1、,海洋水文,建筑与土木工程：孟亚会 学号：2016221088,主要内容,1、海洋水文学概述,2、潮汐理论,3、工程潮汐统计计算,4、波浪理论,5、工程波要素及波浪力设计,海洋水文学概述,海洋水文学（marine hydrology），又称物理海,洋学。是海洋学的一个重要分支。,海洋水文学研究的对象：,主要研究海水的物理性质和海水各种运动的发生、,发展规律。,包括海水温度、盐度、海流、潮汐、海浪、透明 度、水色、海发光、海冰以及海洋大气相互作用 等。,海洋水文学概述,海洋工程水文（engineering oceanology），为,海洋工程规划、设计、施工、管理、运行、决策 提供水文依据的学科
2、。,海洋工程水文研究对象：,与海洋开发和海洋工程建设有关的水文问题。如 研究海水运动(波浪、潮汐等)、海水物理性质（温 度、盐度、密度等）以及其他水文现象（泥沙运动、 冰凌等）的变化规律和推算方法。为规划与设计工 程建筑物、研究工程建造后对所在海域水文条件的 影响提供基础数据。,本文范围,潮汐：, 特征潮位：深度基准面，平均潮位、年最高潮位、年最低潮位、平,均大潮高潮位、平均大潮低潮位, 根据多年（或较短时间）的潮汐观测记录，确定工程设计所需的潮,汐特征要素。,波浪：, 通过波浪理论研究建立波要素（波高、波长、波速、波周期）和水,深之间的内在联系，揭示波浪质点运动、压力变化、能量传递等基 本规
3、律。, 研究波浪传入近岸浅水区内的变化，搞清波浪折射、破碎、绕射、,反射的机理，探求波浪变形后波要素变化的计算方法。, 对波浪作用于建筑物上的压力进行简要分析。,潮汐理论,1 潮汐的成因,2 潮汐及其类型,3 潮汐的变化,R,1 潮汐的成因 引潮力 1 月球、太阳的引力在地面离月球最近的一点（向月点）月球的引力产生的 引潮力最大，地面离月球最远的一点（背月点）月球的引力 产生的引潮力最小。,ME2,f ,1 潮汐的成因,2 惯性离心力,地球绕地月共同质心的平动运动，产生的惯性离心力：,在向月点万有引力产生的引潮力大于平动运动的惯性离心力， 背月点惯性离心力与万有引力产生的引潮力相反（相对于地
4、面向上）。向月点（顺潮）、背月点（对潮）是高潮。,1 潮汐的成因,3 引潮力的性质,1）月球引潮力是太阳引潮力的2.17 倍；,2）引潮力的大小与天体质量成正比，与地球和天体间距,离的3次方成反比；,3）从海水的运动观点看：垂直引潮力仅减轻海水的重量，,而引起海水运动的主要原因是水平引潮力。,2 潮汐及其类型, 海水在天体引潮力作用下发生的周期性的涨退现象称,为潮汐，它包括海面周期性的垂直涨退和海水周期性 的水平流动。习惯上将前者称潮汐，后者称为潮流。,（一）潮汐的基本要素,高潮（满潮）：在潮汐涨落的每一周期内，当水位上涨,到最高位置时，叫高潮或满潮；,低潮（干潮）：当水位下降到最低位置时，叫
5、低潮或干,潮：,涨潮：从低潮到高潮过程中，水位逐渐上升，叫涨潮； 落潮：从高潮到低潮过程中，水位逐渐下降，叫落潮。,2 潮汐及其类型,平潮、停潮：当潮汐达到高潮或低潮的时候，海面在 一段时间内既不上升也不下降，分别叫平潮和停潮。,高潮时：平潮的中间时刻，叫高潮时； 低潮时：停潮的中间时刻，叫低潮时，,潮差：相邻的高潮与低潮的水位差，叫潮差。,月潮间隙（高潮间隙、低潮间隙）：由月球的上中天 时刻到其后的第一个高潮时和低潮时，分别叫高、低潮间 隙。和低潮间隙，两者合称为月潮间隙。,2 潮汐及其类型,（二）潮汐的类型,1 半日潮,在一个太阴日（24小时50分）内，有两次高潮和两次 低潮，而且两相邻高
6、潮或低潮的潮高几乎相等，涨落潮时 也几乎相等，这样的潮汐称为半日潮。 2 全日潮,半个月内，有连续7天以上在一个太阴日内，只有一,次高潮和一次低潮，这样的潮汐称为全日潮。北部湾是世界上最典型的全日潮海区之一。,3 不正规半日潮,在一个太阴日内，也有两次高潮和两次低潮，但潮差,不等，涨潮时和落潮时也不等。,2 潮汐及其类型,3 潮汐的变化,（一）潮汐周期现象,1 潮汐的日变,1）半日周期潮（赤道潮、分点潮）：在一个太阴日 内，发生两次高潮和两次低潮。2次高潮的时间间隔为12 时25分，涨、落潮时间各为6小时12.5分，而且潮差相等， 因此形成典型的半日潮。潮汐高度有从赤道向两极递减的 趋势，并以
7、赤道相对称，因此称为赤道潮或分点潮。2）日周期潮（回归潮）：在一个太阴日内相邻两次,高（低）潮高度不等的现象，叫做潮高周日不等和潮时周 日不等，统称为潮汐周日不等。,当月球赤纬增大到回归线附近时，潮汐周日不等现象,最显著，这时的潮汐称为回归潮。,3 潮汐的变化,2,潮汐的月变（加上考虑太阳的引潮力）,1）半月周期潮半月周期潮是由月、日、地三者所处位置不同而产生的。当朔、望日（农历初一、十五）时，月、日、地3个天体中心大致位于同一直线上，由于月球和太阳的引潮力迭加，因此它们所合成的引潮力在一个月内是最大的，所以潮汐现象特别显著，高潮特高，低潮最低，潮差最大，故称为大潮或朔望潮。当月相处于上、下弦
8、（即初八、二十三）时，月、日、地3者的位置形成直角，月、日的引潮力相互抵消一部分，故这时合成的引潮力最小，形成的高潮不高，低潮不低，潮差最小，所以叫小潮或方照潮。大潮和小潮变化周期都是半个月。,3 潮汐的变化,3 潮汐的年变和多年变化 1）年周期潮,地球绕太阳公转，当地球运行到近日点时所产生的潮 汐，要比地球运行到远日点时所产生的潮汐大，约大10 左右。近日点潮汐，称近日潮；远日点潮汐，称远日潮。 它们的变化周期为一年。 2）多年周期潮,月球的轨道长轴方向不断地变化，近地点也不断的东 移，其周期约为8.85年，因此潮汐也有8.85年的长周期变 化。,由于黄白交点的不断移动，其周期约为18.61
9、年，故,潮汐还有18.61年的长周期变化。,3 潮汐的变化,（二）地形对潮汐的影响,海水的自然周期与海区形态和深度有密切关系。某一 海区自然周期与引潮力周期相一致时，便产生“共振”现 象。潮汐涨落特别明显，潮差增大。,世界上一些喇叭形河口区，由于受地形的影响，常出,现涌潮或暴涨潮。,如杭州湾、芬迪湾等,（三）气候对潮汐的影响,如台风、洪水、结冰等,工程潮汐统计计算,1 特征潮位分析,2 设计潮（水）位,1,特征潮位分析,主要特征潮位及分析方法,平均海平面平均高低潮位平均潮差大潮平均高低潮位小潮平均高低潮位涨（落）潮历时,本文分别采用统计分析和调和分析进行特征潮位计算。,*调和常数,海洋潮汐是由
10、很多分潮叠加的，利用实测潮汐 资料可求得各地点各分潮的实际振幅和调和常数， 从而达到掌握特定地区的潮汐特征状况并达到潮汐 预报的目的。,主要分潮：,太阴主要半日分潮（M2），周期12.4206h； 太阳主要半日分潮（S2），周期12.0000h； 太阴主要椭率半日分潮（N2），周期12.6583h； 太阴太阳赤纬半日分潮（K2），周期11.9672h； 太阴太阳赤纬全日分潮（K1），周期23.9345h 太阴赤纬全日分潮（O1），周期25.8193h； 太阳赤纬全日分潮（P1），周期24.0659h； 太阴主要椭率全日分潮（Q1），周期26.8684h。,*调和常数,*调和常数,某测站潮汐分析
11、结果,潮汐类型 利用以下公式：,得F=0.28280.5，F=0.2076 0.5，因而得出结 论为：该地区为正规半日潮,H K1 H O1 或H M 2,F ,H K1 HO1 H M 2 H S2,F,两种分析方法结果对比,特征潮位平均海平面平均高潮：平均低潮：平均潮差：大潮平均高潮：大潮平均低潮：小潮平均高潮：小潮平均低潮：,统计390588187401635134530250,调和390585193393644130517263,统计-调和03-68-9413-13,2,设计潮（水）位,三种基本水位设计（港工规范）：A 设计高（低）水位B 极端（校核）高（低）水位C 乘高（低）潮作业水
12、位,A,设计高/低水位,1）资料年限应有多年或至少完整 一年逐日每小时的实测潮 位资料。2）推算方法设计潮位的推算采用 绘制高潮低潮或历时累 积频率曲线。,B 极端（校核）高（低）水位,l）极端潮位的标准,我国海港水文规范中规定，采用年频率统计的方法推,求50年一遇的高、低潮位作为极端水位。,海堤等水利工程的防潮标准（重现期）按照工程等级确定，,并根据重现期推算极端高、低潮位。 2）资料年限,为了确定极端高、低水位，在应用频率分析方法进行统计,分析时，要求应具有不少于20年的年最高、最低潮位实测资料， 并须调查历史上出现的特殊水位。 3）极端水位的推算方法 常用：P-、P-G适线等,*资料短缺
13、情况下设计高潮位的推算（同步相关法）,C 乘潮水位,定义：,高潮乘潮水位和低潮乘潮水位。前者多用 于船舶进出港航道或船坞，后者适用于利用低 潮位延时进行水工建筑物的施工作业。 乘潮水位计算：,依据确定的乘潮延时T，在全年潮汐过程线上，量取 潮峰上历时为T的潮位值，以每10cm为一间隔由大到小， 统计其在不同水位级内出现的次数，制作累积频率曲线， 然后按设计要求从该曲线上读取累积频率P（即保证率） 的潮位数值，此值即为设计所需的乘潮水位。,（参见海港水文规范）,C 乘潮水位,*引申：确定某个潮位H，求通过时间在某个范围的保证率。,波浪理论,1 波浪概述,2 风浪和涌浪,3 近岸波传播,1,波浪概
14、述,波浪是海洋、湖泊、水库等宽敞水面上常见的水体运动， 其特点在于每个水质点作周期性运动，所有的水质点相继振 动，便引起水面呈周期性起伏。水质点在其平衡位置附近作 近似封闭的圆周运动，便产生了波浪，并引起了波形的传播。 由此可见，波浪的传播，并不是水质点的向前移动，而仅是 波形的传递。,1,波浪概述,海洋中波浪分类 1 按照周期分表面张力波、短周期重力波、重力波、长周期重力波、 长周期波、长周期潮波。各种波的原动力、恢复力都不同，其中周期为315s的 重力波对海岸工程问题比较重要。 2 按成因分类风浪和涌浪、内波、潮汐波、海啸 3 按水深分深水波（表面波、短波）、浅水波（长波） 4 按波形传播
15、性质前进波（进行波）、驻波,1,波浪概述,波浪要素： 水深h：平均水平面到底部的垂直距离。 波振幅a：波峰或波谷到平均水平面的垂直高度。 波高H：波振幅的2倍。H=2a 波长L：两个相临波峰（或波谷）上对应位置间的距离。 周期T：固定处重复出现波峰或波谷的时间间隔，或传播 一个波长所需的时间。 波速（相速度）C：波的传播速度。 C=L/T 波数K：2 距离内波的数目。 k2/L 圆频率：2时间内振动的次数。 2/T,vz ,1,波浪概述,微振幅波理论基本假设： 1）理想不可压缩流体，重力不能略去； 2）运动是无旋的，具有速度势满足Laplace方程：,3）波浪是微振幅波，即HL； 4）海底边界
16、条件：,0,2z2,2 x2,(h z , x ), 0z 5）平均水平面边界条件：,-,z0,1 g t, ,微振幅波的 基本方程与,边界条件,1,波浪概述,将C=L/T代入,公式推导可得： 自由面形状（波面方程） acos(kxt)传播速度C,2hL,tanh,gL 2,C ,2hL,tanh,gT 22,L ,1,波浪概述,不同水深的波浪运动 波长的意义深水波：当水深大于波长的一半，波速 只是波长的函数，与水深无关； 浅水：水深小于波长的二十分之一，波 速只是水深的函数，与波长无关； 中等水深的水波：当L/20hL/2，波 速是波长与水深的函数。,波浪破碎,当风浪成长过程波陡达到极限状态
17、（H/L1/7）或波 浪在浅水区传播受水底边界影响（破碎指标），剖面发 生显著变形，波峰水质点水平分速达到或超过波速，使波 浪发生破碎的现象。这时的波浪称为破波。破波可分为崩 波、卷波和激波三种。,db表示波浪破碎处水深，对应的波高Hb称为破碎波高, H,特征波波高的两种表示方法 波列中选取某一累积频率对应的波高作为特征波高，即HF%；平均波高 H是各种累积率波高的换算媒介，是一种常用的特征波高。 部分大波的平均波高HP作为特征波高。将波列中的波高由大到小依次排列，其中最大的P部分波高的平均值就为特征波高。,3,1 101,HH,显著波高H4%有效波高H13%,i,H P,NPi1,1NP,2
18、,风浪和涌浪,（一）风浪的生成和成长理论 1）风浪的特点波形不对称，迎风侧坡度小，背风侧坡度陡。 2）能量输送风在波浪迎风坡面通过利用正压力、切应力将 能量传送给波浪。,2,风浪和涌浪,3）风速、风时、风区是决定风浪大小的主要因素。 4）风浪按照H1/3（有效波高）或H1/10的大小分为： 无浪、微浪、小浪、轻浪、中浪、大浪、巨浪、狂 浪、狂涛、怒涛等。,2,风浪和涌浪,（二）涌浪当风开始平息，或波速超过风速时风浪会离开 风区传到远处，这称为涌浪。涌浪的特点是：随着传播距离的增长，波高逐 步变小，波长和周期却不断增加，因而涌浪变得越 平缓，波形越接近摆线波。由于波长长的速度大，短的速度小，波长
19、长的 越来越在前面，短的越来越落后。同时，波长短的 衰减快，所以，最后剩下一些周期和波长都大的涌 浪。这些涌浪传播速度比大风的速度还要快，传播 的距离远，每昼夜能穿越2000km。,3,近岸波传播,（一）波浪绕射当海浪在传播过程中遇到防波堤、岛屿等障 碍物时，可以“绕”过障碍物传到其掩蔽区。海浪 绕射对海港的设计、建筑有重要意义，因为港内的 泊稳条件同海浪绕射有密切关系。在实际中，常对几种 典型的掩蔽物（单堤、双 堤等）绘制出绕射图解。 方便计算出海浪在掩蔽区 内、外部任意点处绕射后 的波要素。,3,近岸波传播,（二）波浪折射和浅水变形进入浅水地带的波浪，其波速不再与波长有关，而,是深度的函数
20、，即,波浪传播到浅水区，由于水深变浅，波长变短，波 速变慢。不同岸段水深变浅的速率不同，水深变浅慢的 岸段波浪传播速度快，水深变浅快的岸段波浪传播速度 慢，最后波峰线逐渐与等深线平行。,gH,c ,3,近岸波传播,对于海岸曲折的地段，由于波浪折射，使得突 出的海岸（岬）成为波能的辐聚带，这里的波浪特 别大。,2.4,b0b,Kr ,若等深线平行，则波浪折射系数也可用Snell定律计算， 即：,2.5,因此，可缩短步长的方法，使等深线在微小步元中近似 平行。,cos 0,K r cos,*折射系数Kr由能量正比于波高的平方，得折射系数Kr为：, 1, ,*浅水系数Ks,每走一步长时，Ks值为：,
21、2.6,其中,2.7,由于Ks从深水起算，因此任意步的波高Hp为（Hr 表示折射 后波高）：,2.8,n0C0 n1C1,K s1 ,2,2k1d1 sh2k1d1,n1 ,H p H rp-1 K sp/K sp-1 K fp,fH s K r K S ,sh 3kd ,*摩擦能量损耗系数Kf波浪进入浅水区域后，受到的底摩阻不可忽略。摩擦能量损耗系数经验公式为：,Kf与波浪运动距离S、底质摩阻系数f及波高H等参 数有关，其中f在风浪充分成长时的计算值约为0.01 0.02。在波浪衰减时，数值可能更小。,3,T 3,1, K f 1 ,16 23 g,3,近岸波传播,（三）波浪反射海浪在传播中
22、遇到障碍物，还可产生反向传播 的现象。海浪的反射波和原来的入射波叠加在一起， 有时可在障碍物前面形成驻波，振幅可达原入射波 振幅的两倍。因此，在决定建筑物的高度、强度时， 须考虑反射。另外，港内海浪的反射，可增加港内 水面的振动，不利于船舶的停靠等。反射系数决定于障碍物坡度、粗糙度，结构、 透水性，入射角等。,工程波要素及波浪力设计,1 塘前设计波要素,2 波浪压力计算,1,塘前设计波要素深水波要素推算-P-曲线和Gumbel曲线推算深水波要素波浪折射和浅水变形-波向线法推算近岸波要素-数学模型推算近岸波要素 波浪港内绕射,P-型曲线分布设计波高,P-型曲线分布设计波周期,Gumbel分布曲线
23、设计波高,波向线法推算近岸波要素,波浪从深水向浅水传播，两波向线同单位时,间经过某水深断面0-0流入的能量应等于经过浅水 区任意断面1-1流出的能量，也就是说无能量沿波 峰线横向传播，忽略底摩擦，底渗透及海岸反射 等能量损耗，即两波向线间保持能量守恒，于是,式中E0、E分别为深，浅水中单位海面上的波动能量；C0、 C为深、浅水波速；b0、b为两波向线间深、浅水间距；n0、n,为深、浅水中波能传播率。,EnCb E0n0C0b0,波向线法推算近岸波要素波向线法的依据是以下基本方程组得以 成立：T=const 2 gkthkd, ,Cy ,c x,dds,cos,sin,1 C ,H KrKsKf
24、H 0（d 为水深，为入射角度，为圆频率，k为 波数，C为波速）, sin,C ,y ,给出网格离散地形、深水区初始入射角度及初始位置坐标由已知地形求波向线每开始一步长时的0、1、2、3点的C、L值由,得到得到经过每一步长后的1、 2、3点坐标，并将点2的 所有要素作为初始值,求出每走一步后两条波向 线间距或波向线角度值， 以此计算Kr、Ks及Kf, ,Cx,ds C, cos, ,高。 求得每一步的平均波高H， 判断波浪是否破碎,以波陡 H L 17 来判断波 浪破碎；以 H 0.6d （d为 破碎点水深）作为破碎波,数学模型推算近岸波要素,电子计算机性能的不断提高,计算方法的不断 进步,促
25、进了波浪数值模拟技术的研究和应用。人 们不断地研究并采用波浪数学模型进行近海波浪 的预报和后报,同时在不断地发展和研究新的波浪 数学模型或开发其不同的应用途径。,基于不同的控制方程, 平面二维波浪模型有: 基于Snell定律的折射模型、基于Helmholtz方程 的绕射模型、缓坡方程模型(也包括折绕联合模 型)、浅水波方程模型(包括Boussinesq型模型)、 基于波能平衡方程的模型等。,主要波浪数学模型：SWAN（荷兰）、MIKE21,（丹麦）等, 1 2 p,2,波压力分析波压力分布满足方程：, v gz f(t)t 2可得在全流场中,p , gz, t,cosh k(z d)cosh kd, gz 0 P g,z 0）,1 g t,基于微振幅波理论 （ ,2,波压力分析,令压力反应系数,可简化成,即波动中的压力分布规律。,第二项就是静水压力分布；第一项是因流体质点作轨道运动存在垂直方向的加 速度和因之引起的惯性力而产生的修正项。,cosh k(z h)cosh kh,k p , k p z,p ,2,波压力分析直立式防波堤前波峰、波谷压力分布图：,z 0 K P(z) 1设墙内外静压强在z=0（波峰）、z=-H/2（波谷）抵消， 在波部分简化为三角形。在波谷时，P为抽离岸状态，对防波堤来说较危险。,
