（水利工程专业论文）天津海岸流浪潮特征与新型海堤结构探讨.pdf

天津大学工程硕士论文 中文摘要 天津海岸线长1 5 0 余公里，具有典型淤泥质海岸特征。海堤及护 坡工程基本采用刚性砌石、砼结构，存在周边生态环境恶化、工程维 护管理费用高等问题，与滨海地区经济快速发展及生态环境改善要求 不相适应。 本文采用现场原型观测、试验工程、物理模型试验、数值模拟计 算等系统全面的研究手段，围绕天津海堤建设存在的问题及大断面海 堤技术推广的具体要求，开展了相应技术研究。探讨了互花米草在我 市海堤的合理种植区域、成活率及消能促淤效果；柽柳等耐盐植物品 种的选择、适宜的生长区域及根系保土固堤能力；据此推出植物护坡 与刚性护坡结合的设计思路，对全面提高大断面海堤结构的技术经济 指标，为该技术的推广提供了良好的技术支持。 另外，本文以典型海岸流浪潮的现场观测重点，结合波浪物理模 型及虚拟流动数值模拟技术等方法，得出了天津近海沿岸流浪潮的特 征值，建立了天津近岸波浪要素预报的经验公式，确定了天津海岸带 的冲刷与淤积岸段。开展了大型现场植物种植试验，通过多年的观测 积累，解决了互花米草、柽柳等盐生及耐盐植物生长区域和对海堤的 防护效果等技术难点。总结出适合天津泥质海岸特点的植物与砌块结 合的组合式缓坡海堤护坡方案，既满足海堤防护要求，降低工程投资， 又绿化海岸环境，为海岸地区生态改善奠定了良好的基础。 关键词：流浪潮；植物；海堤；试验 天津大学工程硕士论文 a b s t r a c t t h ec o a s to ft i a n ji ni sc h a r a c t e r i z e db yt y p i c a ls i l t ，a n dt h el e n g t ho ft h e c o a s t l i n ei sa b o u t15 0k i l o m e t e r s m o s to ft h ee m b a n k m e n t sa d o p t e dr i g i d i t y s t r u c t u r eo fb u i l d i n gs t o n ea n dc o n c r e t e ，w h i c hc a u s e dal o to fq u e s t i o n ss u c ha s e n v i r o n m e n t a ld e t e r i o r a t i o n ，h i g hc o s to ft h ee n g i n e e r i n gm a i n t e n a n c ea n ds oo n ， a n dm a d ei tu n s u i t a b l ef o rt h er a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n to ft h ec o a s t a la r e a sa n d t h er e q u e s to ft h ee n v i r o n m e n ti m p r o v e m e n t t h i ss u b j o c ta d o p t e dt h ef o l l o w i n g c o m p r e h e n s i v er e s e a r c h m e t h o d s ：i n s i t uo b s e r v a t i o no ft h e a r c h e t y p e ，t e s t e n g i n e e r i n g ，p h y s i c a lm o d e lt e s t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o nc a l c u l a t i o na n ds oo n i t d e v e l o p e dc o r r e s p o n d i n gt e c h n i q u er e s e a r c ha r o u n dt h ee x i s t i n gp r o b l e m so ft h e c o n s t r u c t i o no ft h ee m b a n k m e n to ft i a n j i na n dt h ec o n c r e t er e q u e s t so ft h e e x t e n s i o no ft h el a r g e s e c t i o ne m b a n k m e n tt e c h n i q u e f u r t h e r m o r e ，t h es u b j o c t d i s c u s s e dt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ：t h er e a s o n a b l ep l a n ta r e a s ，s u r v i v a lr a t e ，e f f e c to f e n e r g yd i s s i p a t i o na n dd e s i l t i n gp r o m o t i o no ft h es p a r t i n aa n g l i c a ，k i n ds e l e c t i o n o ft h es a l tt o l e r a n tp l a n t ss u c ha st h et a m a n xc h i n e n s i s ，a n dt h es u i t a b l eg r o w t h a r e a sa n ds o i lc o n s e r v a n c ya n dc o n s o l i d a t i o na b i l i t yo ft h er o o ts y s t e m t h u sw e d e d u c e dt h ed e s i g nt h o u g h t sw h i c hc o m b i n e dt h ep l a n ta n dr i g i d i t ys l o p e p r o t e c t i o nt o g e t h e r ，a n da l s oe n h a n c e dt h et e c h n i c a la n de c o n o m i ci n d e xf o rt h e l a r g e - s e c t i o ne m b a n k m e n ts t r u c t u r e ，w h i c hs u p p l i e dg o o dt e c h n i q u es u p p o r tt ot h e e x t e n s i o n t h i sp r o j e c te m p h a s i z e dt h ei n s i t uo b s e r v a t i o no ft h et y p i c a lc o a s t a lt i d e s ， a n dc o m b i n e dt h ep h y s i c a lm o d e lo ft h ew a v ea n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ff l o w t e c h n i q u et o g e t h e r ；w h a t sm o r e ，w ea l s og o tt h es p e c i a lv a l u eo ft h et i d ea n dw a v e a n de s t a b l i s h e de x p e r i e n c e df o r m u l af o rt h ef o r e c a s t i n go ft h en e a rc o a s t a la r e ao f t i a n j i n ，a n dd e t e r m i n e dt h eb a n ks e g m e n t so fw a s h o u ta n ds i l t a t i o no ft h ec o a s t a l a r e a s w ed e v e l o p e dl a r g e s c a l ei n s i t ut e s t so f p l a n t i n g ，a n dt h r o u g h t h e a c c u m u l a t i o n so fo b s e r v a t i o n so fm a n yy e a r s ，w es o l v e dt h et e c h n i q u ed i f f i c u l t i e s s u c ha st h eg r o w t ha r e ao ft h es p a r t i n aa n g l i c aa n dt h et a m a n xc h i n e n s i sa n d p r o t e c t i o ne f f e c to ft h ee m b a n k m e n t f i n a l l yw ec o n c l u d e dt h es l o p ep r o t e c t i o n p l a n s w h i c ha r es u i t a b l ef o rt h ec o m b i n a t i o no f p l a n t sa n db u i l d i n g b l o c k s p o s s e s s e dm u dc o a s t a ls p e c i a l t y ，w h i c h n o to n l ys a t i s f i e dt h er e q u e s to ft h e p r o t e c t i o n ，d e c r e a s e dt h ei n v e s t m e n to ft h ee n g i n e e r i n gb u ta l s oa f f o r e s t e dt h e e n v i r o n m e n to ft h ec o a s t ，w h i c hs e t t l e da g o o db a s i s f o rt h ee n v i r o n m e n t i m p r o v e m e n to ft h ec o a s t a la r e a s k e yw o r d s ：t i d a lw a v e ，p l a n t ，s e aw a l l ，t e s t 天津大学工程硕士论文 独创性声明 本人声明所呈交的学术论文是本人在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果，除了文中特别加以标记和致谢之处外，论文中不 包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 c 渺锄 签字日期：j 。r 年多月，r 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解有关保留、使用学位论文的规 定。特授权可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保留、汇编以供查阅 和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：l 小杈 签字目期： & 竹r 年6 月f 侗 导师签名： 场参 签字日期：嘴年6 月，7 日 天津大学工程硕士论文 第一章国内外海堤工程研究现状 1 1 海堤工程建设 我国海岸线绵长曲折，北起辽宁鸭绿江口，南至广西壮族自治区 北仓河口，大陆岸线长1 8 1 0 4 k m 。从海岸类型可以分为泥滩、砂滩 和岩滩三种型式，其中沙滩、岩滩海岸地质条件较好，多为山地、丘 陵地区，海岸防护简单；而占我国海岸线大多数的泥滩型海岸，多处 为冲积型平原地区，地面高程接近海潮高潮位，地质条件差，多以淤 泥和淤泥质粘土组成，土壤物理力学性能差，海岸平缓，潮差作用滩 地发达，浅海近岸风暴潮破坏能力巨大。海堤建设受地质和风暴潮多 因素影响，工程总投资高，技术难度大，一般与滩涂开发、海港及滨 海地区经济建设盼调发展。海堤的结构型式，国内一般采用重力式砼、 砌石及抛石等，根据地形条件以斜坡、直立墙为主，配合砼框格、消 浪墩、多边异型棱体等新型块体，以提高结构的抗冲刷、消能能力。 工程设计标准则依据受保护地区经济重要程度确定，重要的城市及工 业区海堤标准应达到1 0 0 2 0 0 年一遇标准。“” 海堤建设的特点决定其工程投资大，受地区经济发展制约，国内 各地区发展很不均衡。南方地区从单纯海堤建设，发展到滩涂及周边 地区综合开发的市场化模式，但过度以经济为主的海岸开发给周边地 区生态环境造成一定负面影响，世界自然基金会公布的“浙江温州沿 海黑嘴鸥越冬种群及其栖息地保护对策研究”显示，浙江温州海岸滩 涂湿地的过度开发，已经造成黑嘴鸥数量的直线下降，生态环境的多 样性受到严重破坏。”“4 因此，海岸开发应充分考虑生态环境的要 求，走可持续发展的模式。北方地区尤其是环渤海区域，虽受风暴潮 侵袭较弱，但降雨少、海水入侵严重、土地盐碱化等自然条件，导致 大部分海岸地区生态环境恶劣，经济发展落后，继而造成政府建设投 资少、已建工程老化失修、防御能力差的恶性循环。”因此，如何结 合北方地区地理、经济特点，在借鉴南方地区海堤建设市场化模式基 础上，结合生态环境的改善，并带动周边地区经济发展，形成可持续 发展是海堤建设的战略目标。 国外的海堤建设，以欧美、日本等发达国家比较典型，经历了一 个由单纯防御风暴潮到与自然和谐相处的发展过程，海堤结构由砼、 石块等刚性结构逐渐转变为有利于生态环境保护与改善的生态海堤， 既在充分考虑当地自然条件及海堤功能要求基础上，以传统的土堤替 代砼结构，营造一种植物护岸与湿地保护相配合的海岸生态系统，形 成以抗御风暴潮为主，同时兼顾绿化、湿地保护、生物多样性、人与 海洋亲合性等多目标的海堤模式，经过多年的探索与实践，已对海岸 地区生态环境产生明显作用。 天律大学工程硕士论文 1 2 海堤科研发展现状 海堤在水利、交通、海洋、港口等部门都称为海岸建筑物，建筑 结构与海浪作用机理、抗冲刷能力及结构耐久性等直是l ：程师研究 的对象。由于港口工程建筑物级别高、结构复杂，相关方面的研究比 较多，研究手段基本上以物理模型为主，数学模型为辅，利用专用试 验设施摸拟4 i l 刘结构与波浪作用效果，优化工程结构，为设计提供技 术参数。从上世纪8 0 年代以来，随着计算机技术的快速发展，数学模 型汁算精度提高很快，已有一些国际公认的权威软件应用于计算，数 学模型对工程设计、科研的作用越来越重要。 虽然海堤与海港同属海岸建筑物，但海堤工程战线长、投资大、 建设条件复杂的特点，决定海堤建设发展不平衡、相应的技术研究比 较少，工程设计参数，如顶高程、结构型式、坡度等基本上参照港工 标准。从国外几十年的发展经验看，海堤研究应重点围绕制定与当地 经济、生态环境发展相适应的总体规划，开展系统的科学研究，为海 堤工程建设、管理提供可靠的技术支撑。 国内江苏、浙江、福建等地7 0 年代开始从美国引种的大米草，水 利部南科院、上海交通大学、华东师范大学等单位对大米草消浪促淤 效果进行了大量现场试验，探讨火米草海堤护岸的综合效果，通过大 米草消浪促淤的研究，提出一定宽度大米草可以限浪冲刷5 0 7 0 以 上的观点，是一种良好的植物护滩材料的结论。”“”1 南京大学南 京晓庄学院、福建农科院等院校重点对大米草经济价值进行研究，初 步形成了大米草综合开发的循环经济模式，剥大米草的推广起到巨大 作用。”“”总之，大米草及后来的互花米草的种植，形成了人1 海 岸盐沼，其在海岸防护、防潮及促淤、减污、优化海滨环境等力面的 潜在价值不断受到人们的重视。被认为是最重要和最具生产力的生态 系统，是海岸生态系统的重要组成部分，也是为海洋这个庞大生态系 统提供生物量最大的子系统之一。 北方天津地区结合其地理及t 质特点，利用吹填加固专利技术， 提出大断面土质( 1 ：1 0 l ：2 0 ) 海堤的设计新技术，“”并在塘沽、汉 沽先后开展3 0 0 0 余米的试验工程，在潮间带利r 植互花米草，探讨北方 寒冷地区互花米草对海堤的消浪促淤作用。这些都是将海堤建设与经 济发展、生态环境改善紧密结合尝试，是海堤工程设计的一种新形式， 符合人与自然和谐发展的要求。 互花米草等盐生植物用于海岸防护，作为一种新的“软工程”技 术，是对传统海堤护坡形式的挑战，它不仅是一种良好的消能促淤上 程结构，其牧草、饲料、医药等价值的丌发同样具有很大潜力。在改 善海滩涂周边地带的生态环境方面，国内许多研究成果显示，由于互 花米军作用而带来的一些海生多毛类、甲壳类动物和鸟类动物的出现， 花米草作用而带来的一些海生多毛类、甲壳类动物和鸟类动物的出现， 天津大学工程硕上论文 初步形成了多种动植物并存的复杂生态系统。2 “” 1 3 本文的主要工作 课题属于水工结构与岩土工程技术相结合的应用技术研究，针对 大断面土质海堤建设中存在的技术经济问题，以降低工程投资，改善 海岸生态环境为目标，探讨北方泥滩海岸防护工程措施与生态环境改 善的方法。课题以塘沽区蛏头沽大断面海堤工程为主要试验基地，开 展1 2 0 0 0 平米植物护坡试验，7 5 0 平米组合护坡试验；建立典型海堤结 构的波浪原型观测点，开展波浪原形观测试验；建立室内波浪物理模 型，开展典型波浪模拟试验等工作： 1 、选择多处典型结构海堤，观测不同潮位条件下波浪与海堤结构 作用的波浪压力分布，建立数学模型计算潮位过程及海岸流速场，分 析近岸浅海条件下波浪变化特征，不同结构的波浪作用效果。 2 、开展典型潮位的不同海堤结构型式物理模型试验，各组试验2 8 0 余次，观测不同结构波浪压力和流速分布，提出合理的海堤结构，祢 补原型观测的不足，为海堤结构优化提供技术依据。 3 、开展以消浪促淤为主的互花米草试验，结合试验区潮汐、土质 等条件，确定互花米草的种植高程、成活率及合理的草带宽度。开展 固堤耐盐植物试验，重点对柽柳的成活率、耐盐极限、固土防冲效果 进行试验，提出柽柳的合理种植高程。 4 、设计并实施组合式新型海堤护坡结构，观测不同护坡结构的耐 冲刷、抗腐蚀能力，探讨两种植物护坡之间的合理护坡结构型式，并 对护坡的经济合理性进行分析。 该课题利用天津沿海滩涂丰富的淤泥资源，构筑大断面，研究实 施了互花米草一轻型护坡一柽柳的组合护坡结构，创造了一项新的海 堤型式：课题通过现场原型观测和统计分析，建立了适应性良好的波 浪经验公式和典型频率的潮位过程线，采用虚拟流动的动边界处理新 技术，分析典型区域潮流及海岸冲淤变化特征：确定互花米草、柽柳 等耐盐碱植物在天津地区适宜的生长区域，并具有明显的消浪促淤、 保土固堤的作用。 天津大学工程硕士论文 第二章天津滨海及近岸基本情况 2 1 地理情况 天津市海岸带位于渤海湾西岸( 见图11 ) 。海岸线延伸方向是向 西北弯凸的弧形，位于海河及蓟运河下游。在海岸类型划分中天津海 岸带属于沉降平原淤泥质海岸。滨海地区包括塘、汉、大、东丽、津 南区及宁河县一部分，地势低平，总的地势自北、西、南向渤海湾中 部缓倾，坡降0 1 0 6 。 海岸带地貌主要特征是：以堆积地貌为主，物质组成以粘土质粉 沙、粉沙质粘土、粉沙等细粒物质为主。主要地貌类型具有弧形带状 分布的特点， 陆地堆积平原，平坦广阔，河渠纵横，洼淀众多，河道迁徙频繁， 古河道遗迹显著，是典型的低平粉沙淤泥质海岸。 新生代以来，天津市海岸带在内外应力的作用下，历经沧桑，迄 今处于巨厚松散沉积物之上的地貌形态，基本为全新世海陆变迁过程 中外应力创造的产物，主要一级地貌类型可划分为：陆地堆积平原、 潮间带和水下岸坡。 2 1 1 潮间带 潮问带位于高低潮线间，基准面高程0 3 5 米( 大沽高程为一1 o - - 2 5 米) ，宽度3 0 0 0 7 3 0 0 米，坡度0 4 1 4 0 ，天津市境内的面积3 7 0 3 2 平方公里。根据水动力作用的差异和形态特征，可划分为潮间线滩、 河口凸滩两个二级地貌类型。 潮间线滩是潮问带主要部分，高潮淹，低潮露，是水动力下沉积 冲淤最活跃的地带，是典型的粉沙淤泥质海滩。高潮滩面平整带位于 特大高潮线与低高潮线之间的近岸地带，宽度4 1 8 2 0 7 5 米，平均坡 降o 7 8 。中潮滩面冲刷带位于高低潮滩面问，区内普遍发育。蓟运 河以东至大神堂，冲刷带宽度4 0 8 2 0 米，平均坡降0 9 4 。沉积物 以粘土质粉沙为主，滩面上冲蚀陡坎，坑洼与“滩鳞”发育。低潮滩 面宽平带位于低潮线以上，在潮间线滩中广泛发育，宽度2 6 0 0 4 7 0 0 米，平均坡降1 0 5 。 河口凸滩主要在海河、蓟运河河口地段，呈扇形凸滩向海突出， 平均坡降1 1 。海河河口的凸滩大沽沙，距塘沽中心约1 6 7 公里， 东西长1 4 公里，西北宽5 公里，面积5 3 2 5 平方公里。大潮时全部淹 没。由于入海径流和海洋动力的影响，海河泥沙冲淤多变，大沽沙时 而淤进，时而刷退，自1 9 世纪中叶至2 0 世纪中叶，共淤进1 8 0 0 米左 右，1 9 5 8 年建闸后，入海沙量大减，大沽沙不断蚀退，有利于航运。 4 天津大学工程硕十论文 蓟运河河口的凸滩为圆沙，由于古蓟运河从北塘入海口外有一溺谷伸 向渤海中央，其河口凸滩规模小于大沽沙。 2 1 2 水下岸坡 水下岸坡是低潮位以下，波浪作用所触及的水下部分。实际上也 是陆地堆积平原的水下延伸为渤海陆架的一部分。主要二级地貌类型 为冲淤作用下的河口水下三角洲、海湾三角洲平原、溺谷、潮脊等。 2 1 3 海岸类型 天津市海岸带为堆积型平原海岸，其特点是岸线平直，潮滩宽广 平坦。、根据岸滩冲淤变化可划分为：缓慢淤积型海岸、相对稳定型海 岸和冲刷型海岸。缓慢淤积型海岸分布于南堡至大神堂，蓟运河口至 新港北，海河闸下两侧滩面，独流减河至后唐铺等岸段，其特征是潮 滩宽广( 3 5 0 0 7 0 0 0 米) ，平缓( 坡降0 4 1 0 8 ) 。滩面淤积速率2 1 1 5 厘米年，其中涧河、独流减河、歧口等岸段零米等深线向外延伸 速率达4 4 6 8 厘米年。 相对稳定型海岸主要分布于海河口至独流减河岸段，主要特征是 滩面相对较窄( 小于4 0 0 0 米) ，坡度较大( 1 0 6 1 1 7 ) ，潮滩分带明 显。岸滩零米等深线自1 9 5 8 年至1 9 8 3 年的资料显示变化不大，有微 弱淤积，淤积速率为3 3 4 5 厘米年。 冲刷型海岸主要分布在蛏头沽大神堂岸段，海岸滩面宽度小 ( 3 4 0 0 3 5 0 0 米) ，坡度大( 坡降1 13 1 4 1 ) ，冲刷带直抵堤岸， 堤岸有冲刷淘蚀现象，零米等深线蚀退速率1 6 5 6 厘米年。 2 2 气象及风暴潮 天津市滨海气候属于大陆季风气候，具有明显的暖温带半湿润季 风气候特点，四季分明。冬季寒冷、干燥、少雪；春季干旱、多风、 少雨；夏季炎热，降水集中；秋季凉爽短暂，气候宜人。由于海岸带 地处海陆交界的两种截然不同的下垫面，在接受同样的太阳辐射的条 件下，温度变化不仅具有明显的季节变化，也存在明显的日变化。因 此形成明显的海陆风，海陆两侧风向日夜交错。由于海陆两侧空气层 结稳定度变化的不同，又使海上降水量明显偏少，光照增多。 2 3 陆地水文 天津市海岸是海河流域各大支流入渤海的主要地段，历史上流域 产流的绝大部分均流经天津，为工农业提供了水源，为航运创造了条 件，是天津赖以生存的条件。但近几十年来，由于气候变化及上游对 海河流域水资源的过度开发利用，平枯水年份径流基本上断绝，一定 程度上制约了天津市的经济发展。 天津大学工程硕士论文 第三章近岸流浪潮特征探讨 根据天津海岸的地理条件，我们利用过去课题研究建立的涧河口、 大神堂、蛏头沽、永定河口、海河口、独流减河口、歧口观测点的原 型观测资料。主要包括海流、海浪、潮汐等海洋水文要素。将观测内 容结合海流、海浪、潮汐的基本理论分别对天津市近岸及堤前的海流、 海浪、潮汐进行分析，探讨天津海岸流浪潮特征。应该指出，由于分 析期间天津出现较大风暴潮较少，观测数据及分析的精度受到一定影 响，有待于今后通过资料的丰富进一步完善。 3 1 天津近岸及堤前海流特征探讨 3 1 1 海流基本描述 海流是具有相对稳定速度的海水的流动，它是海水的运动形式之 一，对于海洋水文要素的分布和变化来说，海流是极为重要的影响因 子。海流按成因可分为四类：地转流、风海流、补偿流和潮流。地转 流是由于水体中密度的水平差异，从而产生水平压强梯度力，在科氏 力的共同作用下而产生的流动。风海流是在风的作用下所产生的流动。 由于水体流动，为使水体保持平衡而使另一地方的海水流动来补充， 这种海流称为补偿流。补偿流发生在垂直方向上，称为上升或下降流。 潮流则是在天体引潮力的作用下，海水在水平方向上的流动，潮流的 显著特点是具有周期性。天津近岸的海流主要以潮流为主。 3 1 2 海洋环流对渤海的影晌 提及海流特性，就必然涉及到海洋环流，海洋环流与黑潮密切相 关。天津近岸的海洋水文特征与黑潮应当是相关的，而且天津的陆地 水文也或多或少与黑潮有关。黑潮起源于东北信风，在东海内有两个 分支，其一是台湾暖流，在台湾东北海域分出，沿闽浙外海北上，对 著名的舟山渔场的资源形成起到决定性作用：其二是对马暖流，在黑 潮流出东海处，有一北上分支，经朝鲜海峡进入日本海，成为日本海 一支强大的暖流。 对马暖流在济州岛南方分出一小支，从济州岛西南进入黄海，成 为黄渤海区环流的主干，通常称黄海暖流，它大致沿东经12 4 。线北上， 在北黄海转折通过渤海海峡进入渤海，给渤海、黄海区带来了高温、 高盐的外海水，对更新这个海区的海水起着重要的作用。 黄海暖流没有黑潮主干那样明显的海流特征，也没有对马暖流那 样大的流速，但在温盐分布上却呈现明显的高温、高盐水舌，从黄海 天津大学工程顿十论文 一直伸展到渤海。由于黑潮起源于赤道附近，无论哪个分支都具有高 温特性，它对内陆降水也将起到作用。有的学者根据相关研究，天津 地区乃至华北地区大旱时机，黄海暖流减弱。 3 1 3 余流及渤海湾夏季环流系统 夏季，在余流的水平分布上，底层较表层有规律。大沽灯塔周围 表底层均为偏东流；曹妃甸外海及其相对的套儿河口外海，表底层流 向一致，为西北偏西流，因此在渤海湾形成一个南进北出顺时针的环 流出流。在曹妃甸处有一个涡漩，压迫出流的的路线南移。 春秋季，环流模式有所变化，大沽灯塔北表层为偏北，底层为偏 南流，歧口外海为偏北流，南堡外海为偏南流，底层为东北流，同夏 季一致，曹妃甸外海表层为西北流，底层为东北流。 3 2 天津近岸及堤前海浪特征 3 2 1 海浪的基本描述 海浪主要有风浪、涌浪和近岸波三种。按照水深相对波长的大小， 可将海浪分为深水波和浅水波，如果水深相对波长很大，则称为深水 波；以后我们将看到，由于这种波动主要集中在海面以下一个较薄的 水层内，故又称为表面波或短波；按生成的原因，可分为风浪、潮波、 海啸等。 3 2 2 波浪观测及计算分析 根据2 0 0 0 年、2 0 0 1 年大神堂、蛏头沽、永定河口、海河口、海滨 浴场、独流减河口等观测点波浪原型观测结果( 见表3 1 ) ，对水深、 风速以及风区长度等资料，我们进行归类对比分析，整理得出了天津 近海波高( 包括h s ，h m 。，h m ) 与水深、风速和风区长度的经验公式 和诺莫图( 图3 1 3 3 ) 。 h 。= 0 0 1 3 4 v ”5 f “3 d “4( 3 1 ) h o = 0 0 1 6 2 v o ”f ”d “ ( 3 2 ) h 。= h 1 = 0 0 1 9 3 v o ”t f o 3 d “4( 3 3 ) 式中 h ，：表示有效波高( h 。) ，单位：米 h 。：表示1 0 大波波高，单位：米 ：表示1 大波波高( 最大波高) ，单位：米 v ：风速，单位：米秒 f ：风区长度，单位：公里 d ：水深，单位：米 天津大学工程硕士论文 d ： 水深，单位：米 分析最大波高( h 。) 经验公式的精度，从图3 1 3 - 3 和表3 一l 可以看出，上述经验公式能够很好的反映波浪浪高与风区长度、风速 之间的对应关系，计算值与原型观测误差相差很小，可以满足工程应 用需要。 表3 1波浪原型观测部分数据及计算值对比表 df 实测值( h ，)计算值( h 。) 绝对误差相对误差 ( 米) ( 公里)( 米秒)( 米)( 米)( 米) ( ) 1 51 080 3 5 00 3 2 7o 0 2 37 1 9 1 52 080 4 0 00 4 0 20 0 0 2一o 5 0 1 53 08o 4 7 00 4 5 4 o 0 1 63 5 2 海 1 55 08o 5 4 00 5 2 90 0 1 l2 0 4 河 21 08o 4 0 0o 3 6 6o 0 3 49 1 8 口 22 08o 4 7 0o 4 5 l0 0 1 94 2 0 23 08o 5 2 00 5 0 9o 0 1 12 0 9 25 0 8o 6 0 0 o 5 9 4 0 0 0 61 0 5 、 1 1 41 1o 4 2 0o 4 1 60 0 0 41 0 5 水 13 21 1o 5 5 0o 5 3 30 0 1 73 2 6 定 1 52 2 9o 4 7 0 0 4 6 3 o 0 0 71 5 9 河 1 55 09 0 6 0 0 o 5 9 2o 0 0 81 3 8 口 1 55 01 4 0 7 8 00 9 0 1一o 1 2 i1 3 3 9 蛏l1 28o 3 0 10 2 9 30 0 0 82 6 4 l1 88o 3 3 8o 3 3 1o 0 0 72 0 6 l2 48 o 3 6 5 o 3 6 l o 0 0 41 1 0 头 14 08o 4 2 6o 4 2 lo 0 0 51 2 3 11 9 9o 3 8 4 o 3 7 6 o 0 0 82 0 0 1 3 09o 4 3 7o 4 3 2o 0 0 51 2 2 沽 15 09o 5 1 10 5 0 30 0 0 81 5 4 16 09o 5 5 4o 5 3 2o 0 2 24 2 3 15 09 o 5 0 0 o 5 0 3 o 0 0 30 6 4 18 01 0o 6 5 00 6 4 0 o 0 1 01 4 9 12 11 2 o 5 2 0 o 5 1 0 o 0 l o1 9 9 1 3 01 20 5 8 70 5 6 70 0 2 03 4 5 天津大学工程硕士论文 df 实测值( h 。)计算值( 1 f 。)绝对误差相对误差 ( 米)( 公里)( 米秒)( 米)( 米) ( 米) ( ) l8 01 5o 9 5 l0 9 4 1o 0 1 01 0 2 11 0 01 51 1 2 91 0 0 7 0 12 2 1 2 1 6 l8 01 6l ，0 3 01 0 0 10 0 2 92 9 l 1 56 01 30 9 0 2o 8 8 7o 0 151 7 5 1 57 01 30 9 6 90 9 2 80 0 4 l4 3 6 1 52 01 50 7 2 3o 7 3 00 0 0 71 0 2 1 53 01 5o 8 4 5o 8 2 5 o 0 2 02 4 3 l 。54 01 50 。9 0 10 。8 9 9 o 0 0 2o ，1 9 1 5 1 0 01 61 3 0 l1 2 5 9 0 0 4 2 3 _ 3 6 1 58 01 61 1 9 31 1 7 70 0 1 61 3 5 1 55 01 61 0 5 01 0 2 2o 0 2 82 7 0 1 58 09o 7 0 00 6 8 1o 0 1 92 7 2 1 58 01 31 o o oo 9 6 6 o 0 3 4 3 4 7 18 01 61 0 0 01 0 0 1o 0 0 1一o 0 9 1 8 0 1 2 0 8 0 00 7 6 2o 0 3 85 0 5 独 18 080 5 0 0o 5 1 8o 0 1 83 4 9 流 12 01 7o 5 5 00 7 0 00 1 5 02 1 3 7 减 l3 0l o0 5 0 00 4 7 7o 0 2 34 7 8 河 12 01 0 0 4 0 0 0 4 2 3 一o 0 2 35 3 3 口 21 0 01 l1 0 0 0o 9 8 9 0 0 1 11 0 9 25 01 1o 8 0 0 0 8 0 30 0 0 30 4 4 11 51 40 5 5 00 5 3 40 ，0 1 63 0 8 12 090 4 0 0o 3 8 2o 0 1 84 6 3 海 12 01 2o 5 0 00 5 0 2o 0 0 20 4 9 滨 12 01 4o 6 0 00 5 8 2o 0 1 83 1 5 浴 14 09 50 5 0 00 4 9 5 0 0 0 5 o 9 2 场 14 01 5 0 8 0 0 0 7 6 5 o 0 3 54 6 2 15 09o 5 0 0o 5 0 3 0 ，0 0 3 0 6 4 9 天津大学工程硕士论文 h m ( n ) 3 0 2 a 1 8 0 9 0 g 0 7 0 6 玑5 0 4 口3 o 2 0 1 h r q ) 3 o 2 日 1 0 0 9 0 b 0 7 d 6 d j 日4 0 3 0 2 海河口 j 渡河口 曩 錾援 - 一， ， 一一 ，1 - ， ， 一一r ， * 蛏头沽 荔季 一 一一b l 独漉碱河 - 海滨搭 | 玉 、 ， 0 厶 ， 一一 一一：二么匆一 一， 一彳 - 乏圹 彳 ，1 7 q 曲w 。一 一一f 一么钐 一 一 一， 一 一一一 ；侈 ? ， 一一 一彳 一， 2345 67891 02 0躺 6 08 n1 0 n 2 伽 f ，v ( k m ，m s ) 图3 1h = - f ，v 关系图( d = 1 o 米) o 诲河o e 采定河1 ：3 。守 二一 嚣 ，j p ， 霎 ， 一7 一 ，一 b 蛏头诂 琴兰_ ，一 ， - 独渡砷| 河 蓬 海滨播场 一一一参镌 弓二乙圹 ：f z 二二厂 一卜7 一一 二，歹多么少7 寺l 一? 乡；么 ， 2345 67 89 1 妇 2 04 06 日8 01 0 02 0 0 f ，v ( k m ，i n s ) 图3 - - 2h , - f ，v 关系图( d = 1 5 米) o 天津大学工程硕士论文 h “n ) i0 2 0 。斌 诲河口 挂诚减河 荔囊匿 一 ：茹! 一 ，一， 一 ， 荔墨茎 毛 ， ， 一 一 一一 一， ， 一 刍j 二 一， ， 尹一一衫厂z ， o ， 二乡7 l ，一 一；尹 2 0 4 06 08 01 d 02 0 由 f vr k m m s 1 图3 - 3i i , - f ，v 关系图 3 3 天津近岸及堤前潮汐特征 3 3 1 天津近岸的潮汐系统 天津近岸的潮波属于渤海潮波系统，是太平洋潮波经东海、黄海 传入渤海后形成的协振潮，除南堡和歧口为正规半日潮外，其余各处 均属不规则半日潮。 天津近岸属浅海海区，由于潮波在浅水区变形，还要引入浅水分 潮。据综合调查成果分析，天津沿海的浅水潮十分显著，虽然m 。 浅水分潮振幅不足1 1 厘米，但日。h 。值均在0 0 5 0 1 3 之间，即m 。 浅水分潮振幅约为m 。分潮振幅的5 1 3 ( 见图3 4 ) 。 平均潮差，大湾顶大于大湾口，涧河口最大为2 5 l 米，天津新港 2 4 9 米，基本呈现北大南小的特征( 见图3 5 ) ，这与我们所做的数学 模型计算结果一致。 3 3 2 天津近岸潮汐特征 塘沽沿海潮汐为半日潮，一昼夜两次，一次略大，一次略小。每 月有两次大潮和两次小潮，大潮在农历初三和十八前后，小潮在农历 初十和二十五前后，涨潮时间5 6 小时，落潮时间6 7 小时，全年7 、 8 月份潮位最高，1 月份潮位最低。平均潮差2 4 7 米，最大潮差4 3 7 米，最高高潮位5 7 2 米( 大沽，i 9 6 5 ) ，最低低潮位一1 0 8 米( 1 9 5 7 ) 。 0；6 5 4 3 2 1 0 a 0 0 0 0 0 0 扫 图3 - 4 天津大学工程硕士论文 天津沿海浅水分潮沿岸分布图 扫 图3 5渤海湾潮差沿岸分布图 1 2 天津大学工程硕士论文 塘沽沿海潮流通常是回转流( 俗称八卦流) ，即随着潮水涨落，水 流方向按逆时针方向逐渐改变，涨潮成西北向，落潮成东南向，港内、 河内潮流流向基本与航道、河道平行，潮流近岸较弱，远岸较强，最 强流速每小时2 海里左右。 汉沽区近岸为不规则半日潮，每昼夜涨落各两次，一次略大，一 次略小。每月有两次大潮，分别于农历初三和十八前后出现，每月又 有两次小潮，出现于农历十一和二十六前后，一年中月平均最高潮出 现在8 月，最低潮出现在4 月，极端月最高潮为1 9 8 4 年1 1 月5 5 8 米。 汉沽近岸海流的主要成分为潮流和风海流。海流流速大潮期间大 于小潮期间，一周日中第一个涨潮过程的流速大于第二个涨潮过程的 流速，涨潮期间的流速大于落潮期间的流速。垂线上的流速分布，基 本上是从上往下流速逐渐减弱，垂线各层平均，最大流速的流向涨潮 期间偏北向，落潮基本偏南向。 大港近岸潮汐与汉沽和塘沽近岸潮汐大致相同，属不规则半日潮， 一日有两次潮汐，每月有两次大潮，两次小潮。涨潮流速大于落潮流 速，差值o 0 5 0 1 0 米秒，平均高潮位为3 7 7 米，平均低潮位为1 5 2 米，平均潮差1 5 1 米，最大潮差3 8 5 米。 3 3 3 天津近岸最高潮位 天津沿海地区设有海河闸、蓟运河闸、宁车沽闸及工农兵闸等水 利部门潮位观测站，此外也有航运和海洋部门的潮位观测站。潮位资 料最早的为北炮台站，从1 9 0 4 年起即有潮位观测，一直到建海河防潮 闸止( 1 9 5 8 年) ，1 9 5 9 年后采用海河防潮闸下潮位观测资料进行延续。 报告选择海河闸下、蓟运河闸下、工农兵闸下三个系列较长的近 岸潮位观测站的资料进行分析，其中海河闸下的1 9 5 8 年前的资料采用 北炮台的资料。计算分别采用了g u m b e l 和p i i i 型两种方法进行，通过 对比认为，g u m b e l 分布和p i i i 型分布所得到的某一级别的潮位出现的 机率是相近的，因此两种线型都可采用( 表3 2 为p i i i 型潮位计算表) 。 通过计算分析，认为天津近岸最高潮位具有如下特点： 蓟运河闸、海河闸及工农兵闸下的潮位在不同重现期下的最大潮 高基本相同。说明天津近岸同属太平洋天文潮经黄渤海传入近岸的协 振潮。由于渤海湾内没有无潮点，湾内的高潮时几近同时发生。这是 由于天文潮尺度远远大于天津沿岸总长度。 天津沿海一年内大于5 0 0 米潮位的机率为o 0 4 ( 海河闸下潮位 为例) ，出现4 5 0 米潮位的机率为4 o 。千年一遇的潮位5 2 0 米左右， 百年一遇的潮位在4 _ 8 0 米左右。 大于4 o o 米的年最高潮位2 3 年有17 年出现在风期( 7 、8 、9 月 份) ，计算的最大潮位系列均值3 8 6 米非常接近风期最大潮位系列均值 3 7 9 米，这也蜕明每年潮位最大值发生在风期的可能性较大，这一特征 天津大学工程硕士论文 与天津地区的特点相吻合。 最大潮位系列均值3 8 6 米，比风期最大潮位系列均值3 7 9 米略大， 说明统计系列中年内最大潮高不全是发生在风期。通过资料分析发现 1 1 月份也是一个高机率月份。究其原因，主要是西伯利亚冷高压造成 的风壅水叠加于大潮之上造成的。 年内最大潮高( 包括风暴潮) 发生过程中，各测站最高潮位出现 时间及潮高有一定的差异，表现为特殊性。但从各站年最大值统计来 看，其c v 和c s 及均值又基本一致，从不同重现期的潮位值来看相差 不大，表现出各站的统一性。 表32天津近岸各站不同保证率下的最高潮位表 保证率重现期蓟运河闸海河闸下 六米站 工农兵闸 ( )( 年)( 米)( 米)( 米)( 米) 1 1 0 04 8 54 7 95 1 04 - 8 8 25 0 4 6 9 4 6 44 8 2 4 7 1 5 2 0 4 4 64 4 4 4 5 8 4 4 9 1 01 0 4 3 l 4 2 7 4 4 04 3 3 2 0 5 4 1 14 7 94 2 34 1 3 5 0 2 3 8 43 8 93 9 03 8 6 7 5 1 3 3 3 6 53 6 33 7 33 6 7 9 01 1 l3 。5 33 5 13 6 33 5 5 9 91 3 3 8 3 3 4 3 5 53 3 9 c v = 0 0 8 均值( 1 i p ) 3 3 83 8 63 9 63 9 0 c s = 1 0 0 3 4 海流及潮位过