45波浪斜射岸壁时，入射波与反射波叠加而形成沿岸壁平行的“缘波”。浅水区波浪4波浪反射海洋与土木工程学院46近岸水域入射波与反射波迭加形成的棋盘状波形。浅水区波浪海洋与土木工程学院47当波浪遇到比较陡峭的海岸时，会发生反射而形成驻波，在港湾、码头常会见到这种情况，但范围不会太大。海洋与土木工程学院48BinodalStandingWaveYellowdashedlineindicatesundisturbedsealevel.Dotsindicatewatermotion.海洋与土木工程学院49海洋与土木工程学院50海洋与土木工程学院51Waverefractionalongastraightshoreline海洋与土木工程学院52海洋与土木工程学院53海浪传到浅水后，由于波长变短、波高增大、波陡迅速增大而导致波浪破碎。1.5.2波浪破碎海洋与土木工程学院54波浪破碎是由于波浪在发展和传播过程中局部能量过大而使波浪运动难以继续维持而发生的运动不再连续的现象，它在深海和浅水区均可发生。海洋与土木工程学院55浅水区的海底摩擦作用可及至水面，但波峰相对于波谷，水深大、摩擦影响小，故波峰的波形推进速度要大于波谷，并导致波面前倾而变形。当波峰前倾坡度很大时，便发生倒卷和破碎现象，并在岸边形成拍岸浪。浅水区波浪海洋与土木工程学院5671142.0max00max0LHkhLHtanh142.0maxmax对于浅水情况，极限波陡：bLhLH271maxmax89.0bbhH破碎指标（近海滩时）78.0bbhH破碎指标（近海滩时孤立波）深水波浪破碎极限有限水深波浪破碎极限波浪破碎极限波陡与指标波浪破碎指标海洋与土木工程学院57当波峰附近的水粒子向前运动的速度比波形移动（相速）还要快时，波浪便碎了当波面在垂直方向上的加速度大于重力加速度时，水分子便会脱离波面，波浪也会碎了。发生碎波未必限定在海滩上，深海一样有碎波（白浪滔滔就是描述碎波的海面）。1.5.2波浪为什么破碎海洋与土木工程学院58两因素：深水波陡、近岸海底的坡度崩破卷破激散SpillingbreakerPlungingbreakersurgingbreaker波浪破碎类型：崩破、卷破、激散波浪破碎的类型海洋与土木工程学院59海洋与土木工程学院60海洋与土木工程学院61（1）崩顶破碎波陡较大的波浪在海底平缓的地段，消能缓慢，白头浪波陡＝波高／波长即：＝H／L海洋与土木工程学院62海洋与土木工程学院63海洋与土木工程学院64（2）卷跃破碎海洋与土木工程学院65海洋与土木工程学院66海洋与土木工程学院67海洋与土木工程学院68卷跃破碎1海洋与土木工程学院69卷跃破碎2海洋与土木工程学院70卷跃破碎3海洋与土木工程学院71卷跃破碎4海洋与土木工程学院72海洋与土木工程学院73（3）激散破碎波陡较小的波浪，海底坡度较大，消能较快，拍岸浪海洋与土木工程学院74海洋与土木工程学院75海洋与土木工程学院76海洋与土木工程学院77激散海洋与土木工程学院78拍岸浪海洋与土木工程学院79惊涛拍岸海洋与土木工程学院8080崩波激波卷波海洋与土木工程学院8181破波海洋与土木工程学院8282海洋与土木工程学院8383海洋与土木工程学院84海洋与土木工程学院85海洋与土木工程学院86有时海洋中的浅滩，沙洲，暗礁区之上，波浪也常常出现破碎现象，此称为溢浪。浅水区波浪波浪的破碎海洋与土木工程学院87海洋与土木工程学院88海洋与土木工程学院89波浪破碎点至岸边这一地带称为破波带（surfzone）在破波带由于水深从破碎点向岸不断地减小，波浪始终处于破碎状态，水体的紊动与涡旋非常强烈，是波能的主要消耗区域，也是海滩上泥沙运动最剧烈的地区。碎波带海洋与土木工程学院90903.破碎带外碎波区：自外滨传入近岸带,首先发生破碎的地带,波高减小20-80%.内碎波区：在水下岸坡平缓地带,波浪多次破碎.爬坡区：岸线附近,海水已经不遵从波浪运动规律,惯性力的作用形成冲击流.海洋与土木工程学院91破浪带1海洋与土木工程学院92破浪带2三亚海洋与土木工程学院93破浪带3三亚海洋与土木工程学院94破浪带4夏威夷海洋与土木工程学院95破浪带5旧金山海洋与土木工程学院96海洋与土木工程学院97海洋与土木工程学院98海洋与土木工程学院99海洋与土木工程学院100海洋与土木工程学院101Thankyouforyourattention!