橋涵水文第五章海洋水文

第五章海洋水文

第一節(jié)潮汐和潮流一、潮汐與潮流潮汐：是日、月引潮力引起的海洋水面周期性的升降運(yùn)動(dòng)。潮流：潮汐引起的海水周期性的水平進(jìn)退流動(dòng)。（1）牛頓（1642-1727）首先提出了天體相互引力作用而產(chǎn)生海洋潮汐的理論。牛頓與伯諾里假定地球表面海水等深，海水在地月系統(tǒng)的慣性離心力與引力的共同作用下，使海水在地球表面向著月球與背著月球的兩個(gè)方向移動(dòng)，從而形成一個(gè)橢圓球體，該水圈即潮汐橢圓。

（2）該平衡潮理論可以解釋潮汐的存在，但是，不能很好的預(yù)測(cè)潮汐出現(xiàn)的時(shí)間以及海洋上一些地方不能形成明顯的半日潮的原因（如在西澳大利亞海岸）。于是一種動(dòng)力潮理論認(rèn)為，潮汐是一個(gè)繞著地球表面運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)波，是受天文吸引力與旋轉(zhuǎn)力控制的強(qiáng)制波。拉普拉斯（1749-1827）利用復(fù)雜的偏微分方程組描述了潮汐動(dòng)力的相互作用。現(xiàn)代人利用大型計(jì)算機(jī)對(duì)此進(jìn)行求解。

（3）在每月的初一十五，太陽(yáng)月亮地球位于一條直線上，潮汐引力最大，形成的潮差最大，稱為大潮或者朔望潮，在上弦與下弦，地月日處于直角位置，日月引力相互抵消一部分，此時(shí)的潮差最小，稱為小潮或者方照潮。在海水粘滯性的與地形影響下，大小潮會(huì)在朔望或者上下弦1~3天后出現(xiàn)。

高潮間隙：從月中天到高潮出現(xiàn)的時(shí)間間隔。低潮間隙：從月中天到低潮出現(xiàn)的時(shí)間間隔。潮汐的三種類型

1、半日潮：一個(gè)太陰日內(nèi)（24小時(shí)50分）出現(xiàn)兩次高潮與兩次低潮，潮位時(shí)間曲線為對(duì)稱的余弦曲線。

2、日潮：在一個(gè)太陰日內(nèi)出現(xiàn)一次高潮與低潮，潮位時(shí)間曲線為對(duì)稱的余弦曲線。

3、混合潮：有不規(guī)則半日潮，半月的少數(shù)日子里兩次高潮與低潮的高度歷時(shí)都不相同；不規(guī)則日潮則是半月中多數(shù)時(shí)間是日潮，其余日子里是不規(guī)則半日潮。二、科氏力在研究大尺度風(fēng)與海流系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，海洋學(xué)家和氣象學(xué)家必須考慮地球轉(zhuǎn)動(dòng)的影響，這種影響稱為科氏效應(yīng)，由法國(guó)數(shù)學(xué)家GaspardCoriolis(1792-1843)提出的。定性地說(shuō)，在北半球，它使運(yùn)動(dòng)著的水質(zhì)點(diǎn)向運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)方向的右側(cè)偏離；在南半球則相反。正是這種科式力的作用，使得大范圍的水流運(yùn)動(dòng)方向往往與壓力梯度線平行而不是垂直。

三、基準(zhǔn)面黃海平均海平面：是青島驗(yàn)潮站的多年（一般取19年）平均海平面（19年每小時(shí)潮位觀測(cè)記錄的平均值）。四、海流海流是海洋中的流動(dòng)的水流，引起海流的原因主要有：天體引潮力所引起的潮流；因?yàn)轱L(fēng)的切應(yīng)力作用于海面產(chǎn)生的風(fēng)海流；由于近海岸波浪破碎而引起的水平方向的波流；或者是由于海面大氣壓力、海洋水溫與鹽度分布不均勻形成的梯度流。五、設(shè)計(jì)潮位的推算有n個(gè)年最高潮位觀測(cè)值時(shí)，不同重現(xiàn)期的高潮位可采用耿貝爾曲線分布計(jì)算。給定頻率P的隨機(jī)變量為：式中：－給定頻率P（%）相應(yīng)的隨機(jī)變量；－隨機(jī)變量系列的均值；－隨機(jī)變量系數(shù)的均方差；－與頻率P和系列變量n有關(guān)的參數(shù)。耿貝爾分布主要是應(yīng)用在那些求極值分布的計(jì)算中，比如高潮位與低潮位的頻率分布。

第二節(jié)海岸和?？?/p>

一、海岸近代研究認(rèn)為，海岸與河口地區(qū)是生命活動(dòng)最為旺盛的地區(qū)。也是原始生命誕生的主要場(chǎng)所。在這里，物質(zhì)交換非常頻繁。海底泥沙在波浪、潮汐、海流等動(dòng)力作用下運(yùn)動(dòng)，形成了海岸演變過(guò)程。沙質(zhì)海岸、淤泥質(zhì)海岸

二、河口：河流流入海洋、湖泊以及支流入干流的地方。河口可劃分為：口外海濱段，河口段與近口段。潮流界：將潮流到達(dá)河流最遠(yuǎn)處稱為潮流界。潮流區(qū)：在潮流界的上游，雖然潮流不能到達(dá)，但是水位卻有受潮流影響而產(chǎn)生的周期性變化，直到此影響消失處，稱為潮區(qū)界。潮區(qū)界與潮流界部分為近口段。在潮流界以下的河段，水流的流向經(jīng)常受到潮流的影響經(jīng)常發(fā)生順逆流向的周期性變化。第三節(jié)波浪

海浪一般是風(fēng)浪、涌浪以及涌浪傳播到海岸所引起的近岸波的總稱。風(fēng)浪是在風(fēng)在直接持續(xù)作用下產(chǎn)生的波浪；涌浪是在風(fēng)停止后，海面存在的波浪或傳到無(wú)風(fēng)區(qū)的波浪。

一、波浪

1、波浪要素和名稱波峰：波面的最高點(diǎn)波谷：波面的最低點(diǎn)波高H：相鄰波峰與波谷的豎直距離（m）波長(zhǎng)L：相鄰兩波峰或兩波谷間的水平距離周期T：波浪起伏一次所需的時(shí)間波速c：波面移動(dòng)的速度，即單位時(shí)間內(nèi)波動(dòng)傳播的水平距離(m/s)，c=L/T

前進(jìn)波：在海面上形成后，向岸邊傳播的波浪。2、水體的簡(jiǎn)易波動(dòng)理論，首先是由G..B.Airy(1801—1892)提出的,他提出了在任意深度,平坦地形下波動(dòng)傳播的理論,指出這些波動(dòng)的恢復(fù)力為重力,并有兩種極端形式:深水波與淺水波。深水波：在水深大于一半波長(zhǎng)處的前進(jìn)波。深水波波速c=（gλ/2π）0.5λ為波長(zhǎng)，g為重力加速度淺水波：在水深向岸邊傳播，水深d小于半波長(zhǎng)。

c2=(gλ/2π)(th2πh/λ)h為水深,

th為雙曲正切函數(shù)thx=(ex-e-x)／(ex+e-x)(顯然，當(dāng)x為無(wú)窮大的時(shí)候，thx為1)

（3）波的能量波的能量傳播是以波包的方式進(jìn)行的，波能隨著波高的平方而增加。（4）波浪的折射反射與繞射在海岸，水深變淺，波速變緩，波峰線會(huì)發(fā)生折射的現(xiàn)象，類似光線的折射。

（5）海浪的破碎在深水中形成的前進(jìn)波進(jìn)入海灘之后，水深變淺，波陡增大（波陡是波高與波長(zhǎng)的比例），波峰速度快，波谷速度慢，（因?yàn)椴ㄋ倥c水深有關(guān)了），使得波面傾倒破碎；波浪破碎后，水質(zhì)點(diǎn)繼續(xù)向前移動(dòng)，稱為擊岸波；擊岸波繼續(xù)向前傳播并破碎，最后形成擊岸水流，水流在岸邊涌高，再向?；亓鳌６?、海浪固定點(diǎn)波高的統(tǒng)計(jì)分析波浪要素的長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)分布：皮三分布波浪要素的短期統(tǒng)計(jì)分布：雷利（Rayleigh）分布深水波頻率分布（累積頻率）函數(shù)模比系數(shù)與累積頻率P（%）的關(guān)系為：

設(shè)計(jì)波浪的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是：波浪高度和周期的頻率。波列累積頻率：指在實(shí)際海面上不規(guī)則波列的出現(xiàn)頻繁，它代表波浪要素的短期統(tǒng)計(jì)分面。顯著波：取觀測(cè)波列的連續(xù)100個(gè)波，其中前10個(gè)大波的平均值作為特征波高，稱為1/10大波或顯著波。有效波：取波列中前1/3大波的平均值作為特征波高，稱為1/3大波或有效波。三、不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)波浪推算波浪要素的長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)分布：皮三分布波浪高度和周期的頻率分析方法：適線法四、我國(guó)的風(fēng)況和海浪概況第四節(jié)波浪對(duì)橋梁墩臺(tái)的作用力圓柱及其他形狀樁柱的波浪力一、分析

1、水流對(duì)墩臺(tái)的作用力等于墩臺(tái)使水流速度發(fā)生改變的反作用力。墩臺(tái)上每點(diǎn)受到的波浪力都可以通過(guò)求該點(diǎn)速度的時(shí)間微分來(lái)得到。

2、水體本身存在一個(gè)對(duì)其他物體的壓力。

3、因此，墩臺(tái)所受到的水流波浪力應(yīng)該是1、2兩因素形成的合力。

二、數(shù)學(xué)公式表達(dá)對(duì)于第1因素形成的力（駐點(diǎn)壓力），我們可以得到以下公式：

該公式說(shuō)明速度壓