港工課件第六章海浪

1、海 洋 與 河 口 水 文邰 佳 愛2009.10課 程 安 排授課形式課堂學(xué)習(xí)（22）復(fù)習(xí)與討論（2）考核形式出席、作業(yè)情況及課堂表現(xiàn)（30）期末考核，筆試，70海洋的基本特性海洋是地球的主體是復(fù)雜的系統(tǒng)化學(xué)組成成分復(fù)雜全球氣候調(diào)節(jié)器運動是海洋最基本的特征是地球上最大的資源寶庫海洋的劃分洋 主體部分，一般遠離大陸，面積廣闊，約占海洋總面積的90.3，深度大，一般大于2000 m。海洋要素如鹽度、強度等不受大陸影響，鹽度平均為35%。，且年變化小。另外，海洋還具有獨立的潮汐系統(tǒng)和強大的洋流系統(tǒng)。海 洋的邊緣部分，踞國際水道測員局的材料，全世界共54個海。海的深度較淺，其溫度和鹽度等海洋水文要素

2、受陸地影響很大，有明顯的季節(jié)變化水色低，透明度小，沒有獨立潮汐和洋流系統(tǒng)，潮汐多由大洋傳入，但潮汐漲落往往比大洋顯著，海流有自己的環(huán)流形式。 有 陸間海、內(nèi)海、邊緣海海灣 海洋部分伸進大陸海峽 兩端與海洋連通的狹窄水道北起鴨綠江口，南至北侖河口，海岸線綿延長達18000 多公里。中國有300萬km2海洋國土。-12海里領(lǐng)海制度中國近海海區(qū) 水文特點： 南北縱跨溫帶、亞熱帶、熱帶，地理差異大，四季變化明顯；近海東側(cè)受黑潮暖流及分支流影響，具有高溫高鹽的特點 入海徑流量前三位：長江 珠江 閩江 輸沙量 ：黃河 長江 珠江2. 渤海、黃海和東海總稱為東中國海 渤海的面積最小，水深最淺，平均約18m

3、黃海的平均水深為40 ，東海的水深較大，平均為349m 南中國?；蚰虾Ｃ娣e約270萬平方公里。該海域水深較大，平均為1140 m。我國海域概況海岸帶(Coastal Zone)海岸帶是海陸交互作用的地帶。現(xiàn)代海岸帶一般包括1.海岸大部分時間露于海水面之上，僅在特大高潮或暴風(fēng)浪時才被淹沒-潮上帶 海岸線 多年平均高潮位的水陸分界線2.海灘-高低潮之間的地帶，高潮時被水淹沒，低潮時露出水面-稱潮間帶3.水下岸坡水下岸坡是低潮線以下直到波浪作用所能到達的部分，又稱潮下帶河口及河口區(qū)河口: 海與河交匯地區(qū)河口區(qū): 近口段 水位有周期性升降,水流指向河口方向近口段河口段口外海濱段河口段 河流與海洋動力要

4、素綜合作用區(qū)潮區(qū)界潮流界河口口門口外海濱 河流要素趨于消失,海洋動力主導(dǎo)作用區(qū)水 文 學(xué) 探討地球上各種水體的存在,循環(huán)和分布,化學(xué)和物理性質(zhì)及對環(huán)境的影響工程水文學(xué) 利用河川和海洋資源所建造的工程,其規(guī)劃,設(shè)計,施工及運行管理中所需要的水文學(xué)知識需要了解掌握的海洋河口水文知識 本課程的主要任務(wù): 觀測,收集,掌握和整理分析本專業(yè)所涉及的海洋河口水文資料 主要內(nèi)容: 1.水文現(xiàn)象變化規(guī)律的研究 2.資料測驗和收集方法 3.資料的整理,分析,統(tǒng)計和計算方法授 課 內(nèi) 容第一章 緒論第六章 海浪第七章 潮汐第八章 近岸海流第六章 海浪6.1海浪要素和分類一 海浪要素波峰 波浪剖面高出靜水面的部分波

5、谷 波浪剖面低于靜水面的部分波峰線 垂直波浪傳播方向上各波峰頂?shù)倪B線波向線 與波峰線正交的線,即波浪傳播方向波高 相鄰波峰頂與波谷底之間的垂直距離,H(m)波周期 波浪起伏一次所需要的時間,或相鄰兩波峰頂通過空間固定點所經(jīng)歷的時間間隔,T(s)波陡 =H/L 1/101/30 波坦=1/ 波速 波形移動的速度C=L/T(m/s)二 海浪分類強制波 自由波 混合浪強制波 引起波浪的擾動力連續(xù)作用在水面,波動性質(zhì)依賴于擾動力性質(zhì)的波動.如 風(fēng)浪 -wind wave自由波 擾動力消失后在重力作用下繼續(xù)傳播 的波浪,其性質(zhì)不完全依賴于原有擾動力,如涌浪. swell混合浪 毛細波 重力波和長周期波不

6、規(guī)則波和規(guī)則波長峰波和短峰波前進波和駐波深水前進波和淺水前進波深水前進波(短波) dL/2, 淺水前進波(長波) dL/2振蕩波和推移波振蕩波 在一個波周期內(nèi),水質(zhì)點的運動軌跡是封閉或接近封閉,即水質(zhì)點在原地做振蕩運動推移波 在一個波周期內(nèi),水質(zhì)點運動有明顯位移海岸區(qū)分D=L0/2深水區(qū)淺水區(qū)擊岸波區(qū)岸邊區(qū)6.2風(fēng)況基礎(chǔ)知識 一 風(fēng)的形成及類型氣壓差的存在導(dǎo)致大氣運動標準氣壓: 101325Pa 15 C,平均海平面風(fēng) 空氣在水平方向的氣壓差形成的水平運動控制地面空氣水平運動的的因素1.氣壓梯度力2.地轉(zhuǎn)偏向力(科氏力) A=U.2sin 地球自轉(zhuǎn)角速度, 15/h=7.29*10-5rad/

7、s = f 科氏參數(shù)3離心力 C=U2/r 梯度風(fēng) 旋衡風(fēng)(赤道附近)4摩擦力 摩擦層內(nèi),風(fēng)向向氣壓梯度力方向偏轉(zhuǎn)估算海面風(fēng)速,利用地轉(zhuǎn)風(fēng)風(fēng)速計算: Us=(0.01T+0.7)Ug+ 氣旋區(qū)- 反氣旋區(qū)二 我國近岸風(fēng)況的特點季風(fēng) ,以海陸間的熱力差異為主導(dǎo)因素 103 偏北季風(fēng),67偏南季風(fēng)寒潮大風(fēng) 寒潮 冷空氣入侵后,氣溫在24h內(nèi)降低10度以上,且最低氣溫降低5度以下.臺風(fēng)(熱帶氣旋) 熱帶低壓 風(fēng)力12級最大風(fēng)速通用式最大風(fēng)速半徑RP-P0三 風(fēng)況觀測風(fēng)的特征:風(fēng)速: 空氣在單位時間內(nèi)流過的水平距離 單位 m/s,km/h,n mile/h風(fēng)向:風(fēng)吹來的方向,一般為16個方位,如 N

8、348.911.3,NNE,NE,ENE,ENNW,間隔22.5度國家氣象局報表 02 08 14 20國家海洋局報表 08 11 14 17 四 測風(fēng)資料整理1.風(fēng)況玫瑰圖 用以表達風(fēng)的時間段,風(fēng)速,風(fēng)向和出現(xiàn)頻率四個量的分布狀況圖,一般按照16個方位繪制風(fēng)向頻率玫瑰圖,獲得常風(fēng)向 所需資料一般13年,或挑選有代表性若干年份資料最大風(fēng)速玫瑰圖,獲得強風(fēng)向 需多年資料2.風(fēng)資料使用標準(海港工程技術(shù)規(guī)范) 波浪推算采用海上10m 2min平均風(fēng)速 港工建筑物設(shè)計標準采用海上10m 10min平均風(fēng)速風(fēng)速的高速換算 或 U10=Kz . Uz 陸上風(fēng)速海上風(fēng)速 (U10)海=K.(Uz)陸風(fēng)速的

9、時距換算收集資料時需注意:氣象臺站地理位置,采用測風(fēng)儀器,風(fēng)標儀距地面高度,風(fēng)速取值時距及歷年來變遷等風(fēng)速高度換算系數(shù)6.3海浪觀測 一 波浪觀測方法1光學(xué)岸用測波儀觀測項目: 海況,波型.波向,波高和周期,同時觀測風(fēng)速,風(fēng)向和水深 波周期:連續(xù)3次觀測,確定Tp 波高: H1/10海況,風(fēng)力作用下的海面外貿(mào)特征波型,波浪形態(tài),分為風(fēng)(F),涌(U),混合浪(F/U U/F,FU)等波向,波浪的來向,分16個方位觀測二 海浪資料整理岸用光學(xué)測波儀記錄月報資料: 08,11,14,17時風(fēng)速 風(fēng)向 海況 波型 風(fēng)浪向 涌浪向 周期(Tp),波高(H1/10),最大波高,測點水深波浪玫瑰圖 波高

10、0.51.0m,周期1s分級. 選取13年連續(xù)資料6.4海浪要素統(tǒng)計規(guī)律一.固定點波高和周期的統(tǒng)計分布(上跨零點法)k=2/3勞曼譜二.固定點波高和周期的理論分布函數(shù)波長與波高理論分布函數(shù)固定點波面方程波面概率密度函數(shù)-李雅普諾夫定理波面振幅a概率密度函數(shù)(Longuet-Higgins)波面高度均方差考慮水深影響格魯霍夫斯基分布最大波高 深水 淺水波長的理論分布三 兩種特征波及相互關(guān)系1.特征波高的兩種表示方法HF 波列累計頻率對應(yīng)波高 H1%波列中大于等于該波高的出現(xiàn)頻率為1%HP 部分大波平均波高 H1/10 顯著波高, H1/3有效波高 最常用的特征波高2.兩種特征波的相互關(guān)系H1/1

11、00 H0.4%, H1/10 H4%, H1/3 H13%,誤差函數(shù)3.與某一累計率波高對應(yīng)的特征周期TH4% TH1/10 1.31TP, TH13% TH1/3 1.15TP四 海港工程設(shè)計波浪的波列累計頻率標準1設(shè)計波浪標準設(shè)計波浪 在海港工程設(shè)計中，在設(shè)計各類建筑物和它們的各部分時所選用的波浪要素。設(shè)計波浪的重現(xiàn)期標準工程設(shè)計波浪的波列累計頻率標準2海港工程設(shè)計波浪的波列累計頻率標準五 我國沿岸海域波況的特點由北向南遞增各海區(qū)各季節(jié)波浪的大小分布不同沿海大浪受臺風(fēng)與寒潮大風(fēng)影響顯著6.6根據(jù)海浪觀測推算設(shè)計波浪推求重現(xiàn)期設(shè)計波浪的基本方法：直接推算法，根據(jù)波浪觀測資料間接推算法，利用

12、當?shù)鼗蚺R近風(fēng)況資料或天氣圖一 我國海港工程設(shè)計波浪的重現(xiàn)期標準危險率 q=1-(1-1/T)m二 利用長期測波資料推算設(shè)計波浪1確定筑港地區(qū)主要的波浪來向 確定當?shù)貜婏L(fēng)向與常風(fēng)向2 收集整理波浪觀測資料（1）分方向檢測觀測站資料的適用性（2）考慮工程點與測波浮筒兩處水深差異（3）使用年最大值采樣法組成系列需注意 波向問題每日四次觀測問題3 設(shè)計波浪推算頻率分析法理論頻率曲線的選用港工規(guī)范規(guī)定，對于年極值波高以及對應(yīng)周期的理論頻率曲線，一般采用P-III曲線（1） P-III曲線(5)泊松耿貝爾復(fù)合極值分布Pk 臺風(fēng)出現(xiàn)次數(shù)n的概率， i 每年每次臺風(fēng)形成的最大波高i=1,n, n =max(i

13、 )， i的原始分布函數(shù)G(x),臺風(fēng)浪年極值的分布函數(shù)例如：某海區(qū)自19591985年27年間發(fā)生86次臺風(fēng)，并記錄歷次臺風(fēng)的最大波高H1/10，用泊松耿貝爾復(fù)合極值分布推求多年一遇設(shè)計波高n=86,查表627,yn=0.5579,n=1.1975=n/N=86/27=3.19按照式425確定a,u，50年一遇，25年一遇H1/10三 利用短期資料（13年）推算設(shè)計波浪一般采用不分方向，全部或日最大波高為樣本港工規(guī)范建議線型：波高使用均勻坐標，累計頻率使用對數(shù)坐標lgP思路： 如在 a年觀測波浪n次，a年最大值的累積頻率Pa=1/n,則b年最大值的累積頻率為Pb=a/(bn)=a/b.Pn四

14、與設(shè)計波高相對應(yīng)的設(shè)計周期的推算方法取與波高年最大值H1/10相對應(yīng)的平均周期組成系列6.7根據(jù)氣象資料推算風(fēng)浪尺度一 風(fēng)浪形成、發(fā)展、衰減的機理1.風(fēng)浪形成理論2.風(fēng)場三要素 風(fēng)速 U 風(fēng)時t 風(fēng)距F風(fēng)距，在一定風(fēng)況作用下，對某特定點形成波浪有實際作用的風(fēng)區(qū)范圍和水域長度風(fēng)區(qū) 海面上風(fēng)速、風(fēng)向基本一致的 水域固定風(fēng)區(qū) 移動風(fēng)區(qū)3 風(fēng)浪發(fā)展的三種狀態(tài)過渡狀態(tài) 大風(fēng)速開敞水域，風(fēng)浪成長取決于風(fēng)時定常狀態(tài) 大風(fēng)速小風(fēng)場水域充分成長狀態(tài) 4 判別風(fēng)浪狀態(tài)的標準最小風(fēng)時tmin 達到定常狀態(tài)所需要的最短時間最小風(fēng)距Fmin 在一定風(fēng)速U下，給定風(fēng)時t時產(chǎn)生最大波浪所需的最短風(fēng)距。 二 風(fēng)場要素的確定1

15、 計算風(fēng)速假定風(fēng)浪要素重現(xiàn)期等于風(fēng)重現(xiàn)期，確定同向的重現(xiàn)期風(fēng)速，適于小風(fēng)區(qū)大風(fēng)區(qū)情況下，由三要素者聯(lián)合確定2 計算風(fēng)距（1）劃定風(fēng)區(qū)風(fēng)區(qū)主軸于風(fēng)向基本一致，邊界不超越岸線等壓線方向和疏密程度突然改變的部位為風(fēng)區(qū)邊界（2）確定有效風(fēng)距FE風(fēng)區(qū)接近矩形，水域狹窄，形狀不規(guī)則時，3 計算風(fēng)時（1）小水域或靠岸風(fēng)區(qū)，不需確定風(fēng)時（2）采用所用風(fēng)速相對應(yīng)的風(fēng)時 漸大 U=0.3U1+0.7U2 漸小 U=0.2U1+0.8U2 風(fēng)時介于612h，或分段滿足612h4水域平均深度的確定 大致均勻時取平均水深 較大變化時取分段平均水深三 外海風(fēng)浪要素的確定海港水文規(guī)范推薦用方法已知U=15m/st=8hF=200km，求深水要素6.8波浪淺水變形波浪淺水變形包括 折射 ，繞射，反射，破碎6.8.1水深變淺引起的波浪變形1.波長、波速的變化2.波高的變化 EnCb= E0n0C0