海岸動力沉積和地貌

1、海岸動力沉積和地貌概論vGeneral Scientific Questions vWhat sediments are found at a particular sitevWhere do they come fromvWhere are they goingvHow are their movements interacting with the bed morphologyvWhat are the temporal and spatial scales involved vHow to predict sediment transportv對在海與陸的動力相互作用下海岸沉積過程和地貌

2、發(fā)生和發(fā)育過程以及演變趨勢的研究學科。研究對象包括陸地部分、水下岸坡以及水體（河口海岸帶）。從海洋方向，動力包括波浪、潮汐、海流以及沿岸流等，從陸地方向，動力主要指徑流等。v海岸動力沉積和地貌v1. 海岸沉積物海岸沉積物v2. 海岸動力海岸動力v3.泥沙運動和沉積物輸移泥沙運動和沉積物輸移v4. 海岸地貌海岸地貌v5. 海岸工程的一些理念海岸工程的一些理念1.海岸帶沉積物海岸帶沉積物1波浪對海岸及水下岸坡的侵蝕產(chǎn)物。波浪對海岸及水下岸坡的侵蝕產(chǎn)物。 2河流供應的沉積物。河流供應的沉積物。 3海底的來沙。海底的來沙。 4. 風吹入海岸帶的物質(zhì)。風吹入海岸帶的物質(zhì)。 5火山噴發(fā)火山噴發(fā)(陸上或水下

3、的陸上或水下的)的物質(zhì)。的物質(zhì)。 6生物堆積物。生物堆積物。 7海水化學變化產(chǎn)生的物質(zhì)。海水化學變化產(chǎn)生的物質(zhì)。 來源分：陸源的、生物的和化學的。來源分：陸源的、生物的和化學的。 動態(tài)特性分：一類是從懸浮狀態(tài)中到海底，或動態(tài)特性分：一類是從懸浮狀態(tài)中到海底，或者直接在海底上形成的，另一類沉積物分布在者直接在海底上形成的，另一類沉積物分布在海岸帶波浪作用活動的范圍，具有易動的特征。海岸帶波浪作用活動的范圍，具有易動的特征。 2. 海岸動力和泥沙運動波浪波浪環(huán)流和近岸流環(huán)流和近岸流潮流潮流風風波浪的要素波向線：表示波浪傳播方向的線波峰線：與波向線正交并通過波峰的線。群速（Cg）：群速與波速的關(guān)系n

4、gCChhC)2sinh(2121)2sinh(2121hhn平均波高平均波高 均方根波高均方根波高 HrmsH2/1121NiirmsHNHrmsHH886.0累計頻率為F(%)的波高HF (如如H1%即為即為F=1%的波高的波高)；1/p大波的波高大波的波高H1/p（有效波高，就是指（有效波高，就是指H1/3為為1/3大波大波的平均波高）；的平均波高）；rmsHH23/1v平均波高, 均方根波高；1/p大波的波高；rmsHH23/1rmsHH886.0通常認為有三種類型的破波: 崩波、卷波和激波。崩波：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:波浪的情形是波浪向岸面

5、變?yōu)橹绷ⅲM而上部發(fā)生彎曲，最后以整個水體向下傾倒。激波: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。 一般來說崩波大都發(fā)生在坡度非常小的海灘上，而且那里具有波陡大的波浪；卷波伴隨較陡的海灘產(chǎn)生，而且那里的波浪陡度適中，激波則發(fā)生在高比降的海灘上，而且那里的波陡較小。vBattjes(1974)用破波相似參數(shù)來區(qū)別各種破波類型v激波： 3.0， 3.3v卷波：0.4 3.0, 0.5 3.3v崩波： 0.4, Ut, 泥沙起動v一般砂質(zhì)海岸的Mz為0.05-2.0mm.v當D0.5mm時， )/2(maxLhTshHU4102)(46. 0)(DdgDUts環(huán)流和近岸流

6、 3.1 環(huán)流v世界大洋環(huán)流是復雜而又有規(guī)律的環(huán)流系統(tǒng)組成。v大洋的環(huán)流系統(tǒng)通?？梢苑殖杀韺迎h(huán)流系統(tǒng)和深層環(huán)流系統(tǒng)。v大洋表層以風生大洋環(huán)流為主，v深層則以溫度、鹽度差異所產(chǎn)生的環(huán)流為主。如灣流、黑潮和環(huán)流。環(huán)流和近岸流 3.1 海區(qū)環(huán)流： 一般是指一個海區(qū)內(nèi)各種海水組成的總循環(huán)模式。 它包括各種海流的組成、結(jié)構(gòu)、分布于變化，為氣候的海流平均狀況。 描述海流的特征有：強度、流向、流軸、流量、流程以及流速結(jié)構(gòu)等。沿岸流通常是與徑流、風、波浪、潮汐相聯(lián)系的，形成局部性水流。它對近岸地區(qū)的泥沙運移和生態(tài)條件有較明顯的影響。就其成因，沿岸流可以分為兩種基本類型，一種是與河流注入海的徑流有關(guān)，另一種是由

7、波浪入射角度所引起的。對泥沙輸移和海灘過程密切。沿岸流系 波浪產(chǎn)生的沿岸流和離岸流在近岸帶，除了直接由波浪產(chǎn)生的水體往復運動外，還有由浪生流系，如裂流與其伴生的沿岸流共同組成的環(huán)流系統(tǒng)，波浪斜向入射海岸所產(chǎn)生的沿岸流。波浪產(chǎn)生的沿岸流和離岸流裂流（rip currents）是一種從激浪帶向海流動的強而狹窄的水流。裂流式靠沿岸流系維持的。為了補償通過裂流向海運動的水量，必然存在著水體向岸運動的緩慢的質(zhì)量輸移。河流和風的作用海岸帶河流的作用是指注入了運動的水體與泥沙，他們抵消波浪、潮汐和海流的動能，并且積極地建造這海岸地貌。河流和風的作用（1）飽含懸浮質(zhì)的沉積物流，在相應的風力推送下，可沿海岸運行

8、很遠，直接進行了泥沙的搬運和沉積工作，促進了海岸的演變。（2）混濁的淡水，是沿岸水體的溫度、鹽度、密度、透明度、水色、營養(yǎng)鹽等海洋水文要素發(fā)生變化，因而在一定程度上改變了海岸帶自然環(huán)境。河流和風的作用1風形成波浪與風海流，2風直接對海岸巖石有直接的侵蝕作用。3對海岸沙丘的直接搬運作用。Sediment transport prediction ClassificationsvDepending on sediment propertiesNon-cohesive sediment transportCohesive sediment transportvDepending on the spa

9、tial dimensionsTransport at a pointTransport in water columnTransport over an areavDepending on the driving forcesCurrentsWaves or waves plus currentsvDepending on the grading and distributionSingle sized sedimentsMixed sediments2.2泥沙的橫向運動 2.2.2中立線的概念 十九世紀末，意大利學者科爾納利亞研究淺水區(qū)波浪的不對稱性和變形及其對海底泥沙運動的作用，并提出海

10、灘泥沙運動的中立線理論。 1 9 4 6年前蘇聯(lián)學者曾科維奇在他的著作海岸動力學和地貌學一書中應用了中立線概念闡述海岸剖面塑造。 在一個波周期內(nèi)，波浪和重力作用。在一個波周期內(nèi)，波浪和重力作用。 如果泥沙向岸和離岸運動的距離相等，泥沙只產(chǎn)生來回如果泥沙向岸和離岸運動的距離相等，泥沙只產(chǎn)生來回擺動，并不產(chǎn)生位移。擺動，并不產(chǎn)生位移。 將海灘剖面上泥沙顆粒僅產(chǎn)生往復擺動而不產(chǎn)生位移的將海灘剖面上泥沙顆粒僅產(chǎn)生往復擺動而不產(chǎn)生位移的地點作連接線，就稱為地點作連接線，就稱為“中立線中立線。下部上部“中立線的位置取決于下列三個條件：1.坡度較陡，對該剖面上各種粒徑泥沙的中立線位置也就愈靠近海岸和在深度較

11、淺的地點。2.當波浪較大時，它們的不對稱性變形發(fā)展較快，在該剖面上泥沙的中立線位處在岸外較遠的較大水深處。3.顆粒較大，其中立線應位處在離岸較遠的地點。v英曼和巴格諾爾德取得了反映局部海灘坡度的關(guān)系式：v式中C=局部離岸能量消耗速率/局部向岸能量消耗速率v而t g是顆粒與介質(zhì)剪切力之間的內(nèi)摩擦系數(shù)。vC=1，t g =0，vC0，tgt g，海灘坡度將接近泥沙的休止角。)11(CCtgtg 涌浪和暴風浪海灘剖面塑造過程v隨著風向的季節(jié)性變化，海灘剖面形態(tài)隨之變化.v海灘剖面形態(tài)只能達到相對的平衡狀態(tài)。 涌浪剖面：v泥沙顆粒受到輕微的壓實。v水體的波動作用將使灘面沉積物產(chǎn)生分選，最粗的顆粒留在灘

12、面的頂部和灘肩上。暴風浪剖面：v在涌浪持續(xù)作用的海岸線上，當暴風浪侵襲時將導致海灘極其迅速和最大規(guī)模的侵蝕。v在暴風浪季節(jié)里，任何連續(xù)的暴風浪不太可能導致海灘侵蝕作用大規(guī)模增大。因為岸外沙壩很快地形成了。 3.2.3 涌浪剖面與暴風浪剖面的演替涌浪剖面與暴風浪剖面的演替v整個剖面所含有的泥沙體積保持相對不變，冬季和夏季斷面的面積大致相同。冬季沉積物從灘肩向沙壩轉(zhuǎn)移，而夏季又從沙壩向灘肩搬運，總的剖面坡度，冬季剖面比夏季剖面小。vc 18, 海灘侵蝕； vc 9, 海灘淤積；v9 c 18, 基本平衡。67. 005027. 000)/()(tan(LdLHc泥沙的縱向運動波浪發(fā)生折射時，與中立

13、線方向就不一致，引起水下岸坡上的泥沙發(fā)生沿海岸的縱向運動。砂質(zhì)海岸沿岸輸沙主要發(fā)生在破波帶內(nèi)，主要動力是破波及破波產(chǎn)生的沿岸流。輸沙強度用沿岸輸沙率表示，指單位時間內(nèi)通過某垂直于岸線的整個橫斷面的總泥沙量。沿岸輸沙曾柯維奇認為沿岸泥沙流具有下列要素：容量：單位時間內(nèi)波浪和波成水流所能搬運泥沙通過海岸某一斷面的最大數(shù)量。波峰線與岸線(或等深線)成45角時，容量達到最大值。 強度：單位時間內(nèi)，波浪和波成水流實際搬運泥沙通過海岸某一斷面的數(shù)量。飽和度：泥沙流的強度與容量的比值。Total load transportvTotal load transport rate is the combinat

14、ion of bedload and suspended load transportvTotal load transport rate can be obtained by calculating bedload and suspended load transport rates separately and then adding up the two.vAlternatively total sediment transport rate can be given by a single empirical formula. It applies to flows and tidal

15、 currents The friction coefficient CD must be determined by Englund (1966) alluvial friction method3/2522500.04(/ ) (1)DtCuq msg sDwhere Relation of Engelund And Hansen (1972) /ss:u depthaveraged velocity This is a formula for the total load transport by wave plus currents It requires the knowledge

16、of depth-averaged current velocity and root-mean-square of wave velocity. A specific formula for the friction coefficient CD must be used The parameter As depends only on fluid property sediment size and water depth2.4220.018(1 1.6tan)tsrmscrDqAuuuuCwhere Soulsby/van Rijn (1997) 200.4ln( /) 1DCh zta

17、n: bed slope泥沙的縱向運動沿岸輸沙的計算采用以下兩種公式。(1)CERC公式。順岸輸沙率是單位海岸線長度上沿岸波能通量分量的函數(shù)導出 ,經(jīng)過多次修改而廣為使用 . 泥沙的縱向運動bbbgLECIcossin)(77. 0bbbgsLECagScossin)()(77. 0LsLSagI)(281bgHE)221 (21khshkhcCg式中: H ,C 為波高和波速 ; 為破波角度 ; =0.6泥沙的縱向運動(2 )中國規(guī)范 (87)公式 :bbbbnCHKQ2sin1064. 0202000LHLLCbb4/41 21LbdshLdnbbbbdb為破波點水深海岸動力地貌海岸動力地

18、貌The problems that require morphodynamicsvCoastsBed formsLocal ScoursBeach erosionShoreline changesvEstuariesBed formsChannel stability assessment & stable channel designBank erosion海岸地貌海岸地貌基巖海岸基巖海岸砂質(zhì)海岸連島沙壩瀉湖海岸淤泥質(zhì)海岸潮灘潮水溝貝殼堤紅樹林珊瑚礁海岸Scale concepts and implicationsvMorphodynamics studies processes of k

19、nown extent It investigates the relationship between dynamics processes and spatial patterns, the interactions found between adjacent spatial units, and the causes and effects of spatial heterogeneity .vRegardless of the specific focus of morphologists, the concept of scale is fundamental because mo

20、rphologists typically try to understand the dynamics at one level of an morphological system as an aggregation of interactions among lower-level units.Morphodynamic scales relationMorphodynamics at small scales - scoursScours are produced by simultaneous erosion and deposition near coastal structure

21、s. As scours develop, they influence the flow which, in turn, control their development (i.e. a feedback). Equilibrium scour depth is the usual engineering design parameter. Time scale to equilibrium can be determined empirically. Large morphological systemsMultiple time scales for the cliff-beach s

22、ystemRate of sea level riseRate of foreshore erosionRate of cliff erosionRate of debris removalRate of longshore transportTiming and extent of engineering interventionsThe nature of coastal morphological developmentvInteractionsvMulti-scalesvBoth random and deterministicvTheory-rich and data poorvSe

23、nsitive to boundary conditionsvNo generally agreed modelling systems or methodologiesPrediction of long-term coastal evolution - obstaclesvFine structure is not possible to predict over long time scalevBoundary conditions can not be know precisely over long-time scalevNature offers only one realisat

24、ion and chronological effects may be importantvScale aggregation parameterisation of sub-scale processesMethods of studies vDeterministicEmpirical sediment transport, cliff erosionTheoretical/numerical waves, tides, morphological changesvProbabilisticSensitivity analysisSystem reliabilityScenarios a

25、nalysisvCase studiesTypes of Morphodynamics Models1D, 2D or 3D-PROCESS BASED-PROBABILITY BASED-RULE BASED- HYDRODYNAMICS- SEDIMENT DYNAMICS-MORPHOLOGICAL EVOLUTIONModel ImplementationvEvent based Monte Carlo ModelvLife-cycle Approach50 Year FuturevUncertainty in Model VariablesvIntegrate Coastal Eng

26、ineering with EconomicsvSediment transport remains a challenging problemvNotable progress has been made in the studies of micro-scale processes, measurement techniques and model applications vNon-cohesive sediment transport is much better understood than the cohesive sediment transport.vValidation r

27、emain a critical issue especially in situations where the concentration is highWhat is Coastal EngineeringvCoastal Engineering is the application of physical science and engineering principles for the planning, design and construction of engineering works in the coastal zone for the protection, util

28、ization and enhancement of coastal zone.vCoastal Management is concerned with plans and strategies for promoting sustainable development and the protection of coastal resources considering physical, economical, environmental, ecological and social factors. The need for Coastal EngineeringvFlood prev

29、entionvErosion controlvSiltation managementCoastal Engineer are interested invHydrodynamics : the generation and transformation of waves, currents, wave-current interactions, wave forces. vSediment transport and coastal morphodynamics shaped by erosion and accretion processes.vPollutant transport su

30、ch as that from marinas, outfalls and oil spills.vPlanning, design and construction of ports, harbors, artificial beaches and land reclamation.vPlanning and execution of channel dredging works.Engineering optionsvDo nothingvManaged retreatvMaintain the present conditionvEnhance protection standardsE

31、ngineering solutionsvFixing or controlling the shorelineSeawalls RevetmentGroynesSubmerged breakwatersHeadlandsvAdding new sediments to the beachBeach nourishmentForeshore nourishmentThe Principles of coastal engineering design and construction Be Cost-effective In harmony rather than in conflict wi

32、th nature Minimising any side effects sand trapping, sand starvationadverse sediment sortingdowndrift erosionThis building with nature approach requires a profound understanding of the sediment transport processes in morphological systems.The three most basic design rules (1) try to understand the physical system based on available field data; (2) try to estimate the morphological effects of engineering works(3) use detailed models for fine-tuning and determination