海洋水文学习.pptx

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1、主要内容主要内容1 1、海洋水文海洋水文学概述学概述2 2、潮汐理潮汐理论论3 3、工程潮汐工程潮汐统计计统计计算算4 4、波浪理波浪理论论5 5、工程波要素及波浪力工程波要素及波浪力设计设计第1页/共62页海洋水文学概述海洋水文学概述海洋水文学（海洋水文学（marine hydrology），又称物理海），又称物理海洋学。是海洋学的一个重要分支。洋学。是海洋学的一个重要分支。海洋水文学研究的海洋水文学研究的对对象：象：主要研究海水的物理性主要研究海水的物理性质质和海水各种运和海水各种运动动的的发发生、生、发发展展规规律。律。包括海水温度、包括海水温度、盐盐度、海流、潮汐、海浪、透明度、海流、

2、潮汐、海浪、透明度、水色、海度、水色、海发发光、海冰以及海洋光、海冰以及海洋大气相互作用大气相互作用等。等。第2页/共62页海洋水文海洋水文学学概述概述海洋工程水文（海洋工程水文（engineering oceanology），），为为海洋工程海洋工程规规划、划、设计设计、施工、管理、运行、决策、施工、管理、运行、决策提供水文依据的学科。提供水文依据的学科。海洋工程水文研究海洋工程水文研究对对象：象：与海洋开与海洋开发发和海洋工程建和海洋工程建设设有关的水文有关的水文问题问题。如。如研究海水运研究海水运动动(波浪、潮汐等波浪、潮汐等)、海水物理性、海水物理性质质（温（温度、度、盐盐度、密度等）

3、以及其他水文度、密度等）以及其他水文现现象（泥沙运象（泥沙运动动、冰凌等）的冰凌等）的变变化化规规律和推算方法。律和推算方法。为规为规划与划与设计设计工工程建筑物、研究工程建造后程建筑物、研究工程建造后对对所在海域水文条件的所在海域水文条件的影响提供基影响提供基础础数据。数据。第3页/共62页本文范本文范围围潮汐：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、平均大潮低潮位均大潮高潮位、平均大潮低潮位 根据多年（或根据多年（或较较短短时间时间）的潮汐）的潮汐观测记录观测记录，确定工程，确定工程设计设计所需

4、的潮所需的潮汐特征要素。汐特征要素。波浪：波浪：通通过过波浪理波浪理论论研究建立波要素（波高、波研究建立波要素（波高、波长长、波速、波周期）和水、波速、波周期）和水深之深之间间的内在的内在联联系，揭示波浪系，揭示波浪质质点运点运动动、压压力力变变化、能量化、能量传递传递等基等基本本规规律。律。研究波浪研究波浪传传入近岸浅水区内的入近岸浅水区内的变变化，搞清波浪折射、破碎、化，搞清波浪折射、破碎、绕绕射、射、反射的机理，探求波浪反射的机理，探求波浪变变形后波要素形后波要素变变化的化的计计算方法。算方法。对对波浪作用于建筑物上的波浪作用于建筑物上的压压力力进进行行简简要分析。要分析。第4页/共62

5、页潮汐理潮汐理论论1 1 潮汐的成因潮汐的成因2 2 潮汐及其潮汐及其类类型型3 3 潮汐的潮汐的变变化化第5页/共62页R1 潮汐的成因潮汐的成因 引潮力引潮力1 月球、太阳的引力月球、太阳的引力在地面离月球最近的一点（向月点）月球的引力在地面离月球最近的一点（向月点）月球的引力产产生的生的引潮力最大，地面离月球最引潮力最大，地面离月球最远远的一点（背月点）月球的引力的一点（背月点）月球的引力产产生的引潮力最小。生的引潮力最小。M E2f 第6页/共62页1 潮汐的成因潮汐的成因2 惯惯性离心力性离心力地球地球绕绕地月共同地月共同质质心的平心的平动动运运动动，产产生的生的惯惯性离心力：性离心

6、力：在向月点万有引力在向月点万有引力产产生的引潮力大于平生的引潮力大于平动动运运动动的的惯惯性离心力，性离心力，背月点背月点惯惯性离心力与万有引力性离心力与万有引力产产生的引潮力相反（相生的引潮力相反（相对对于地于地面向上）。向月点（面向上）。向月点（顺顺潮）、背月点（潮）、背月点（对对潮）是高潮。潮）是高潮。第7页/共62页1 潮汐的成因潮汐的成因3 引潮力的性引潮力的性质质1）月球引潮力是太阳引潮力的）月球引潮力是太阳引潮力的2.17 倍；倍；2）引潮力的大小与天体）引潮力的大小与天体质质量成正比，与地球和天体量成正比，与地球和天体间间距距离的离的3次方成反比；次方成反比；3）从海水的运）

7、从海水的运动观动观点看：垂直引潮力点看：垂直引潮力仅仅减减轻轻海水的重量，海水的重量，而引起海水运而引起海水运动动的主要原因是水平引潮力。的主要原因是水平引潮力。第8页/共62页2 潮汐及其潮汐及其类类型型 海水在天体引潮力作用下海水在天体引潮力作用下发发生的周期性的生的周期性的涨涨退退现现象称象称为为潮汐，它包括海面周期性的垂直潮汐，它包括海面周期性的垂直涨涨退和海水周期性退和海水周期性的水平流的水平流动动。习惯习惯上将前者称潮汐，后者称上将前者称潮汐，后者称为为潮流。潮流。（一）潮汐的基本要素（一）潮汐的基本要素高潮（高潮（满满潮）：潮）：在潮汐在潮汐涨涨落的每一周期内，当水位上落的每一周

8、期内，当水位上涨涨到最高位置到最高位置时时，叫高潮或，叫高潮或满满潮；潮；低潮（干潮）：低潮（干潮）：当水位下降到最低位置当水位下降到最低位置时时，叫低潮或干，叫低潮或干潮：潮：涨涨潮：潮：从低潮到高潮从低潮到高潮过过程中，水位逐程中，水位逐渐渐上升，叫上升，叫涨涨潮；潮；落潮：落潮：从高潮到低潮从高潮到低潮过过程中，水位逐程中，水位逐渐渐下降，叫落潮。下降，叫落潮。第9页/共62页2 潮汐及其潮汐及其类类型型平潮、停潮：平潮、停潮：当潮汐达到高潮或低潮的当潮汐达到高潮或低潮的时时候，海面在候，海面在一段一段时间时间内既不上升也不下降，分内既不上升也不下降，分别别叫平潮和停潮。叫平潮和停潮。高

9、潮高潮时时：平潮的中平潮的中间时间时刻，叫高潮刻，叫高潮时时；低潮低潮时时：停潮的中停潮的中间时间时刻，叫低潮刻，叫低潮时时，潮差：潮差：相相邻邻的高潮与低潮的水位差，叫潮差。的高潮与低潮的水位差，叫潮差。月潮月潮间间隙（高潮隙（高潮间间隙、低潮隙、低潮间间隙）：隙）：由月球的上中天由月球的上中天时时刻到其后的第一个高潮刻到其后的第一个高潮时时和低潮和低潮时时，分，分别别叫高、低潮叫高、低潮间间隙。隙。和低潮和低潮间间隙，两者合称隙，两者合称为为月潮月潮间间隙。隙。第10页/共62页2 潮汐及其潮汐及其类类型型（二）潮汐的（二）潮汐的类类型型1 半日潮半日潮在一个太阴日（在一个太阴日（24小小

10、时时50分）内，有两次高潮和两次分）内，有两次高潮和两次低潮，而且两相低潮，而且两相邻邻高潮或低潮的潮高几乎相等，高潮或低潮的潮高几乎相等，涨涨落潮落潮时时也几乎相等，也几乎相等，这样这样的潮汐称的潮汐称为为半日潮。半日潮。2 全日潮全日潮半个月内，有半个月内，有连续连续7天以上在一个太阴日内，只有一天以上在一个太阴日内，只有一次高潮和一次低潮，次高潮和一次低潮，这样这样的潮汐称的潮汐称为为全日潮。全日潮。北部湾是世界上最典型的全日潮海区之一。北部湾是世界上最典型的全日潮海区之一。3 不正不正规规半日潮半日潮在一个太阴日内，也有两次高潮和两次低潮，但潮差在一个太阴日内，也有两次高潮和两次低潮，

11、但潮差不等，不等，涨涨潮潮时时和落潮和落潮时时也不等。也不等。第11页/共62页2 潮汐及其潮汐及其类类型型第12页/共62页3 潮汐的潮汐的变变化化（一）潮汐周期（一）潮汐周期现现象象1 潮汐的日潮汐的日变变1）半日周期潮（赤道潮、分点潮）：在一个太阴日）半日周期潮（赤道潮、分点潮）：在一个太阴日内，内，发发生两次高潮和两次低潮。生两次高潮和两次低潮。2次高潮的次高潮的时间间时间间隔隔为为12时时25分，分，涨涨、落潮、落潮时间时间各各为为6小小时时12.5分，而且潮差相等，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因此形成典型的半日潮。潮汐高度有从赤道向两极递递减的减的

12、趋势趋势，并以赤道相，并以赤道相对对称，因此称称，因此称为为赤道潮或分点潮。赤道潮或分点潮。2）日周期潮（回）日周期潮（回归归潮）：在一个太阴日内相潮）：在一个太阴日内相邻邻两次两次高（低）潮高度不等的高（低）潮高度不等的现现象，叫做潮高周日不等和潮象，叫做潮高周日不等和潮时时周周日不等，日不等，统统称称为为潮汐周日不等。潮汐周日不等。当月球赤当月球赤纬纬增大到回增大到回归线归线附近附近时时，潮汐周日不等，潮汐周日不等现现象象最最显显著，著，这时这时的潮汐称的潮汐称为为回回归归潮。潮。第13页/共62页3 潮汐的潮汐的变变化化2潮汐的月潮汐的月变变（加上考（加上考虑虑太阳的引潮力）太阳的引潮力

13、）1）半月周期潮）半月周期潮半月周期潮是由月、日、地三者所半月周期潮是由月、日、地三者所处处位置不同而位置不同而产产生的。当朔、望日（生的。当朔、望日（农历农历初一、十五）初一、十五）时时，月、日、，月、日、地地3个天体中心大致位于同一直个天体中心大致位于同一直线线上，由于月球和太阳上，由于月球和太阳的引潮力迭加，因此它的引潮力迭加，因此它们们所合成的引潮力在一个月内所合成的引潮力在一个月内是最大的，所以潮汐是最大的，所以潮汐现现象特象特别显别显著，高潮特高，低潮著，高潮特高，低潮最低，潮差最大，故称最低，潮差最大，故称为为大潮或朔望潮。大潮或朔望潮。当月相当月相处处于上、下弦（即初八、二十三

14、）于上、下弦（即初八、二十三）时时，月、，月、日、地日、地3者的位置形成直角，月、日的引潮力相互抵消者的位置形成直角，月、日的引潮力相互抵消一部分，故一部分，故这时这时合成的引潮力最小，形成的高潮不高，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。大潮和低潮不低，潮差最小，所以叫小潮或方照潮。大潮和小潮小潮变变化周期都是半个月。化周期都是半个月。第14页/共62页3 潮汐的潮汐的变变化化3 潮汐的年潮汐的年变变和多年和多年变变化化1）年周期潮）年周期潮地球地球绕绕太阳公太阳公转转，当地球运行到近日点，当地球运行到近日点时时所所产产生的潮生的潮汐，要比地球运行到汐，要

15、比地球运行到远远日点日点时时所所产产生的潮汐大，生的潮汐大，约约大大10左右。近日点潮汐，称近日潮；左右。近日点潮汐，称近日潮；远远日点潮汐，称日点潮汐，称远远日潮。日潮。它它们们的的变变化周期化周期为为一年。一年。2）多年周期潮）多年周期潮月球的月球的轨轨道道长轴长轴方向不断地方向不断地变变化，近地点也不断的化，近地点也不断的东东移，其周期移，其周期约为约为8.85年，因此潮汐也有年，因此潮汐也有8.85年的年的长长周期周期变变化。化。由于黄白交点的不断移由于黄白交点的不断移动动，其周期，其周期约为约为18.61年，故年，故潮汐潮汐还还有有18.61年的年的长长周期周期变变化。化。第15页/

16、共62页3 潮汐的潮汐的变变化化（二）地形（二）地形对对潮汐的影响潮汐的影响海水的自然周期与海区形海水的自然周期与海区形态态和深度有密切关系。某一和深度有密切关系。某一海区自然周期与引潮力周期相一致海区自然周期与引潮力周期相一致时时，便，便产产生生“共振共振”现现象。潮汐象。潮汐涨涨落特落特别别明明显显，潮差增大。，潮差增大。世界上一些喇叭形河口区，由于受地形的影响，常出世界上一些喇叭形河口区，由于受地形的影响，常出现现涌潮或暴涌潮或暴涨涨潮。潮。如杭州湾、芬迪湾等如杭州湾、芬迪湾等（三）气候（三）气候对对潮汐的影响潮汐的影响如台如台风风、洪水、洪水、结结冰等冰等第16页/共62页工程潮汐工程

17、潮汐统计计统计计算算1 1 特征潮位分析特征潮位分析2 2 设计设计潮（水）位潮（水）位第17页/共62页1 1特征潮位分析特征潮位分析第18页/共62页主要特征潮位及分析方法主要特征潮位及分析方法 平均海平面平均海平面平均高低潮位平均高低潮位平均潮差平均潮差大潮平均高低潮位大潮平均高低潮位小潮平均高低潮位小潮平均高低潮位涨涨（落）潮（落）潮历时历时本文分本文分别别采用采用统计统计分析分析和和调调和分析和分析进进行特征潮位行特征潮位计计算。算。第19页/共62页*调调和常数和常数海洋潮汐是由很多分潮叠加的，利用海洋潮汐是由很多分潮叠加的，利用实测实测潮汐潮汐资资料可求得各地点各分潮的料可求得各

18、地点各分潮的实际实际振幅和振幅和调调和常数，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从而达到掌握特定地区的潮汐特征状况并达到潮汐预报预报的目的。的目的。主要分潮：主要分潮：太阴主要半日分潮（太阴主要半日分潮（M2），周期），周期12.4206h；太阳主要半日分潮（太阳主要半日分潮（S2），周期），周期12.0000h；太阴主要太阴主要椭椭率半日分潮（率半日分潮（N2），周期），周期12.6583h；太阴太阴太阳赤太阳赤纬纬半日分潮（半日分潮（K2），周期），周期11.9672h；太阴太阴太阳赤太阳赤纬纬全日分潮（全日分潮（K1），周期），周期23.9345h太阴赤太阴赤纬纬全日分潮

19、（全日分潮（O1），周期），周期25.8193h；太阳赤太阳赤纬纬全日分潮（全日分潮（P1），周期），周期24.0659h；太阴主要太阴主要椭椭率全日分潮（率全日分潮（Q1），周期），周期26.8684h。第20页/共62页*调调和常数和常数第21页/共62页*调调和常数和常数第22页/共62页某某测测站潮汐分析站潮汐分析结结果果 潮汐潮汐类类型型利用以下公式：利用以下公式：得得F=0.28280.5，F=0.2076 0.5，因而得出，因而得出结结论为论为：该该地区地区为为正正规规半日潮半日潮H K1 H O1 或或H M 2F H K1 HO1H M 2 H S2F 第23页/共62页两种

20、分析方法两种分析方法结结果果对对比比特征潮位特征潮位平均海平面平均海平面平均高潮：平均高潮：平均低潮：平均低潮：平均潮差：平均潮差：大潮平均高潮：大潮平均高潮：大潮平均低潮：大潮平均低潮：小潮平均高潮：小潮平均高潮：小潮平均低潮：小潮平均低潮：统计统计390588187401635134530250调调和和390585193393644130517263统计统计-调调和和03-68-9413-13第24页/共62页2 2设计设计潮（水）位潮（水）位三种基本水位三种基本水位设计设计（港工（港工规规范）：范）：A 设计设计高（低）水位高（低）水位B 极端（校核）高（低）水位极端（校核）高（低）水位

21、C 乘高（低）潮作乘高（低）潮作业业水位水位第25页/共62页A A设计设计高高/低水位低水位1 1）资资料年限料年限应应有多年或至少完整有多年或至少完整一年逐日每小一年逐日每小时时的的实测实测潮潮位位资资料。料。2 2）推算方法推算方法设计设计潮位的推算采用潮位的推算采用绘绘制制高潮高潮 低潮或低潮或历时历时累累积频积频率曲率曲线线。第26页/共62页B B 极端（校核）高（低）水位极端（校核）高（低）水位l l）极端潮位的）极端潮位的标标准准我国海港水文我国海港水文规规范中范中规规定，采用年定，采用年频频率率统计统计的方法推的方法推求求5050年一遇的高、低潮位作年一遇的高、低潮位作为为极

22、端水位。极端水位。海堤等水利工程的防潮海堤等水利工程的防潮标标准（重准（重现现期）按照工程等期）按照工程等级级确定，确定，并根据重并根据重现现期推算极端高、低潮位。期推算极端高、低潮位。2 2）资资料年限料年限为为了确定极端高、低水位，在了确定极端高、低水位，在应应用用频频率分析方法率分析方法进进行行统计统计分析分析时时，要求，要求应应具有不少于具有不少于2020年的年最高、最低潮位年的年最高、最低潮位实测资实测资料，料，并并须调查历须调查历史上出史上出现现的特殊水位。的特殊水位。3 3）极端水位的推算方法）极端水位的推算方法常用：常用：P-P-、P-GP-G适适线线等等*资资料短缺情况下料短

23、缺情况下设计设计高潮位的推算（同步相关法）高潮位的推算（同步相关法）第27页/共62页C C 乘潮水位乘潮水位定定义义：高潮乘潮水位和低潮乘潮水位。前者多用高潮乘潮水位和低潮乘潮水位。前者多用于船舶于船舶进进出港航道或船出港航道或船坞坞，后者适用于利用低，后者适用于利用低潮位延潮位延时进时进行水工建筑物的施工作行水工建筑物的施工作业业。乘潮水位乘潮水位计计算：算：依据确定的乘潮延依据确定的乘潮延时时T，在全年潮汐，在全年潮汐过过程程线线上，量取上，量取潮峰上潮峰上历时为历时为T的潮位的潮位值值，以每，以每10cm为为一一间间隔由大到小，隔由大到小，统计统计其在不同水位其在不同水位级级内出内出现

24、现的次数，制作累的次数，制作累积频积频率曲率曲线线，然后按然后按设计设计要求从要求从该该曲曲线线上上读读取累取累积频积频率率P（即保（即保证证率）率）的潮位数的潮位数值值，此，此值值即即为设计为设计所需的乘潮水位。所需的乘潮水位。（参（参见见海港水文海港水文规规范）范）第28页/共62页C C 乘潮水位乘潮水位*引申：确定某个潮位引申：确定某个潮位H，求通，求通过时间过时间在某个范在某个范围围的保的保证证率。率。第29页/共62页波浪理波浪理论论1 1 波浪概述波浪概述2 2 风风浪和涌浪浪和涌浪3 3 近岸波近岸波传传播播第30页/共62页1 1波浪概述波浪概述波浪是海洋、湖泊、水波浪是海洋

25、、湖泊、水库库等等宽宽敞水面上常敞水面上常见见的水体运的水体运动动，其特点在于每个水其特点在于每个水质质点作周期性运点作周期性运动动，所有的水，所有的水质质点相点相继继振振动动，便引起水面呈周期性起伏。水，便引起水面呈周期性起伏。水质质点在其平衡位置附近作点在其平衡位置附近作近似封近似封闭闭的的圆圆周运周运动动，便，便产产生了波浪，并引起了波形的生了波浪，并引起了波形的传传播。播。由此可由此可见见，波浪的，波浪的传传播，并不是水播，并不是水质质点的向前移点的向前移动动，而，而仅仅是是波形的波形的传递传递。第31页/共62页1 1波浪概述波浪概述海洋中波浪分海洋中波浪分类类1 按照周期分按照周期

26、分表面表面张张力波、短周期重力波、重力波、力波、短周期重力波、重力波、长长周期重力波、周期重力波、长长周期波、周期波、长长周期潮波。周期潮波。各种波的原各种波的原动动力、恢复力都不同，其中周期力、恢复力都不同，其中周期为为315s的的重力波重力波对对海岸工程海岸工程问题问题比比较较重要。重要。2 按成因分按成因分类类风风浪和涌浪、内波、潮汐波、海浪和涌浪、内波、潮汐波、海啸啸3 按水深分按水深分深水波（表面波、短波）、浅水波（深水波（表面波、短波）、浅水波（长长波）波）4 按波形按波形传传播性播性质质前前进进波（波（进进行波）、行波）、驻驻波波第32页/共62页1 1波浪概述波浪概述波浪要素：

27、波浪要素：水深水深h：平均水平面到底部的垂直距离。：平均水平面到底部的垂直距离。波振幅波振幅a：波峰或波谷到平均水平面的垂直高度。：波峰或波谷到平均水平面的垂直高度。波高波高H：波振幅的：波振幅的2倍。倍。H=2a波波长长L：两个相：两个相临临波峰（或波谷）上波峰（或波谷）上对应对应位置位置间间的距离。的距离。周期周期T：固定：固定处处重复出重复出现现波峰或波谷的波峰或波谷的时间间时间间隔，或隔，或传传播播一个波一个波长长所需的所需的时间时间。波速（相速度）波速（相速度）C：波的：波的传传播速度。播速度。C=L/T波数波数K：2 距离内波的数目。距离内波的数目。k2/L圆频圆频率率：2 时间时

28、间内振内振动动的次数。的次数。2/T第33页/共62页vz 1 1波浪概述波浪概述微振幅波理微振幅波理论论基本假基本假设设：1）理想不可）理想不可压缩压缩流体，重力不能略去；流体，重力不能略去；2）运）运动动是无旋的，具有速度是无旋的，具有速度势势满满足足Laplace方程：方程：3）波浪是微振幅波，即）波浪是微振幅波，即H1/7）或波）或波浪在浅水区浪在浅水区传传播受水底播受水底边边界影响（界影响（破碎指破碎指标标），剖面），剖面发发生生显显著著变变形，波峰水形，波峰水质质点水平分速达到或超点水平分速达到或超过过波速，使波波速，使波浪浪发发生破碎的生破碎的现现象。象。这时这时的波浪称的波浪称

29、为为破波。破波可分破波。破波可分为为崩崩波、卷波和激波三种。波、卷波和激波三种。db表示波浪破碎表示波浪破碎处处水深，水深，对应对应的波高的波高Hb称称为为破碎波高破碎波高第37页/共62页 H特征波波高的两种表示方法特征波波高的两种表示方法 波列中波列中选选取某一累取某一累积频积频率率对应对应的波高作的波高作为为特征波高，即特征波高，即HF%；平均波高；平均波高 H是各种累是各种累积积率波高的率波高的换换算媒介，是一种常算媒介，是一种常用的特征波高。用的特征波高。部分大波的平均波高部分大波的平均波高HP作作为为特征波高。将波列中的波高特征波高。将波列中的波高由大到小依次排列，其中最大的由大到

30、小依次排列，其中最大的P部分波高的平均部分波高的平均值值就就为为特征波高。特征波高。31101HH显显著波高著波高H4%有效波高有效波高H13%iH PNPi 11NP第38页/共62页2 2风风浪和涌浪浪和涌浪（一）（一）风风浪的生成和成浪的生成和成长长理理论论1）风风浪的特点浪的特点波形不波形不对对称，迎称，迎风侧风侧坡度小，背坡度小，背风侧风侧坡度陡。坡度陡。2）能量）能量输输送送风风在波浪迎在波浪迎风风坡面通坡面通过过利用正利用正压压力、切力、切应应力将力将能量能量传传送送给给波浪。波浪。第39页/共62页2 2风风浪和涌浪浪和涌浪3）风风速、速、风时风时、风风区是决定区是决定风风浪大

31、小的主要因素。浪大小的主要因素。4）风风浪按照浪按照H1/3（有效波高）或（有效波高）或H1/10的大小分的大小分为为：无浪、微浪、小浪、无浪、微浪、小浪、轻轻浪、中浪、大浪、巨浪、狂浪、中浪、大浪、巨浪、狂浪、狂涛、怒涛等。浪、狂涛、怒涛等。第40页/共62页2 2风风浪和涌浪浪和涌浪（二）涌浪（二）涌浪当当风风开始平息，或波速超开始平息，或波速超过风过风速速时风时风浪会离开浪会离开风风区区传传到到远处远处，这这称称为为涌浪。涌浪。涌浪的特点是：随着涌浪的特点是：随着传传播距离的增播距离的增长长，波高逐，波高逐步步变变小，波小，波长长和周期却不断增加，因而涌浪和周期却不断增加，因而涌浪变变得

32、越得越平平缓缓，波形越接近，波形越接近摆线摆线波。波。由于波由于波长长长长的速度大，短的速度小，波的速度大，短的速度小，波长长长长的的越来越在前面，短的越来越落后。同越来越在前面，短的越来越落后。同时时，波，波长长短的短的衰减快，所以，最后剩下一些周期和波衰减快，所以，最后剩下一些周期和波长长都大的涌都大的涌浪。浪。这这些涌浪些涌浪传传播速度比大播速度比大风风的速度的速度还还要快，要快，传传播播的距离的距离远远，每昼夜能穿越，每昼夜能穿越2000km。第41页/共62页3 3近岸波近岸波传传播播（一）波浪（一）波浪绕绕射射当海浪在当海浪在传传播播过过程中遇到防波堤、程中遇到防波堤、岛屿岛屿等障

33、等障碍物碍物时时，可以，可以“绕绕”过过障碍物障碍物传传到其掩蔽区。海浪到其掩蔽区。海浪绕绕射射对对海港的海港的设计设计、建筑有重要意、建筑有重要意义义，因，因为为港内的港内的泊泊稳稳条件同海浪条件同海浪绕绕射有密切关系。射有密切关系。在在实际实际中，常中，常对对几种几种典型的掩蔽物（典型的掩蔽物（单单堤、双堤、双堤等）堤等）绘绘制出制出绕绕射射图图解。解。方便方便计计算出海浪在掩蔽区算出海浪在掩蔽区内、外部任意点内、外部任意点处绕处绕射后射后的波要素。的波要素。第42页/共62页3 3近岸波近岸波传传播播（二）波浪折射和浅水（二）波浪折射和浅水变变形形进进入浅水地入浅水地带带的波浪，其波速不

34、再与波的波浪，其波速不再与波长长有关，而有关，而是深度的函数，即是深度的函数，即波浪波浪传传播到浅水区，由于水深播到浅水区，由于水深变变浅，波浅，波长变长变短，波短，波速速变变慢。不同岸段水深慢。不同岸段水深变变浅的速率不同，水深浅的速率不同，水深变变浅慢的浅慢的岸段波浪岸段波浪传传播速度快，水深播速度快，水深变变浅快的岸段波浪浅快的岸段波浪传传播速度播速度慢，最后波峰慢，最后波峰线线逐逐渐渐与等深与等深线线平行。平行。gHc 第43页/共62页3 3近岸波近岸波传传播播对对于海岸曲折的地段，由于波浪折射，使得突于海岸曲折的地段，由于波浪折射，使得突出的海岸（岬）成出的海岸（岬）成为为波能的波

35、能的辐辐聚聚带带，这这里的波浪特里的波浪特别别大。大。第44页/共62页2.4b0bKr 若等深若等深线线平行，平行，则则波浪折射系数也可用波浪折射系数也可用Snell定律定律计计算，算，即：即：2.5因此，可因此，可缩缩短步短步长长的方法，使等深的方法，使等深线线在微小步元中近似在微小步元中近似平行。平行。cos 0K r cos*折射系数折射系数Kr由能量正比于波高的平方，得折射系数由能量正比于波高的平方，得折射系数Kr为为：第45页/共62页 1 *浅水系数浅水系数Ks 每走一步每走一步长时长时，Ks值为值为：2.6其中其中2.7 由于由于Ks从深水起算，因此任意步的波高从深水起算，因此

36、任意步的波高Hp为为（Hr 表示折射表示折射后波高）：后波高）：2.8n0C0n1C1K s1 2 2k1d1sh2k1d1n1 H p H rp-1 K sp/K sp-1 K fp第46页/共62页fH s K r K S sh 3 kd *摩擦能量摩擦能量损损耗系数耗系数Kf波浪波浪进进入浅水区域后，受到的底摩阻不可忽略。入浅水区域后，受到的底摩阻不可忽略。摩擦能量摩擦能量损损耗系数耗系数经验经验公式公式为为：Kf与波浪运与波浪运动动距离距离S、底、底质质摩阻系数摩阻系数f及波高及波高H等参等参数有关，其中数有关，其中f在在风风浪充分成浪充分成长时长时的的计计算算值约为值约为0.010.

37、02。在波浪衰减。在波浪衰减时时，数，数值值可能更小。可能更小。3T 3 1 K f 1 16 23 g第47页/共62页3 3近岸波近岸波传传播播（三）波浪反射（三）波浪反射海浪在海浪在传传播中遇到障碍物，播中遇到障碍物，还还可可产产生反向生反向传传播播的的现现象。海浪的反射波和原来的入射波叠加在一起，象。海浪的反射波和原来的入射波叠加在一起，有有时时可在障碍物前面形成可在障碍物前面形成驻驻波，振幅可达原入射波波，振幅可达原入射波振幅的两倍。因此，在决定建筑物的高度、振幅的两倍。因此，在决定建筑物的高度、强强度度时时，须须考考虑虑反射。另外，港内海浪的反射，可增加港内反射。另外，港内海浪的反

38、射，可增加港内水面的振水面的振动动，不利于船舶的停靠等。，不利于船舶的停靠等。反射系数决定于障碍物坡度、粗糙度，反射系数决定于障碍物坡度、粗糙度，结结构、构、透水性，入射角等。透水性，入射角等。第48页/共62页工程波要素及波浪力工程波要素及波浪力设计设计1 1 塘前塘前设计设计波要素波要素2 2 波浪波浪压压力力计计算算第49页/共62页1 1 塘前塘前设计设计波要素波要素深水波要素推算深水波要素推算-P-曲曲线线和和Gumbel曲曲线线推算深水波要素推算深水波要素波浪折射和浅水波浪折射和浅水变变形形-波向波向线线法推算近岸波要素法推算近岸波要素-数学模型推算近岸波要素数学模型推算近岸波要素

39、波浪港内波浪港内绕绕射射第50页/共62页P-P-型曲型曲线线分布分布设计设计波高波高第51页/共62页P-P-型曲型曲线线分布分布设计设计波周期波周期第52页/共62页GumbelGumbel分布曲分布曲线设计线设计波高波高第53页/共62页波向波向线线法推算近岸波要素法推算近岸波要素波浪从深水向浅水波浪从深水向浅水传传播，两波向播，两波向线线同同单单位位时时间经过间经过某水深断面某水深断面0-0流入的能量流入的能量应应等于等于经过经过浅水浅水区任意断面区任意断面1-1流出的能量，也就是流出的能量，也就是说说无能量沿波无能量沿波峰峰线线横向横向传传播，忽略底摩擦，底渗透及海岸反射播，忽略底摩

40、擦，底渗透及海岸反射等能量等能量损损耗，即两波向耗，即两波向线间线间保持能量守恒，于是保持能量守恒，于是式中式中E0、E分分别为别为深，浅水中深，浅水中单单位海面上的波位海面上的波动动能量；能量；C0、C为为深、浅水波速；深、浅水波速；b0、b为为两波向两波向线间线间深、浅水深、浅水间间距；距；n0、n为为深、浅水中波能深、浅水中波能传传播率。播率。EnCb E0n0C0b0第54页/共62页波向波向线线法推算近岸波要素法推算近岸波要素波向波向线线法的依据是以下基本方程法的依据是以下基本方程组组得以得以成立：成立：T=const 2 gkthkd C y c xd ds cos sin 1 C

41、 H KrKsKfH 0（d 为为水深，水深，为为入射角度，入射角度，为圆频为圆频率，率，k为为波数，波数，C为为波速）波速）第55页/共62页 sin C y 给给出网格离散地形、深出网格离散地形、深水区初始入射角度及初水区初始入射角度及初始位置坐始位置坐标标由已知地形求波向由已知地形求波向线线每每开始一步开始一步长时长时的的0、1、2、3点的点的C、L值值由由得到得到得到得到经过经过每一步每一步长长后的后的1、2、3点坐点坐标标，并将点，并将点2的的所有要素作所有要素作为为初始初始值值求出每走一步后两条波向求出每走一步后两条波向线间线间距或波向距或波向线线角度角度值值，以此以此计计算算Kr

42、、Ks及及Kf C xdsC cos 高。高。求得每一步的平均波高求得每一步的平均波高H，判断波浪是否破碎判断波浪是否破碎以波陡以波陡 H L 17 来判断波来判断波浪破碎；以浪破碎；以 H 0.6d（d为为破碎点水深）作破碎点水深）作为为破碎波破碎波第56页/共62页第57页/共62页数学模型推算近岸波要素数学模型推算近岸波要素电电子子计计算机性能的不断提高算机性能的不断提高,计计算方法的不断算方法的不断进进步步,促促进进了波浪数了波浪数值值模模拟拟技技术术的研究和的研究和应应用。人用。人们们不断地研究并采用波浪数学模型不断地研究并采用波浪数学模型进进行近海波浪行近海波浪的的预报预报和后和后

43、报报,同同时时在不断地在不断地发发展和研究新的波浪展和研究新的波浪数学模型或开数学模型或开发发其不同的其不同的应应用途径。用途径。基于不同的控制方程基于不同的控制方程,平面二平面二维维波浪模型有波浪模型有:基于基于Snell定律的折射模型、基于定律的折射模型、基于Helmholtz方程方程的的绕绕射模型、射模型、缓缓坡方程模型坡方程模型(也包括折也包括折绕联绕联合模合模型型)、浅水波方程模型、浅水波方程模型(包括包括Boussinesq型模型型模型)、基于波能平衡方程的模型等。基于波能平衡方程的模型等。主要波浪数学模型：主要波浪数学模型：SWAN（荷（荷兰兰）、）、MIKE21（丹麦）等（丹麦

44、）等第58页/共62页 1 2 p 2 2 波波压压力分析力分析波波压压力分布力分布满满足方程：足方程：v gz f(t)t 2可得在全流可得在全流场场中中p gz tcosh k(z d)cosh kd gz 0 P g z 0）1 g t基于微振幅波理基于微振幅波理论论 （第59页/共62页2 2波波压压力分析力分析 令令压压力反力反应应系数系数可可简简化成化成即波即波动动中的中的压压力分布力分布规规律。律。第二第二项项就是静水就是静水压压力分布；力分布；第一第一项项是因流体是因流体质质点作点作轨轨道运道运动动存在垂直方向的加存在垂直方向的加速度和因之引起的速度和因之引起的惯惯性力而性力而产产生的修正生的修正项项。cosh k(z h)cosh khk p k p zp 第60页/共62页2 2 波波压压力分析力分析直立式防波堤前波峰、波谷直立式防波堤前波峰、波谷压压力分布力分布图图：z 0 K P(z)1 设墙设墙内外静内外静压压强强在在z=0（波峰）、（波峰）、z=-H/2（波谷）抵消，（波谷）抵消，在波部分在波部分简简化化为为三角形。三角形。在波谷在波谷时时，P为为抽离岸状抽离岸状态态，对对防波堤来防波堤来说较说较危危险险。第61页/共62页感谢您的观看。感谢您的观看。第62页/共62页