海岸動力學(xué)內(nèi)容匯總

1、海岸動力學(xué)概論海岸帶寬度按從海岸線向內(nèi)陸擴展10km，向外海延伸到-15-20m水深計算。海岸的類型：按照岸灘的物質(zhì)組成可以把海岸分作基巖海岸、沙質(zhì)海岸、淤泥質(zhì)海岸和生物海岸等類型?；鶐r海岸，特征是：岸線曲折、灣岬相間；岸坡陡峭、灘沙狹窄。此類海岸水深較大，掩蔽較好，基礎(chǔ)牢固，可以選作興建深水泊位的港址。沙質(zhì)海岸：岸線平順，岸灘較窄，坡度較陡，常伴有沿岸沙壩、潮汐通道和瀉湖。此類海岸常是發(fā)展旅游、漁港的良好場所。淤泥質(zhì)海岸：此類海岸岸線平直，一般位于大河河口兩側(cè)，岸坡坦緩、潮灘發(fā)育好、寬而分帶，潮流、波浪作用顯著，以潮流作用為主；潮灘沖淤變化頻繁，潮溝周期性擺動明顯。淤泥質(zhì)海岸灘涂資源豐富，有

2、利于發(fā)展海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖、發(fā)展海涂圈圍成為陸用于發(fā)展農(nóng)業(yè)與鹽業(yè)或畜牧業(yè)等其他產(chǎn)業(yè)。生物海岸：包括紅樹立海岸和珊瑚礁海岸。海岸的基本概念：海岸是海洋和陸地相互接觸和相互作用的地帶，包括遭受海浪為主的海水動力作用的廣闊范圍，即從波浪所能作用到的海底，向陸延至暴風(fēng)浪所能達(dá)到的地帶。外灘：指破波點到低潮線之間的灘地。離岸區(qū)：破波帶外側(cè)延伸到大陸架邊緣的區(qū)域。淤泥質(zhì)海岸從陸到海由三部分組成：潮上帶，位于平均大潮高潮位以上；潮間帶，為平均大潮高潮位到平均大潮低潮位之間的海水活動地帶；和潮下帶，在平均大潮低潮位向海一側(cè)。海岸侵蝕：指海水動力的沖擊造成海岸線的后退和海灘的下蝕。引起海岸侵蝕的原因主要有兩種：一是由

3、于自然原因：如河流改道或入海泥沙減少、海面上升或地面 沉降、海洋動力作用增強等；二是由于為人原因，如攔河壩的建造、灘涂圍墾、大量開采海灘沙、珊瑚礁，濫伐紅樹林，以及不適當(dāng)?shù)暮０豆こ淘O(shè)施等。常見的海岸動力因素主要有：波浪的作用，波浪是引起海岸變化的主要原因；海岸波生流：斜向入射的波浪進入海濱地帶后，在破波帶引起一股與岸線平行的平均流，即沿岸流。波浪在傳向海岸的過程中會導(dǎo)致海岸水域出現(xiàn)流體質(zhì)量的匯聚，這包括波浪由離岸水域傳入破波帶伴隨著質(zhì)量輸移流向海岸匯集；方向相對的沿岸流在交匯點產(chǎn)生流體質(zhì)量匯聚。這些匯聚的流體質(zhì)量集中起來可能以裂流的形式向外?；亓鳌Ｓ刹ɡ诉\動引起的質(zhì)量傳輸、沿岸流、裂流以及裂流

4、頭處的水體擴散等水流流動，構(gòu)成了水平的近岸環(huán)流系統(tǒng)。潮流的作用：潮汐是在太陽和月球引力作用下發(fā)生的海面周期性漲落現(xiàn)象。潮汐作用主要表現(xiàn)在兩個方面：一是潮汐的漲落，使海面發(fā)生周期性的垂直運動；二是使海面水體產(chǎn)生水平方向整體運動形成潮流。徑流的作用，海流的作用風(fēng)暴潮和海嘯的作用、風(fēng)的作用等。第一章思考題：1-3 海岸環(huán)境動力因素（風(fēng)、波浪和潮流等）對海岸變形的影響是什么？ 波浪理論 概述波浪分類規(guī)則波：在傳播過程中波形規(guī)則，具有明顯的波峰波谷，二維性質(zhì)顯著的波浪可以視為規(guī)則波。離開風(fēng)區(qū)后自由傳播時候的涌浪接近于規(guī)則波不規(guī)則波：大洋中的風(fēng)浪，波形雜亂，波高、波周期和波浪傳播方向不定，空間上具有明顯的

5、三維性質(zhì)，這種波成為不規(guī)則波或者隨機波。深水波、有限水深波、淺水波：一般按h/L=1/2作為劃分深水波與有限水深波的界限，h/L=1/20作為劃分有限水深和淺水波的界限。振蕩波：推進波 及 駐波推移波波浪運動的描述方法和控制方程用簡諧波的形式來描述波動時候，波面余弦函數(shù)表示為：=Acos(kx-t)，其中k稱為波數(shù)，表示2長度上波動的個數(shù)。圓頻率=2T建立線性波理論時，為了簡化起見一般作如下假定：1）流體時均質(zhì)和不可壓縮的，其密度為一常數(shù)；2）流體時無粘性的理想流體；3）自由水面的壓力是均勻且為常數(shù)；4）水流運動是無旋的；5）海底水平、不透水；6）質(zhì)量力僅為重力，表面張力和柯氏力可忽略不計；7

6、）波浪屬于平面運動，即在xz平面內(nèi)作二維運動。水質(zhì)點運動速度：u=x ， u=z線性波理論的控制方程：2x2+2z2=0，物理意義：流體是不可壓縮流體，滿足質(zhì)量守恒原理，且流體運動是無旋有勢運動。邊界條件：（1）海底處邊界條件： P31 （2-10），物理意義：海底表面為固壁，水質(zhì)點垂直速度為零。（2）自由表面動力學(xué)邊界條件：（2-11），物理意義：流體質(zhì)量力僅為重力，滿足能量守恒原理。（3）自由表面運動學(xué)邊界條件：（2-12），物理意義：流體界面具有保持性，界面上的流體質(zhì)點始終位于界面上，自由水面流體質(zhì)點運動無穿越。（4）流場左右兩端面的邊界條件：（2-13），物理意義：流體運動在空間和時間

7、上均呈周期性，為周期運動。要精確解出二維波列的定解，將遇到兩個困難：（1）自由水面邊界條件是非線性的；（2）自由水面位移是未知的，即自由表面邊界是不確定的。微幅波理論微幅波控制方程和定解條件公式2-18（ae）及其物理意義。微幅波理論解微幅波勢函數(shù)和色散方程速度勢函數(shù)表達(dá)式：=Agcoshk(h+z)coshkhsin(kx-t)色散方程：2=gktanhkh色散現(xiàn)象：當(dāng)水深給定時，波的周期越長，波長亦越長，波速也將愈大，這樣使得不同波長的波在傳播過程中逐漸分離開來。這種不同波長（或周期）的波以不同的速度進行傳播最后導(dǎo)致波的分散現(xiàn)象稱為波的色散現(xiàn)象。色散方程還表明，波浪的傳播還與水深有關(guān)，水深

8、變化時，波長和波速也將隨之變化。變化一：確定波長：L=gT22tanhkh變化二：確定波速：c=gT2tanhkh對于深水和淺水兩種極端情況，色散方程還可以作不同的簡化，得到深水波和淺水波的近似表達(dá)式：當(dāng)水深h或者kh為無限大，根據(jù)雙曲函數(shù)特性，（2-30）（2-31）（2-32），可以知道，在深水情況下，波長和波速只與波周期有關(guān)，而與水深無關(guān)。（2-33）（2-34）（2-35），波浪在淺水中傳播時其波速變化只與水深有關(guān)，且與水深的平方根成正比，而與波周期或波長大小無關(guān)。因此任何周期（或波長）的波浪傳播到淺水區(qū)后，波浪的傳播速度指只由當(dāng)?shù)厮羁刂?。微幅波的速度場和加速度場波動水質(zhì)點的水平速度

9、和垂直速度相差2個相位。微幅波的質(zhì)點運動軌跡微幅波水質(zhì)點的運動軌跡方程：（x-x0）2a2+（z-z0）2b2=1，為橢圓方程。微幅波水質(zhì)點運動軌跡為一個封閉橢圓。在水面處b=A，即為波浪的振幅，在水底處b=0，說明水質(zhì)點沿水底只坐水平運動。在深水情況下，a=b，水質(zhì)點運動軌跡為一個圓。微幅波的壓力場 pz=-gz+gAcosh(h+z)coshkhcos(kx-t)當(dāng)cos(kx-t)=1時，得到最大壓力值當(dāng)coskx-t=-1時，得到最小壓力值微幅波的波能和波能流在二維波浪中，單寬波峰線長度內(nèi)一個波長范圍中所存儲的總波能由勢能和動能兩部分組成。波浪勢能是由于水質(zhì)點偏離的平衡位置所致。波浪動

10、能是由于質(zhì)點運動而產(chǎn)生。微幅波單寬波峰線長度一個波長范圍內(nèi)平均的波浪動能和勢能是相等的。單位海面面積上的總波能為：E=12gA2=18gH2，表示微幅波平均總波能與波高的平方成正比。波能流：波浪在傳播過程中存在能量傳遞，通過單寬波峰線長度的平均的能量傳遞率稱為波能流。n=121+2khsinh2kh，n為波能傳遞率，深水時，n=1/2；淺水時，n=1。波群和波群速度兩列簡單波疊加后的波形還是一個周期波，但振幅是變化的，最大波幅為組成波振幅的2倍，波數(shù)和頻率為兩列正弦波的平均值。駐波當(dāng)兩個波向相反、波高、周期相等的行進波相遇時，形成駐波。波腹、 波節(jié) 圖2-10 立波的勢能及動能均為行進波的2倍

11、。能量的轉(zhuǎn)化是周期性地由動能變?yōu)閯菽?，或是由勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?。不完全立波：波浪反射系?shù)。 斯托克斯波理論波浪運動時，非線性作用的重要程度取決于波高H、波長L及水深h的相互關(guān)系。具體來說取決于三個特征比值：波陡度=HL，相對波高H/h，和相對水深h/L。從波面特征、波動流體質(zhì)點速度和質(zhì)點的運動軌跡等方面比較微幅波和斯托克斯波的區(qū)別。圖2-12 圖2-13，圖2-14質(zhì)量輸移：由于流體波動水質(zhì)點運動軌跡不封閉，造成一個周期過后有一個凈水平位移，這種凈水平位移造成水體的水平流動，稱為漂流或質(zhì)量輸移。 淺水非線性波理論橢圓余弦波：周期波動，波峰尖，波谷寬坦。孤立波：在傳播過程中波形保持不變的推移波，其波

12、面全部在靜水面之上。 隨機波浪理論十分之一大波波高和周期：波列中個波浪按波高大小排列后，取前面1/10個波的平均波高和平均周期。有效波波高和周期：按波高大小次序排列后，取前面1/3個波的平均波高和平均周期。波高的累積頻率：波列中超過此波高的累積頻率波高的累積頻率函數(shù)為FH=exp-4(HH)2波浪波能密度 ：公式 s=1+12an2表示 間隔內(nèi)全部組成波的能量和，相當(dāng)于單位頻率間隔內(nèi)的平均波能量，稱之為波能密度，公式也相當(dāng)于組成波頻率對于組成波頻率的分布函數(shù)，這一函數(shù)稱為波頻譜，通常簡稱為頻譜。波頻譜的形狀與形成波浪的生成機理有關(guān)，主要決定于風(fēng)速、風(fēng)距和風(fēng)時三個要素。波浪的方向譜：s,=11+

13、12an2，表示頻率在間隔范圍內(nèi)和方向在間隔范圍內(nèi)各組成波提供的能量的平均值，相當(dāng)于波能密度對于組成波的頻率和方向的分布，當(dāng)頻率給定時，該函數(shù)描述不同方向間隔的能量密度，因而反映海浪內(nèi)部方向結(jié)構(gòu)的能譜，稱之為方向譜。第二章思考題和習(xí)題2-1；2-2； 2-3； 2-4； 2-5；2-6：2-11 ： 波浪傳播和破碎在深海中形成及發(fā)展的風(fēng)浪，離開風(fēng)區(qū)后在海洋中繼續(xù)傳播，傳播中由于彌散和能量損失，其頻率范圍和能量不斷變化，隨著傳播距離增大，風(fēng)浪逐漸轉(zhuǎn)化為涌浪，兩者的主要區(qū)別是風(fēng)浪的頻譜范圍廣，而涌浪的頻譜范圍窄得多，其波形接近于簡諧波。涌浪傳到近岸區(qū)以后，受海底地形、水深變淺、沿岸水流、港口及海岸

14、建筑物等的影響，波浪產(chǎn)生變形、折射、繞射、反射等，因底部摩阻，產(chǎn)生波能衰減；當(dāng)波浪變陡或者水深減少到一定限度后，產(chǎn)生破碎。當(dāng)波浪進入淺水區(qū)后，從波浪觸底時起，波浪即開始損失能量，這些損失可能包括以下三個方面：摩阻損失，這是海底床面對于波浪水流的摩阻力引起的能量損失；滲透損失和泥面波阻力損失。波浪運動中水質(zhì)點作周期性的往復(fù)振蕩運動，其邊界層特征與單向水流不同。明渠單向水流中邊界層能得到充分的發(fā)展，而短周期的波浪水流中，水流在不大的時間內(nèi)正負(fù)交變，邊界層得不到充分發(fā)育，只有在床面附近很薄的一層受床面影響而存在剪切應(yīng)力，形成近底邊界層。第二節(jié) 波浪淺水變形、折射和繞射波浪守恒：一列規(guī)則波在變水深中傳

15、播，在傳播中隨著水深變化，波速、波長、波高和波向都將發(fā)生變化，但是波周期則始終保持不變的現(xiàn)象，稱之為波浪守恒。波浪守恒方程：kt+x=0，其物理意義為波數(shù)向量隨時間的變化率必然為角頻率的沿空間變化率所平衡。在穩(wěn)定的流場中，沒有新的能量的輸入，波數(shù)隨著時間沒有變化，因此波浪在傳播過程中周期守恒。波浪的淺水變形：波浪的淺水變形開始于波浪第一次觸底的時候，這時的水深約為波長的一半。隨著水深的減小，波長和波速逐漸減小，而波高逐漸增大，當(dāng)深度減小到一定程度時，出現(xiàn)各種形式的波浪破碎。圖3-4，波浪傳播過程中潛水變形情況。波浪折射：波浪斜向進入淺水區(qū)后，同一波峰線的不同位置將按照各自所在地點的水深決定其波

16、速，處于水深較大位置的波峰線推進較快，處于水深較小位置的推進較慢，波峰線因此而彎曲并逐漸趨于與等深線平行，波向線則趨于垂直于岸線。波峰線和波向線隨水深變化而變化的現(xiàn)象稱為波浪折射。斯奈爾定律：sinc=sin0c0輻聚和輻散：在海岬岬角處，波向線將集中，這種現(xiàn)象稱為輻聚，此處kr1，波高將因折射而增大。在海灣處，波向線將分散，稱為輻散，此處kr1，波高將因折射而減小。輻聚、輻散的結(jié)果，將使海岸上各處的波高不等，這對海岸上泥沙運動有著重要影響。波浪輻聚處波能集中，可能會引起強烈的沖刷；反之，波浪輻散處波高分散，可能會產(chǎn)生泥沙淤積。圖3-7波浪繞射：波浪在傳播中遇到障礙物如防波堤、島嶼或大型墩柱時

17、，除可能在障礙物前發(fā)生波浪反射外，還將繞過障礙物繼續(xù)傳播，并在掩蔽區(qū)發(fā)生波浪擴散，這是由于掩蔽區(qū)內(nèi)波能橫向傳播所造成的，這種現(xiàn)象稱為波浪繞射。波浪繞射是波浪從能量高的區(qū)域向著能量低的區(qū)域進行重新分布的過程，因此，繞射區(qū)內(nèi)的散射波的同一波峰線上的波高是不同的，愈深入掩蔽區(qū)內(nèi)波高愈小，但其波周期則保持不變。第四節(jié) 波浪破碎波浪破碎的原因：運動學(xué)原因：從運動學(xué)角度波浪不破碎的條件應(yīng)是波峰處流體質(zhì)點水平速度u要小于波峰移動速度c，即uc。一旦這一條件被破壞，波峰處流體質(zhì)點將會逸出波面，形成破碎波。動力學(xué)原因：波浪中流體質(zhì)點可以近似看做圓周運動或橢圓運動，質(zhì)點圓周運動存在離心力2A，該離心力為由流體質(zhì)點

18、自身重力和流體壓力所平衡。在自由表面上波峰處該平衡力的最大值為重力加速度g，一旦質(zhì)點離心力大于該重力，則流體質(zhì)點無法保持圓周運動，而出現(xiàn)逸出現(xiàn)象，即產(chǎn)生逸破波。破碎波類型：崩破波；卷破波和激破波。極限波陡度和破波指標(biāo)：深水波浪的最大波高受波形能保持穩(wěn)定的最大波陡度所限制，達(dá)到最大波陡度時，波浪就行將破碎。Stokes指出，當(dāng)波峰上的水質(zhì)點水平軌跡速度剛好等于波速時，波陡度達(dá)到極限，這時波峰尖陡而不穩(wěn)定，波峰角等于120。淺水區(qū)波浪破碎時的指標(biāo)通常以b來表示，指的是當(dāng)?shù)夭ǜ吲c水深之比Hbhb。第三章思考題和習(xí)題 3-1；3-2；3-3的計算步驟第五章 海岸波生流質(zhì)量輸移流和破波帶內(nèi)產(chǎn)生的沿岸流和裂流一起構(gòu)成封閉的近岸環(huán)流系統(tǒng)。圖5-1波浪破碎引起的動量轉(zhuǎn)移隨著波浪破碎引起的波高衰減，波浪運動的動量也將減小，由牛頓第二定律知道，這一動量減小將轉(zhuǎn)化為波浪對周圍流體的作用力。反過來，周圍流體也將對波浪產(chǎn)生作用力，