6潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变

第六章潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变第一节潮汐河口的分段和分类第二节潮汐河口区的水流特性第三节潮汐河口区的泥沙运动特点第四节潮汐河口区的河床演变6.0概述-基本概念第六章潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变河口区：河流与受水水体(河流、湖泊、水库、海洋)的接合地段入海河口(潮汐河口):水流流态多变、泥沙构成多样、河床演变复杂①主要影响因素：径流(山水)、潮汐入侵、波浪、密度流(盐淡水)支流入汇河口入海河口入湖河口入库河口6.1潮汐河口的分段和分类第六章潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变(一)潮汐河口的分段图6-1(分界点)：口外海滨段→河口口门→潮流界→潮区界•潮区界→口门：感潮河段•潮区界以上：河水运动不受潮汐影响•潮流界、潮区界的位置随外海潮差大小、河流径流量大小而变化6.1潮汐河口的分段和分类第六章潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变(一)潮汐河口的分段①河口口门(河流动力因素消失之地):河口段多年平均中潮位水面坡降线与平均海平面的交点处；或者三角洲海岸、岛岸、沙坎的临海端入口处②潮流界：上溯潮波潮流与下泄径流的叠加、以及沿程河床阻力耗能，使得潮汐能量逐渐消耗，潮差减小，流速降低，当涨潮流速与径流下泄流速相等时，潮水停止倒灌，此处称为~③潮区界：潮流界以上，潮波继续上溯(波动形态的传递)，河水受阻壅高，但潮差急剧减小，直至等于零的位置，此处称为~6.2潮汐河口区的水流特性第六章潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变一、河口区的潮波及潮流影响因素主要：水深；河口的平面形态；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：盐水楔异重流加剧了潮汐不对称现象科氏力：使潮差向潮波传播方向的右侧(北半球)递增6.2潮汐河口区的水流特性第六章潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变(一)河口区的潮波及潮流潮汐周期的四个阶段：潮位涨落+潮流方向①涨潮落潮流：海水开始涨潮，但潮位上升尚未改变水面向下游倾斜和水流向下游流动②涨潮涨潮流：海水继续涨潮，河口水面壅高使得水面坡降转向上游，水流向上游流动③落潮涨潮流：海水开始落潮，河口水面开始下降，但潮位下降尚未改变水面坡降向上游倾斜和水流向上游的流动④落潮落潮流：海水继续落潮，河口水面下降使得水面坡降转向下游，水流向下游流动(1)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，潮流速与潮位同相→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(憩流、转流)☆河口潮波：取决于河口平面形态及水深变化，介于前进波和驻波之间，潮流速与潮位不同相。前进潮波遇到浅滩、河岸、河口顶端会发生反射。若河宽向上游迅速缩窄、水深急剧变小，反射强烈，河口潮波接近完全反射驻波，潮流速与潮位相位差90°→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(2)涨落潮历时不对称主要影响因素：水深、河流径流水深：潮波波峰(高潮位)和波谷(低潮位)时刻水深相差大，波峰传播速度要快于波谷，使得潮波前坡变陡、后坡变坦，涨潮流速大于落潮流速→涨潮历时缩短，落潮历时延长径流：向海净流动，与潮波叠加，使得落潮历时更加延长1cghghh(3)潮差(潮波的波高)的变化①河口断面向陆方向收缩→喇叭效应→能量汇聚→潮差沿程增大②浅滩及河口边界反射→驻波→潮差沿程增大→共振③底摩阻→能量损失→潮差按指数规律沿程减小01=coslkl0cos2xHktex1412000:()()xxxhbHHhb格林定律0xiHHe上述三种因素的相对大小很难确定，相互之间的平衡非常复杂:①宽度和深度逐渐变化的河口：浅滩及河口边界反射小，潮差主要受底摩阻影响，沿程减小(如长江口)②喇叭形河口：河口区中下游段，由于截面收缩和边界反射，潮差沿程增加；河口上游端，水深减小，底摩阻影响显著，潮差趋于减小(如钱塘江口)其它影响潮波变形的因素：①盐水楔异重流加剧了潮汐不对称现象②柯氏力使潮差向潮波传播方向的右侧(北半球)递增潮波变形在潮差相对于低潮水深较大的强潮河口更为显著。在某些河口，河口涨潮初期潮位急剧上升，受水深沿程快速减小和逆向径流影响，低潮传播速度慢，被后一个高潮赶上，潮波变形成类似移动水跃的现象，波面前坡几乎直立，波前就象一个翻滚的水墙向上游传播，这种现象称之为涌潮滔天浊浪排空来,翻江倒海山为摧6.2潮汐河口区的水流特性第六章潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变(二)一维潮波的基本方程-浅海自由潮波(浅水潮波)(三)无限长均匀断面河道中的推进潮波-凯尔文波(四)一端封闭河道中运动的驻波型潮波-驻波和港湾共振(五)断面渐变河道中的潮波运动-波能流守恒的格林定律(六)考虑摩阻影响时无限长河道中潮波的衰减海岸动力学(一)河口区的潮波及潮流6.2潮汐河口区的水流特性第六章潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变二、河口区盐淡水的混合-(一)混合类型海水含盐量约30‰，淡水含盐量约0.1‰：涨潮流会将海水带入口门内一定距离→盐水入侵咸水界：河口内水流含盐量因海潮的影响从口门向上游逐渐降低，当含盐量小于2‰时，已不会影响农作物生长，2‰含盐浓度所及位置即~盐淡水混合区：咸水界下游盐淡水混合指数(山潮水比):→盐淡水混合类型一个潮周期内的河水径流量涨潮期的进潮量≥0.7:弱混合型=0.2~0.5:缓混合型0.1:强混合型(西江河口)(长江口南港)(钱塘江口)6.2潮汐河口区的水流特性第六章潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变弱混合型：又称高度成层型、盐水楔型•径流强潮汐弱，盐淡水间存在明显分界面，形成盐水楔异重流，上层淡水流向下游，下层盐水潜入上游，交界面上的剪切力与含盐度梯度平衡缓混合型：•径流潮汐均较强，盐淡水发生掺混，水平和垂直方向均存在含盐度梯度，淡水主要从上层下泄，底部有盐水上溯，可能出现交错流强混合型：•潮汐强径流弱，盐淡水充分混合，垂向含盐量均匀，含盐度梯度主要表现于水平方向，不出现盐水楔和交错流二、河口区盐淡水的混合-(一)混合类型6.2潮汐河口区的水流特性第六章潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变咸水界以上:流速垂向分布不受盐水密度梯度的影响，仍采用对数或指数分布咸水界以下:盐水密度梯度使垂线流速分布发生变化•涨潮流期间：密度梯度与水面坡降一致，增大涨潮流速，因底部密度梯度大，底流速加大，最大流速出现在水面下某一深度处二、河口区盐淡水的混合-(三)对水流泥沙的影响6.2潮汐河口区的水流特性第六章潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变咸水界以下:盐水密度梯度使垂线流速分布发生变化•落潮流期间：密度梯度与水面坡降方向相反，减小落潮流速，因底部密度梯度大，阻碍底流下泄，为保持流量平衡，表层流速加大二、河口区盐淡水的混合-(三)对水流泥沙的影响6.2潮汐河口区的水流特性第六章潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变咸水界以下:盐水密度梯度使垂线流速分布发生变化•转流期间：水面坡降很小，密度梯度控制底流流向上游，形成表层(向下)与底层流向相反的交错流二、河口区盐淡水的混合-(三)对水流泥沙的影响6.2潮汐河口区的水流特性第六章潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变滞流点：一个潮周期内，下泄流与上溯流河段间底部净流程(涨落潮流程的代数和)为零的临界点，为底层泥沙易于淤积的区域•流程=流速过程线与时间轴包围的面积•位置：随山潮水比的变化而变，洪水大潮下移；枯水小潮上溯二、河口区盐淡水的混合-(三)对水流泥沙的影响φ6.2潮汐河口区的水流特性第六章潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变盐淡水混合对净流程的影响：•断面分布:滞流点上游，盐水密度影响小，表底层均为净下泄流；滞流点下游，盐水密度影响大，表层测点的落潮流程大于涨潮流程(净下泄流)，底层测点的涨潮流程大于落潮流程(净上溯流)•强混合型河口(表、底层均为净下泄流)；缓弱混合型河口(表层净下泄；底层净上溯)二、河口区盐淡水的混合-(三)对水流泥沙的影响φ6.2潮汐河口区的水流特性第六章潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变口门外水流泥沙运动的主要影响因素:①流出水流的惯性力(提供动量)②河床底面的摩阻力(减小流速)③流出水体与周围海水密度差引起的浮力口门射流类型：•出口水深h0口门外水深h时:轴向紊动射流(排出水流向水平和垂直方向扩散)•出口水深h0≈口门外水深h时:平面紊动射流(排出水流向仅在水平面内扩散)三、河口区口门外的水流泥沙特征6.2潮汐河口区的水流特性第六章潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变口门外射流流速的演变:•流出口门时:均匀分布，中部为核心流•过渡区：水流扩散，核心流缩小直至消失，流速降低•完全紊流区：水流继续扩散，流速沿程减小，在断面上呈高斯分布三、河口区口门外的水流泥沙特征高斯分布6.2潮汐河口区的水流特性第六章潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变射流对泥沙运动及河床演变的影响:•平面射流:射流两侧的流速衰减较快，核心流流速衰减稍慢，泥沙沿主流两侧沉积，形成鸟趾状或鸟嘴状三角洲•轴向射流：射流向水平和垂直方向扩散，流速衰减迅速，泥沙在口外附近形成新月形沉积体，河流出路受阻，将在其上冲出新道，又形成另一个新月形沉积体，发展下去成为圆弧状三角洲三、河口区口门外的水流泥沙特征6.3潮汐河口区的泥沙运动特点第六章潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变(一)河口区泥沙来源流域来沙：径流挟沙•河岸冲刷•河床冲刷海域来沙：潮流挟沙•当地海岸滩涂•径流挟沙在河口外落淤后，又被潮流带回到河口内其他：城市垃圾、工业废渣、海洋生物残骸等6.3潮汐河口区的泥沙运动特点第六章潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变(二)河口区推移质运动潮区界←→潮流界•流动总体向下游，但潮汐涨落→水位升降→流速增减→推移质间歇运动潮流界←→河口•潮流径流相互作用→往复流→推移质往复运动→一般淤积在咸水界范围内，但在大洪水时也会推移至口门外(根据沙丘淤积体的形态可判断该河口是受涨潮流还是落潮流控制)30127.2ccbUUUUgDC2-71,天然沙迎流坡缓、背流坡陡(沙波)6.3潮汐河口区的泥沙运动特点第六章潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变(三)河口区悬移质运动总体趋势：水流往复→悬移质往复搬运、时沉时扬1.滞后效应：含沙量的变化滞后于流速一定相位•沉降时差：涨潮流或落潮流→憩流(转流)期间，当流速降低到止动流速以下时，悬移质开始沉降，但在沉降到床面前会随水流前进一段距离•冲刷时差：憩流(转流)→涨潮流或落潮流，流速上升到止动流速时，床面泥沙不动，直到流速继续上升到起动流速，泥沙才进入运动状态钱塘江河口七堡站流速、含沙量过程线细颗粒泥沙絮凝6.3潮汐河口区的泥沙运动特点第六章潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变(三)河口区悬移质运动总体趋势：水流往复→悬移质往复搬运、时沉时扬2.絮凝现象：主要体现在D0.03mm的细颗粒泥沙•河口悬沙多含粘粒胶粒•含盐海水为电解质成为大颗粒沉速加大(但有上限)团聚：淤泥经海洋生物(牡蛎、蛤)吸入体内和排泄后将在表面附着生物粘液，使得细颗粒泥沙粘结在一起，形成较大颗粒(团粒)，这将增大沉速6.3潮汐河口区的泥沙运动特点第六章潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变(三)河口区悬移质运动总体趋势：水流往复→悬移质往复搬运、时沉时扬3.滞流点附近泥沙集中淤积：•滞流点上游：底部为净下泄流，向滞流点挟沙•滞流点下游：底部为净上溯流，向滞流点挟沙•汛期径流量大，挟沙量大，洪季滞流点是河口淤积最严重的部位高含沙量区河口浅滩(拦门沙)6.3潮汐河口区的泥沙运动特点第六章潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变(四)河口区浮泥运动定义：河口地区的极细颗粒泥沙(中径≤0.005mm)经絮凝沉落到床面上后，需经过很长时间才能排水固结得比较密实，在尚未密实之前(密度约1.03~1.20t/m3)，具有明显的流动性，即浮泥(实质上为海底高浓度含沙水体)淤泥浮泥排水固结密实程度絮凝体流变性质不同6.3潮汐河口区的泥沙运