近岸水流運(yùn)動(dòng)特性

1（優(yōu)選）近岸水流運(yùn)動(dòng)特性版ppt講解當(dāng)前1頁，總共61頁。近岸水流(潮流、近岸波生流)垂向(沿水深)分布水中物質(zhì)輸移水底剪切應(yīng)力海床沖淤變化P83，圖4-1(潮流底流速度很小)懸移質(zhì)推移質(zhì)當(dāng)前2頁，總共61頁。4.本章總綱4.1潮波運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)介4.2水流速度垂向分布4.3波浪對(duì)水流垂向分布的影響4.4波浪和水流共同作用的底摩擦力當(dāng)前3頁，總共61頁。為什么要研究潮汐運(yùn)動(dòng)？海岸洪水、波浪變形、航運(yùn)、漁業(yè)、居住大多數(shù)海岸建筑物在高潮位時(shí)破壞引起泥沙輸移，導(dǎo)致岸灘和地形變化引起污染物顆粒輸移，影響環(huán)境4.1潮波運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)介當(dāng)前4頁，總共61頁。4.1.1基本定義潮波：晝潮夜汐，海面周期性的垂向升降運(yùn)動(dòng)漲潮-落潮潮汐周期：一個(gè)太陰日，兩次高潮和兩次低潮潮流：海水周期性的水平整體運(yùn)動(dòng)漲潮流-漲潮時(shí)向岸流動(dòng)的海水落潮流-落潮時(shí)向海流動(dòng)的海水海岸和河口地區(qū)的潮波一般是大洋或外海潮波傳播的結(jié)果

當(dāng)前5頁，總共61頁。平衡潮理論潮汐動(dòng)力理論4.1.2潮汐理論當(dāng)前6頁，總共61頁。平衡潮理論(靜力理論)假定地球全部被均勻深度和密度的水體所覆蓋海水是無粘流體，摩阻力可以忽略，沒有慣性，因此在重力和引潮力的作用下、在任何時(shí)刻均能保持平衡狀態(tài)4.1.2潮汐理論當(dāng)前7頁，總共61頁。平衡潮理論(靜力理論)假定地球全部被均勻深度和密度的水體所覆蓋海水是無粘流體，摩阻力可以忽略，沒有慣性，因此在重力和引潮力的作用下、在任何時(shí)刻均能保持平衡狀態(tài)4.1.2潮汐理論當(dāng)前8頁，總共61頁。4.1.2潮汐理論天體引力有差別：地球上不同海域距離太陽和月球的相對(duì)位置不同慣性離心力：地-月、地-日轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)繞其共同質(zhì)心運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的引潮力=天體引力+慣性離心力平衡潮理論-引潮力當(dāng)前9頁，總共61頁。4.1.2潮汐理論平衡潮理論-月球的引潮力當(dāng)前10頁，總共61頁。徑向分量對(duì)潮汐作用很小(只引起水位升降，不主導(dǎo)潮波運(yùn)動(dòng))水平分量雖小，但垂直于重力方向，會(huì)引起水體的切向運(yùn)動(dòng)

單位質(zhì)量水質(zhì)點(diǎn)引潮力垂向分力最大值與重力之比：當(dāng)前11頁，總共61頁?？梢越忉尠肴粘薄⑷粘?、潮汐的基本成因4.1.2潮汐理論平衡潮理論的優(yōu)點(diǎn)當(dāng)前12頁，總共61頁。大潮和小潮大潮：某地一個(gè)月中潮差最大的日子，一般發(fā)生在朔(農(nóng)歷初一，也稱新月)和望(農(nóng)歷十五、也稱滿月)日之后約1—2天小潮：某地一個(gè)月中潮差最小的日子，通常出現(xiàn)在上弦(初七、初八)和下弦(廿二、廿三)后約1—2天濤之起也，隨月興衰(Why？)當(dāng)前13頁，總共61頁。濤之起也，隨月興衰當(dāng)前14頁，總共61頁。實(shí)際潮汐與平衡潮嚴(yán)重不符：(1)地球表面水體運(yùn)動(dòng)必須滿足水動(dòng)力方程。這表明潮汐應(yīng)以長(zhǎng)波形式傳播。受邊界和地形的影響，潮波會(huì)發(fā)生反射，共振等，導(dǎo)致潮差增大；海床摩阻使潮差減?。徊煌牡匦魏桶毒€形態(tài)將使潮差增大或減小(2)(人是地行仙，日行八萬里)在赤道上，地球表面相對(duì)月球的線速度為449m/s。如平衡潮與月球在地球表面上的移動(dòng)軌跡同步，其傳播速度需達(dá)449m/s，由此得海洋深度需大于20Km(c=sqrt(gh))。但實(shí)際海洋深度遠(yuǎn)小于20Km。因此實(shí)際潮汐相對(duì)于平衡潮會(huì)有延遲現(xiàn)象(3)水體運(yùn)動(dòng)還受到地球自轉(zhuǎn)柯氏力的影響。在北半球，柯氏力使潮流向右偏轉(zhuǎn)，而在南半球，則使潮流向左偏轉(zhuǎn)4.1.2潮汐理論平衡潮理論的缺陷當(dāng)前15頁，總共61頁。以水動(dòng)力學(xué)方程為基礎(chǔ)，研究周期性引力作用下的強(qiáng)迫潮波的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，方程中考慮水深、地形、岸線、科氏力、慣性力、摩擦力等對(duì)潮波的影響潮汐動(dòng)力理論4.1.2潮汐理論當(dāng)前16頁，總共61頁。水平壓力梯度項(xiàng)靜壓平衡方程4.1.2潮波控制方程假定：水平二維流(合理否？)，不考慮摩阻力水深10m時(shí)，潮波波長(zhǎng)442km，遠(yuǎn)大于水深(淺水長(zhǎng)波)潮波振幅一般不超過幾米So，一個(gè)周期T內(nèi)，水平方向的運(yùn)動(dòng)距離遠(yuǎn)大于垂向的運(yùn)動(dòng)距離(i.e.垂向速度w遠(yuǎn)小于水平速度u，v)當(dāng)前17頁，總共61頁。4.1.2

運(yùn)動(dòng)方程簡(jiǎn)化的強(qiáng)迫潮波運(yùn)動(dòng)方程對(duì)流加速度當(dāng)?shù)丶铀俣?/p>

柯氏力

引潮力壓力梯度力(水面坡降力)強(qiáng)迫潮波運(yùn)動(dòng)方程式,沒有考慮摩阻力，水平速度u、v在無摩阻長(zhǎng)波運(yùn)動(dòng)中可認(rèn)為不隨深度而變

(4-9)-3個(gè)未知量u，v，η，兩個(gè)方程？當(dāng)前18頁，總共61頁。4.1.2

連續(xù)方程P87，圖4-4，質(zhì)量守恒即體積守恒(Why？)單位時(shí)間內(nèi)流入水柱體的流體體積(x，y兩個(gè)方向)，等于該水柱在單位時(shí)間內(nèi)水位升高引起的流體體積增加潮波連續(xù)方程當(dāng)前19頁，總共61頁。強(qiáng)迫潮波運(yùn)動(dòng)控制方程三個(gè)未知量(u、v、η)，三個(gè)方程地理緯度北半球?yàn)檎习肭驗(yàn)樨?fù)當(dāng)前20頁，總共61頁。請(qǐng)記下待做的習(xí)題習(xí)題4.1注明班級(jí)、學(xué)號(hào)、姓名下周四課前，各班學(xué)習(xí)委員收齊后上交當(dāng)前21頁，總共61頁。4.1.3潮波特性類似風(fēng)浪和涌浪之區(qū)分：深水中為強(qiáng)迫潮波，引潮力不可忽略；淺水中為自由潮波，不受引潮力的影響(Why)當(dāng)前22頁，總共61頁。淺海潮波運(yùn)動(dòng)方程不考慮引潮力、摩阻力、科氏力，湍流渦粘力潮波沿x向傳播(v=0)海底水平(h=常數(shù))小振幅波動(dòng)(忽略非線性項(xiàng))當(dāng)前23頁，總共61頁。著名的波動(dòng)方程淺海潮波即線性淺水長(zhǎng)波h/L<0.05

有何不同？當(dāng)前24頁，總共61頁。1.潮汐調(diào)和分析調(diào)和分析：根據(jù)實(shí)測(cè)潮位數(shù)據(jù)確定各分潮(潮波的組成波)的振幅An和遲角Gn(最小二乘法擬合，P89圖4-6，詳見工程水文學(xué))線性-只考慮月球-太陽-地球引潮力實(shí)際潮波是非線性的-天體+淺水+氣象A0-平均海面高程An-分潮振幅Vn-分潮天文相位角(可查表)Gn-分潮遲角(海底摩擦、海水慣性等引起的高潮時(shí)滯后于月中天時(shí)刻的相位角)r-非天文因素引起的非周期性水位變化(可查表)當(dāng)前25頁，總共61頁。2、地轉(zhuǎn)對(duì)自由潮波影響考慮前提：寬闊的海灣(邊界限制沒有或很少)地轉(zhuǎn)效應(yīng)及相應(yīng)的自由潮波方程前進(jìn)波在無限長(zhǎng)平底渠道中傳播方向相反的凱爾文波疊加地轉(zhuǎn)對(duì)潮流場(chǎng)的影響當(dāng)前26頁，總共61頁。地轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)當(dāng)前27頁，總共61頁。4.4.1地轉(zhuǎn)效應(yīng)(科氏力)男主角-火車-女主角地轉(zhuǎn)效應(yīng)水流由低緯度向高緯度移動(dòng)，原較高速率“慣性”使得水流偏向自轉(zhuǎn)方向水流由高緯度向低緯度移動(dòng)，原較低速率的“慣性”使得水流偏向地球自轉(zhuǎn)的反向北半球即偏向運(yùn)動(dòng)方向的右側(cè)，南半球則偏向左側(cè)當(dāng)前28頁，總共61頁?，F(xiàn)實(shí)生活中的科氏力？NotaManifestationoftheCoriolisEffect！

ToosmallscalefortheCoriolisEffecttobesignificant當(dāng)前29頁，總共61頁?？紤]地轉(zhuǎn)效應(yīng)的自由潮波方程忽略引潮力和底摩阻+(1)(2)(3)當(dāng)前30頁，總共61頁?？紤]前進(jìn)波在無限長(zhǎng)平底渠道中傳播時(shí)的情況，x軸取在渠道中心線上。在無限長(zhǎng)渠道中水質(zhì)點(diǎn)主要在x方向運(yùn)動(dòng)，y方向速度v很小，可取v≈0。凱爾文波為前進(jìn)波類型，潮位和流速相位相同考慮北半球的情況，這時(shí)fc＞0，潮波沿x方向傳播，按潮波方向來定義渠道左右岸2、無限長(zhǎng)平底渠道(凱爾文波)當(dāng)前31頁，總共61頁。潮波主要沿x向傳播，v≈0海底水平(h=常數(shù))小振幅波動(dòng)(忽略非線性項(xiàng))(2)(3)(1)2、無限長(zhǎng)平底渠道(凱爾文波)當(dāng)前32頁，總共61頁。2、無限長(zhǎng)平底渠道(凱爾文波)當(dāng)前33頁，總共61頁。高潮位(潮波波峰，u為正，水流沿正x方向運(yùn)動(dòng))高潮位右岸高左岸低，側(cè)向水面坡降力平衡了科氏力指向y軸負(fù)向(右岸)y=-b/2為右岸2、無限長(zhǎng)平底渠道(凱爾文波)當(dāng)前34頁，總共61頁。2、無限長(zhǎng)平底渠道(凱爾文波)低潮位(潮波波谷，u為負(fù)，水流沿負(fù)x方向運(yùn)動(dòng))低潮位右岸低左岸高，側(cè)向水面坡降力平衡了科氏力指向y軸正向(左岸)y=-b/2為右岸當(dāng)前35頁，總共61頁。右岸潮差要大于左岸潮差柯氏力對(duì)潮波的影響：在北半球，柯氏力促使潮波向其運(yùn)動(dòng)方向的右側(cè)偏移，因此在右邊(相對(duì)于潮波流向)水位升高，從而形成沿河寬方向的壓力梯度，來平衡柯氏力

高潮位右岸高左岸低(y=-b/2為右岸)低潮位右岸低左岸高(y=-b/2為右岸)當(dāng)前36頁，總共61頁。3、兩反向凱爾文波的疊加無潮點(diǎn)(節(jié)點(diǎn))等振幅線同潮時(shí)線當(dāng)前37頁，總共61頁。4、地轉(zhuǎn)對(duì)潮流的影響地轉(zhuǎn)將使得潮流的周期性水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶有旋轉(zhuǎn)的特性潮流橢圓如果沒有邊界限制，寬闊海區(qū)的潮流并不是簡(jiǎn)單的來回運(yùn)動(dòng)，而是具有旋轉(zhuǎn)的特性。如在海上某點(diǎn)連續(xù)觀測(cè)潮流的流速及方向，以該點(diǎn)為原點(diǎn)繪制逐時(shí)觀測(cè)的潮流矢量，則潮流方向在一個(gè)潮周期內(nèi)旋轉(zhuǎn)一周，矢量端點(diǎn)的聯(lián)線近似橢圓(潮流橢圓)

在北半球，旋轉(zhuǎn)式潮流一般沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)當(dāng)前38頁，總共61頁。請(qǐng)記下待做的習(xí)題習(xí)題4.5注明班級(jí)、學(xué)號(hào)、姓名下周四課前，各班學(xué)習(xí)委員收齊后上交當(dāng)前39頁，總共61頁。4、天然河口潮波運(yùn)動(dòng)特征復(fù)雜多變的開放動(dòng)力體系河口是內(nèi)陸河流和海岸的連接區(qū)域，屬于海岸帶的一部分。河口在向陸邊界受河流徑流影響，在出口則受到潮波的影響潮波在河口傳播過程中會(huì)因?yàn)楹５椎匦?、河口平面形態(tài)、徑流、底摩阻和地轉(zhuǎn)等因素而發(fā)生變形潮流是河口區(qū)域泥沙運(yùn)動(dòng)、岸灘演變和鹽淡水摻混的主要?jiǎng)恿σ蜃赢?dāng)前40頁，總共61頁。（1）潮波在大陸架上的傳播大陸架潮流和淺水自由潮波一樣，也會(huì)受地轉(zhuǎn)力、底摩阻、海岸邊界的影響，形成旋轉(zhuǎn)潮流系統(tǒng)、振幅和波速減小、港灣共振等現(xiàn)象當(dāng)前41頁，總共61頁。（1）潮波在大陸架上的傳播平均深度200m平均深度4km波向的變化-折射效應(yīng)水深減小→波速減小→波浪折射→波峰趨于平行于等深線，假定大陸架沿岸方向無限長(zhǎng)，折射定律可表示為：即使潮波深水平行大陸架邊緣入射(α0=90°)，大陸架上的潮波波向角αi≈13°(基本平行于等深線)當(dāng)前42頁，總共61頁。（1）潮波在大陸架上的傳播反射40%反射回大洋透射波高的變化-能量守恒當(dāng)前43頁，總共61頁。（1）潮波在大陸架上的傳播示例大洋中水深h0=4000m，潮差H0=2m，大陸架hi=200m，若大洋潮波的方向平行于大陸架邊緣(入射角為90°)，求大陸架上的潮波方向、潮差和流速解：波向：arcsin(1/4.47)*180/pi=12.93潮差：1.64*2=3.28m；放大1.64倍流速：,放大7倍多大洋潮波流速:流速的放大因子大于潮差的放大因子當(dāng)前44頁，總共61頁。（2）天然河口潮波變形

影響因素水深(減小)河口平面形態(tài)底摩阻淺灘和河口端部的反射或全反射河流徑流其它：鹽淡水混合；科氏力當(dāng)前45頁，總共61頁。波動(dòng)類型的變化主要影響因素：河口平面形態(tài)、水深、淺灘和河口端部反射外海潮波：簡(jiǎn)單前進(jìn)波，高、低潮位時(shí)潮流速度達(dá)到最大值，在中潮位(平均水面)流速為零河口潮波：介于前進(jìn)波和駐波之間。前進(jìn)潮波遇到淺灘、河岸、河口頂端會(huì)發(fā)生反射。若河寬向上游迅速變小、水深急劇變小的河口，反射強(qiáng)烈，河口潮波接近駐波，此時(shí)，高低潮位時(shí)潮流速度為零，在中潮位流速最大外海潮波河口潮波當(dāng)前46頁，總共61頁。波面形態(tài)的變化主要影響因素：水深、河流徑流波形：水深變淺，波峰(高潮位)的傳播速度要大于波谷(低潮位)，潮波前坡變陡、后坡變坦(潮位上升快、回落慢)流速：漲潮流速大于落潮流速，使?jié)q潮歷時(shí)縮短，落潮歷時(shí)延長(zhǎng)；徑流向海凈流動(dòng)，與潮波疊加，使落潮歷時(shí)延長(zhǎng)潮波變形在潮差相對(duì)于水深較大的強(qiáng)潮河口更為顯著。在某些河口，受水深沿程快速減小和逆向徑流影響，潮波變形形成了幾乎直立的波前，波前就象一個(gè)翻滾的水墻向上游傳播，河口漲潮初期的潮位急劇上升，這種現(xiàn)象稱之為涌潮

當(dāng)前47頁，總共61頁。(3) 潮差(潮波的波高)的變化水深變淺→波高增大河口斷面向陸方向收縮(喇叭效應(yīng)→能量匯聚→潮差沿程增大)淺灘及河口邊界反射(形成駐波→潮差沿程增大→共振)底摩阻(能量損失→潮差按指數(shù)規(guī)律沿程減小)當(dāng)前48頁，總共61頁。滔天濁浪排空來,翻江倒海山為摧當(dāng)前49頁，總共61頁。錢塘潮的生成原因之一典型的喇叭形河口當(dāng)前50頁，總共61頁。錢塘涌潮的生成原因之二河流徑流流速與潮波速度比：錢塘江徑流與入射潮波的速度相近，勢(shì)均力敵，有利于涌潮的產(chǎn)生河口所處位置：杭州灣在東海的西岸，太平洋的潮波由東北進(jìn)入東海之后，在南下的過程中，受到科氏力的作用，向右偏移，使東海的西岸潮差大于東岸當(dāng)前51頁，總共61頁。請(qǐng)記下待做的習(xí)題習(xí)題4.2、4.3注明班級(jí)、學(xué)號(hào)、姓名下周四課前，各班學(xué)習(xí)委員收齊后上交當(dāng)前52頁，總共61頁。4.2水流速度垂向分布對(duì)數(shù)分布邊界層水力光滑流邊界層水力粗糙流指數(shù)分布△-床面粗糙高度，2.5D(均勻無沙紋海床)或4η(沙紋床面)κ-為Karmanconstant(卡門常數(shù))，清水均勻流=0.4，挾沙水流(渾水)則非常數(shù)hzxo表層中層內(nèi)層當(dāng)前53頁，總共61頁。水流→單向運(yùn)動(dòng)→水底邊界層充分發(fā)展→邊界層很厚(甚至可達(dá)全水深)波浪→周期性往復(fù)流動(dòng)