（水利工程专业论文）天津市滨海近岸流浪潮特性研究.pdf

摘要 摘要 天津位于渤海湾顶部，海岸线i 5 5 k m ，潮滩3 k m 至8 k m 左右。滨海滩涂辽 阔，总面积1 0 0 0 多万亩。但是滨海地区地势低洼，易受海潮的侵袭。因此海挡建 设是迫在眉睫的工作。海挡规划设计所需的海洋水文参数也是追在眉睫的科研任 务。 本项研究通过对天津滨海和近海区流、浪、潮的特性等方面开展研究，直接 为海挡建设的规划设计提供技术参数。为经济适用的海挡工程结构型式的规划设 计提供理论依据。 1 本项研究是为海挡工程修建的规划设计及施工提供理论基础和技术服务。 紧紧周绕海挡工程建设所需的参数及诸如不同重现期的海挡高程、海挡型式进行 研究的。 2 本项研究通过天滓滨海近岸流浪潮的资料分析、现场观测、模型实验等手 段，对天津滨海及近海地区的海流、波浪、潮汐的特性进行了深入研究与分析。 3 在原有资料和实地观测资料的基础上，利用虚拟流动法建立数学模型，对 不同重现期( 二十、五十、百年一遇) 下天津近海岸的潮汐进行计算分析，并根 据实验结果和泥沙理论，对天津近海几个不同岸段首次进行了冲刷、淤积分析， 得到的结论与实际情况吻合良好。 4 该项研究采用现场调查与数值模拟的方法，计算了不同工况下渤海湾的流 场分布情况，计算得出了天津近岸不同重现期的潮高，为海挡建设中堤顶高程的 确定提供了技术参数。采用原型观测和统计分析方法建立了天津近岸波浪要素预 报的经验公式；并依据潮流玫瑰图分析确定了天津海岸带的冲刷与淤积岸段。 5 利用物理模型实验，根据海挡计算结构形态，分别在不同海况、水位条件 下，模拟挡前冲刷和结构稳定实验方案。探讨了规则波( 破碎与不破碎) 条件下， 多种型式海挡波压力分布以及波浪对海挡的冲击速度；探讨了不规则波条件下， 多种型式海挡压力分布：研究了规则破碎波作用下海挡前沙质海床的冲刷。 关键词：海挡海流波浪潮汐数值模拟 a b s t r a c t a b s t r a c t t i a n j i nl i v e si nt h et o po f t h e b o h a ib a y , h a s15 5k m 1 0 n gc o a s t l i n ea n d3t o8k r a 1 0 n gt i d a lb a n k t h e 厅o n t b e a c hi sl a r g e m o r et h a n1 0m i l a c b u tt h ef r o n t b e a c hi s e a s yt ob ea t t a c k e db yt h et i d ed u et oi t sl o we l e v a t i o n s ot h ec o n s t r u c t i o no ft h e b r e a k w a t e r si sa nu r g e n tw o r k t h es t u d yo ft h eh y d r o l o g i c a lp a r a m e t e ru s i n gi n d e s i g n i n gb r e a k w a t e r s ，b e c o m e si n s t a n t t h ei n v e s t i g a t i o ni sb a s e do ni n v e s t i g a t i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fb e a c h f r o n to c e a n c u r r e n t s ，w a v e sa n dt i d e si nt i a n j i n t h er e s u l tc a l lo f f e rt h et e c h n i c a lp a r a m e t e r s u s i n gi nd e s i g n i n gb r e a k w a t e r sa n dt h e o r e t i c a lb a s i su s i n gi nc o n s t r u c t i n ge c o n o m i c a l b r e a k w a t e r s 1t h ei n v e s t i g a t i o no f f e r st h e o r e t i c a lb a s i sa n dt e c h n i c a ls e r v i c e sf o rd e s i g n i n g a n dc o n s t r u c t i n gb r e a k w a t e r sp r o j e e t s t h ei n v e s t i g a t i o ni sb a s e do nt h ep a r a m e t e r s u s i n gi nc o n s t r u c t i n gb r e a k w a t e r sp r o j e c t s ，j u s tl i k e t h ee l e v a t i o na n dt y p eo ft h e b r e a k w a t e r si nd i f f e r e n tr e t u r np e r i o d 2b yt h ew a yo fa n a l y z i n g ，o b s e r v i n ga n de x p e r i m e n t i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co f b e a c h f r o n to c e a nc u r r e n t s ，w a v e sa n dt i d e si nt i a n j i n ，t h ep a r t i c u l a ri n v e s t i g a t i o na n d a n a l y s i sh a sb e e na c h i e v e d 3t h es i m u l a t i o no fb e a c h f r o n tt i d e i nd i f f e r e n tr e t u r np e r i o d ( t w e n t y - y e a r , f i f t y y e a r , o n eh u n d r e d y e a r ) h a sb e e nc a r r i e do u ti nt h eo l da n dn o wo b s e r v i n gd a t a t h en u m e r i c a lm o d e l i sb a s e do nt h em e t h o do ff i c t i t i o u sf l o w t h es i m u l a t i n gr e s u l t s o fe r o d i n ga n df i l l i n gu pi nd i f f e r e n tb a n ki sc o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n tr e s u l ta n d t h es i l tt h e o r y , t h e ya r ea c c o r d a n t 4b yn q e a n so fs c e n es u r v e ya n dn u i n e r i c a ls i m u l a t i o n t h ed i s t r i b u t i o no ft h e f l o wf i e l di nd i f f e r e n tw o r k i n gc i t e sh a sb e e ns i m u l a t e d ，a n dt h eh e i 曲to ft h et i d ei n d i f f e r e n tr e t u r np e r i o dh a sb e e nc a l e u l a t e d t h er e s u l ti su s e f u lf o rc o n f i r m i n gt h et o p e l e v a t i o no ft h eb a n ki nc o n s t r u c t i n gt h eb r e a k w a t e r s t h ee m p i r i c a lf o r m u l ao f p r e d i c t i n gt h ed e v e l o p m e n to fw a v ei ns h o r eh a sb e e ns e tu pb ym e a n so fp r o t o t y p e o b s e r v a t i o na n ds t a t i s t i c a lm e t h o d t h eb a n ko fe r o d i n ga n df i l l i n gu ph a sb e e n a n a l y z e dm a d t h e nc o n f i r m e db a s e do nt h er o s e 5t h ee x p e r i m e n t a lp l a no fe r o d i n gb e f o r eb r e a k w a t e r sa n dt h ec o n f i g u r a t i o n s t a b i l i z a t i o nh a sb e e ns i m u l a t e di nt h ec o n d i t i o no fd i f f e r e n tw o r k i n gc i r c sa n dw a t e r l e v e l ，t h ep l a ni sb a s e do nt h ep h y s i c a lm o d e le x p e r i m e n ta n dt h ec o n f i g u r a t i o nt y p e o fb r e a k w a t e r s ，t h ed i s t r i b u t i o no fw a v ep r e s s u r e ，t h ep e r c u s s i v es p e e df r o mw a v e a n dt h ee r o d eo fs a n d i n e s ss c a b e dh a v eb e e nr e s e a r c h e du n d e rt h ea c t i o no fr e g u l a r w a v e ( h r o k e na n ds t a n d i n gw a v e ) a n di r r e g u l a rw a v e k e yw o r d s ：b r e a k w a t e r , s e a - c u r r e n t ，w a v e s ，t i d e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 独创胜说明 独创性声明 本人声明所呈交的学位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注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘叠盘鲎或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。 躲卸 签字日期：多呼。月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盎基茎 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘盗盘堂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存、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 勃解 签字r 翳：砾9 月日 导师签名：多 ，帮民 导师签名：了；张氏 签字日期：日f 年月f r 第一章概述 第一章概述 天津位于渤海湾顶部。海岸线南起歧口，北至涧河口，约1 5 5 k m ( 图1 一1 ) ， 潮滩宽3 k m 至8 k m 左右。改革开放以来滨海地区的开发建设蒸蒸日上，一日千里， 许多昔日不毛之地已经被开发建设起来或即将进行开发建设。但滨海地区地势低 洼，易受海潮的威胁。1 9 9 2 年9 月发生的风暴潮，使我市近1 0 0 k m 海堤漫水，被 冲毁海堤4 0 处，大量水和工程被毁，沿海三区大型企业均遭受严重损失，造成 直接经济损失4 亿元。1 9 9 6 年1 0 月3 0 日、1 1 月1 1 日，渤海湾相继出现两次强 风暴潮，由于我市海挡防潮标准不足十年一遇，塘、汉、大三区又遭受不同程度 的损失。因此海挡建设是迫在眉睫的工作。海挡规划设计，也是迫在眉睫的科研 课题。特别是已建成的和即将进行建设的海挡工程的后评价，更应当引起重视。 天津在过去特别是建国以来，政府在海挡工程中投资巨大。可是经过年复一 年的浪潮破坏，有些老的工程已经坍塌崩溃不堪重负了。而有些新的工程由于设 计和施工等种种问题，也受到了不同程度的破坏，如某些地段的海挡工程，在并没 有遇到较大的浪潮的情况下，其海挡外的护脚毛石松动，灰缝脱落，造成海潮侵 蚀墙身形成险工险段。浪潮的破坏力相当惊人，海浪曾把1 3 7 0 t 重的混凝土块 移动了】o m ，2 0 t 的重物被海浪从4 m 深的基底拔出来又扔到岸上可见其破坏力的 巨大；在一次风暴潮中，天津海滨浴场的一段厚4 0 c m 的混凝土挡墙，沿距墙顶 3 0 c m 的断面，被海浪冲击破坏并向后错动了l o c m ，粗估其的破坏力每m 竟达2 0 t ! 近年来，随着经济的不断发展，天津的经济重心开始向滨海新区转移。滨海 新区由塘沽区、汉沽区、大港区及东丽和津南部分区域组成，总面积约2 2 7 0 k m 2 ， 城区规划面积3 5 0 k m 2 。滨海新区规划区海运、河运、铁路、公路交通发达，因此 发展前景十分看好。为了使投资商能有一个良好的投资环境，吸引更多的投资商， 天津滨海地区的环境需要改善。鉴于其特殊的地理位置，市水利局提出了“利用 海水改善滨海新区水环境”这样一个规划思路，即利用沟渠系统将海水引入滨海 新区内，力求营造一个碧水蓝天的优美环境。要进行此规划，必须对天津滨海地 区流、浪、潮有一个全面详细的研究。 以往有关流浪潮方面的研究，主要是研究探讨5 m 线以下的深水区域。对于 海挡前浅水区域流浪潮特性的研究，还从未有人进行过细致的研究。而从海挡建 设的需要来看，挡前的海况资料是十分重要的。本项研究通过对天津滨海近岸流、 第一章概述 浪、潮的特性等方面开展研究，直接为海挡建设规划设计服务。根据本项研究成 果，结合海岸不同岸段的情况，提供准确的流浪潮的设计参数，为经济适用的海挡 工程结构型式的设计提供理论依据，同时也为“利用海水改善滨海新区水环境” 的工程规划提供理论依据。 主要研究的问题有： ( 1 ) 天津市滨海近岸区海流的基本特性研究。 ( 2 ) 天津市滨海近岸区潮汐和风暴潮的基本特性研究。 ( 3 ) 天津海岸近岸区海浪的基本特性及其破坏力探讨。 ( 4 ) 海岸工程抵御流浪潮破坏对策探讨。 采取的技术路线及预期目标是： 调研收集天津滨海沿岸和浅海区的流、浪、潮的资料和历史潮灾的破坏及影 响范围：在天津海岸线设7 个观测站( 分别为神堂南、蔡家辅东南、蛏头洁东、 百米段、海河口、工农兵防潮闸东北和子牙河口东南) 对流浪潮进行现场观测， 现场观测风暴潮的数据、分析确定浪潮的统计特征值：通过现场观测的方法确定 沿岸和近岸流、浪、潮的基本特征，并结合调研收集整理以前的资料，分析确定 沿岸和近岸流、浪、潮的基本特征量，并逐步验证完善；建立数学模型，模拟预 报近岸的潮、流变化情况，以及风暴潮潮高和天津沿岸各岸段潮位的变化规律； 通过现场观测和模型试验的方法确定浪、潮的破坏力，给出海挡建设所急需的技 术参数，包括不同海挡的受力情况及海挡建设型式的优化。 第一章概述 图卜i 天津海岸带示意图 第= 章天津滨海及近岸基本情况 2 1 地理情况 第二章天津滨海及近岸基本情况 天津市海岸带位于渤海湾西岸。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”1 。 新生代以来，天津市海岸带在内外营力的作用下，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营力创造的产物， 主要一级地貌类型可划分为：陆地堆积平原、潮问带和水下岸坡。 2 1 1 潮间带 位于高低潮浅间，基准面高程o 35 m ( 大沾高程为一1 o 25 m ) ，宽度3 0 0 0 7 3 0 0 m ，坡降0 4 14 ，天津市境内的面积3 7 03 2 0 k m 2 。根据水动力作用的差异 和形态特征，可划分为潮间浅滩、河口凸滩两个二级地貌类型”l 。 f 1 ) 潮问浅滩。潮问浅滩是潮间带主要部分，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沙滩。 ( 2 1 河口凸滩。主要在海河、蓟运 可河口地段，呈扇形凸潍向海突出，平均 坡降1 1 。海河河口的凸滩称为大沽沙，蓟运河河口的凸滩称为圆沙“。 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f 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、潮脊与潮沟等。 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1 ”。 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1 ”。 第二章天津滨海及近岸基本情况 2 1 地理情况 第二章天津滨海及近岸基本情况 天津市海岸带位于渤海湾西岸。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“”1 。 新生代以来，天津市海岸带在内外营力的作用下，历经沧桑，迄今处于巨厚 松散沉积物之上豹地貌形态，基本为全新世海陆变迁过程中外营力创造的产物， 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 位于高低潮浅间，基准面高程o 3 5 m ( 大沽高程为一1 o 2 5 m ) ，宽度3 0 0 0 7 3 0 0 m ，坡降o 4 1 4 o ，天滓市境内的面积3 7 0 3 2 0 k m 2 。根据水动力作用的差异 和形态特征，可划分为潮间浅滩、河口凸滩两个二级地貌类型“1 。 ( 1 ) 潮问浅滩。潮间浅滩是潮间带主要部分，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沙滩。 ( 2 ) 河i z 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 。海河河口的凸滩称为大沽沙，蓟运河河口的凸滩称为圆沙“”。 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、潮脊与潮沟等。 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引。 4 第二章天津滨海及近岸基本情况 ( 1 ) 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、平缓。 ( 2 n 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，坡度较大。 ( 3 ) 冲刷型海岸。主要分布在蛏头沽一大神堂岸段，海岸滩面宽度小( 3 5 k i n 左右) 坡度大，冲刷带直抵岸堤，岸堤有冲刷淘蚀现象”。 2 2 气候、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【4 。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， 也存在明显的只变化。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 2 1 风 白天 图2 - 1 海陆风风向示意图 ( 图中t 代表温度；p 代表密度) 晚上 海 ( 1 ) 风向和风速。 受西伯利亚冷高压和西太平洋副热带高压的影响，天津市的风向风速变化有 着较明显的规律。冬天副热带高压南退，西伯利亚冷高压侵境频繁，冷高压中心 位于蒙古一带，天津地区多北转西北风，夏天受副热带高压影响盛行东到东南风。 春秋两季为两大型天气系统交换时期。 第二章天津滨海及近岸基本情况 图2 - 2 风向示意图 平均风速的变化，月均最大值为4 7 m s ( 4 月) ，月均最小值为2 5m s ( 8 月) m 1 。 ( 2 ) 海岸带风向变化。 7 月份陆风( s w - n ) 从4 时开始，8 时最盛，s w - n 风向频率达7 0 ；海风 ( s s e - e n e ) 1 3 时开始，1 5 时最盛，s s e e n e 风向频率为9 7 。1 月份陆风( s w n ) 从1 时开始，8 时最盛，s w - n 风向频率达9 0 ：海风( s s e e n e ) 从1 4 时开始， 1 6 时最盛，s s e e n e 风向频率达9 3 “。 2 2 2 台风及风暴潮 台风很少在天津一带登陆，台风按行进路线一般分成三种类型，第一种类型 是在太平洋西部形成后，平移登陆，在北海、越南一带登陆；第二种类型在广东、 福建、浙江一带登陆；第三种类型为北上型，即便是北上型也很少造访渤海湾， 因为若抵此地，多数情况下要经山东半岛，越过山东半岛后，由于陆地摩擦，台 风气力大减，一般情况下，变成低压中心而消失。但如果北上型台风在山东带 并未登陆，而且北上越过对马海峡进日本海，此时，如果西伯利亚气团西移必将 吸引台风西进，到时就会在天津一带登陆。距四十多年的台风资料，我市沿海仅 有一次强台风登陆，1 9 7 2 年3 号台风。这次台风就是从日本沿着山东半岛的北 部进入渤海的。7 月2 7 日7 8 时在塘沽北大港登陆，风力有记载的为9 1 0 级。 此时台风引起的风暴潮比平时海潮高4 0 c m ，致使部分海挡坍塌，码头进水，许 多电线杆被刮倒，导致通信中断，许多财产受损，另外全市普降暴雨。 风暴潮系由台风、温带气旋、冷锋的强风作用和气压骤变等强烈天气系统引 起的水面异常升降现象，又称风暴增水或气象增水或气象海啸。风暴潮是一种巨 大的灾害，由于特定的地理条件和天气特征，渤海湾的风暴潮也比邻近的海区厉 害口 。根据天津市水利志记载： 据明景泰元年( 1 4 5 0 ) 至1 9 9 0 年统计，渤海西部共发生风暴潮6 7 次，其中 第二章天津滨海及近岸基本情况 清咸丰十年( 1 8 6 0 ) 至1 9 8 5 年共2 6 次。据光绪十六年( 1 8 9 0 ) 至1 9 8 5 年的2 0 次统计，发生在4 、9 、1 1 月各1 次，7 月4 次，8 月1 1 次，其它月份均为0 。风 暴潮的成因大多数是台风造成的，民国六年( 1 9 1 7 ) 以来共发生1 1 次风暴潮，8 次受台风影响( 不一定在天津登陆) ，3 次是向岸风( 东北偏东大风) ，引起天文 风暴潮一般情况下与天文潮相关。见表2 1 。 表2 - 1 阴历逐日风暴潮次数表( 1 8 9 0 1 9 8 5 ) 阴历 123 45 6789 1 01 11 2 1 31 41 5 风暴潮 133 11113 次数 1 61 71 8 1 92 02 l2 22 32 42 52 62 7 2 8 2 9总 阴历 计 风暴潮 2 2 1l2 0 次数 望月前后( 1 3 1 7e t ) 出现9 次，占总数4 5 ：朔月后2 4 天出现7 次， 占3 5 ；在上下弦前后各出现2 次，各占1 0 ，可见有8 0 的风暴潮是出现在 朔月后或望月前后两天内。 2 3 陆地水文 天津市海岸带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。但近年来，由于上游对海河流域水资源的开发利用，平枯水年份基本上 断绝了天津的用水，制约了天津市的发展。 2 3 1 天津海岸入海大河简况【7 】 ( 1 ) 蓟运河。流域面积9 9 5 0k m 2 ，上游有州河、洵河在宝坻九王庄汇合，九王 庄至蓟运河防潮闸1 5 2k m ，中间还有还乡河汇入。 ( 2 ) 潮白新河。流域面积1 9 5 5 9k m 2 。上游有潮河、白河在密云水库流经顺义、 香河至天津宁车沽入永定新河。自香河的吴村闸至宁车沽为潮白新河，全长1 0 2 k m ，中间有引洵入潮和引青入潮汇入。 ( 3 ) 北京排污河。全长9 2 1 a n ，7 1 年完工。在天滓东堤头汇入永定新河，天津 境内长7 4 k m 。 ( 4 ) 永定新河。7 1 年新辟河道，自屈家店分洪闸至河口全长6 5 k m ，除宣泄永 第二章天津滨海及近岸基本情况 定河的洪水外，还纳北排河、潮自新河及蓟运河的洪水入海，是天津唯一没有防 潮闸控制的水量较大的入海河道。由于海潮携带大量海沙，造成永定新河下游河 段严重淤积。 ( 5 ) 海河干流。由三岔口至大沽口入海，全长7 2 k i n ，承接北运、大清、永定、 子牙及南运河五大水系来水。5 8 年建防潮闸，海河由潮汐河道变为以蓄水为主 的多功能河道，二道闸建成后，闸上保水，闸下通航。 ( 6 ) 独流减河。独流减河是1 9 5 3 年开挖的泄洪河，以宣泄大清河水系洪水入 海为主，6 9 年扩挖后，设计泄洪流量3 2 0 0m s ，校核流量3 6 0 0r r d s 。 ( 7 ) 子牙新河及北排河。6 5 年海河出现特大洪水新辟的泄洪入海河道，主要 功能是排泄沿途沥水。 ( 8 ) 青静黄排水河。运河以东，子牙新河以北的主要排沥河道，天津境内长 4 5k m ，设计流量2 1 5 m s 。 2 3 2 入海水量 据统计资料，年均入海水量，五十年代为1 4 4 1 0 8 m 3 ，六十年代为8 2 1 0 8 m 3 ，七十年代为4 5 1 0 8 m 3 ，八、九十年代锐减至1 0 1 0 8 m 3 左右。 2 4 海挡工程基本情况 海挡的保护范围为我市滨海新区中的塘沽区、汉沽区、大港区及天津经济技 术开发区、保税区等，一些大型的国营企业如天津港、大港油田及众多的集体企 业也在保护之中。这些地区对天津经济发展具有举足轻重的意义。滨海地区自然 资源相当富集。成片的滩涂、荒地有待开发，大港和渤海两个油田的石油和天然 气储量丰富，且开采价值较高。我市沿海盐业发展具有悠久历史，盐田总面积 4 0 0 万公顷，产量约占全国的1 5 。 滨海地区及其周围的地热、金属和非金属矿产也比较集中，为滨海新区工业 发展提供了有利条件。 位于塘沽区的天津港是我国三北地区的出海通道和东北亚地区通往欧洲大 陆桥运输距离最近的起点，天津港的建设、发展极大的促进了天津社会经济发展， 促进了塘沽区和全市商贸、金融的发展 泊位集装箱堆场堆存能力4 8 8 7 6 t e u t n 。 据2 0 0 0 年统计天津港口有5 1 个万t 级 港口进口量2 6 4 6 万t ，出口量6 9 3 6 万 结合滨海地区的旅游资源，以目前的海滨浴场为基础，修挡筑路重点建设滨 海娱乐城。娱乐城是以海洋为特色的集旅游、度假、海水浴等综合性多功能游乐 第二章天津滨海及近犀基本情况 区。 由于滨海地区是我市经济发展的重要地带，从而决定了海挡工程的重要意 义。 我市海挡自1 9 4 1 年开始修建，顶高程一般为5 o m 左右。由于历史上多次受 潮水及风暴潮侵蚀，部分海挡已失去防潮作用。建国以后，逐年进行了加高、加 固，1 9 5 8 年又曾进行了大规模加固，1 9 7 6 年地震后，对地震破坏段进行了修复。 1 9 8 6 年1 9 8 8 年市财政投资6 6 7 万元，沿海各受益单位也都投资投劳，加固维 修2 7 k m 。1 9 9 2 年大潮后，9 月2 日国家防总、市委、市政府主要领导也亲临现 场，研究部署抗灾抢险工作，北京军区、天津警备区的领导也都直接组织了这次 抢险，沿海各区及有关单位，用三天时间对被毁海挡紧急抢复，有效的抵御了第 1 7 号强风暴潮的侵袭。但现状海挡防潮能力仍然很低，存在不少问题。 目前海挡存在的主要问题有： 现状海挡标高低，且高程参差不齐，天津市要抵御2 0 年一遇的潮位，堤 项高程必须达到6 o m 。而海挡现在尚未达标的地段有8 0 多k m ，达标海挡仅有 5 0 多k m 。 防浪墙墙身单薄，有的地段砌筑质量差，部分石墙因常年受风浪动力作用 出现倒塌；有的地段护脚毛石松动，灰缝脱落，造成海潮侵蚀墙身，形成险工险 段，防潮能力下降。 砌石护坡多处破损。口门处设备陈旧，年久失修，与海挡的重要作用极不 相称。 我市地处“九河下梢”，东临渤海，地势低洼，特殊的地理位置使我市承受 着上游洪水，平原沥涝及海潮袭击的三重威胁。由表1 - 3 表1 - 4 可见我市历来 遭受潮灾之严重程度，特别是近年来沿海经济的飞速发展潮灾造成的损失会愈加 严重。为保证经济建设及滨海地区远景发展规划的实现，特别是保税区、开发区 的发展更需要加强防海潮工作，困此海挡建设势在必行。 近年来，市政府加大了海挡建设的投入，使部分海挡的防潮标准得到了提高， 但是天津市海挡的总体防潮标准还是偏低。由于天津市海岸带地域的特殊性，天 津滨海近岸的流浪潮特性较为复杂，加上长期以来对天津滨海近岸的流浪潮又缺 乏系统全面的研究，这样在海挡参数的选择与确定中必然会存在一些不完善或模 糊的因素，不利于选择经济合理的海挡型式。因此，全面准确的流浪潮资料是搞 好海挡建设的前提条件。本项研究是紧紧围绕海挡工程建设所需的技术参数对滨 海近岸流浪潮特性展开的研究，由此可以看出，本课题的研究也显得尤为迫切。 第三章天津市近岸流浪潮特征及海挡工程设计基础研究探讨 第三章天津市近岸流浪潮特征及海挡工程设计基础研究探讨 在涧河口、大神堂、蛏头沽、永定河口、海河口、独流减河口、歧口等观测 点( 地理坐标见表3 - 1 ) ，进行了原型观测。 表3 - 1 观测点地理位置表 地名涧河口大神堂蛏头沽永定河口海河口独流减河口歧口 n 3 9 。1 3 7 纬度 n 3 9 。1 2 n 3 9 。8 7 n 3 9 。6 n 3 8 。5 6 n 3 8 。4 5 n 3 8 。3 7 3 0 ” e 1 1 8 。2 e l l 7 o 4 7 e 1 1 7 。3 4 。 e l l 7 。3 3 经度 b 1 1 7 。5 6 e 1 1 7 。4 4 e 1 1 7 。4 2 3 0 ”3 0 ” 3 0 ”3 0 ” 8 2 0 m 试验百米试 备注 段验段 观测内容包括观测断面的地理地貌特征及高程等各项特征值；并且进行海 流、海浪、潮汐等海洋水文要素观测。现将观测内容结合海流、海浪、潮汐的基 本理论分别对天津市海岸带的海流、海浪、潮汐进行研究和探讨。 3 1 天津市近岸及挡前海流特征探讨 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 点是具有周期性一j 。 第三章天津市近岸流浪潮特征及海挡工程设计基础研究探讨 3 1 2 风海流 由于海水具有粘滞性，当风作用于海洋面上时，摩擦力便是风海流的主要动 力。海水一般总是处于涡动状态，即小水块可以自由的进出上下层水体，当小水 块由速度大的上层水进入速度小的下一层水时，它同时将自己的动量带入该水 层，从而使该水层的动量增加，同样可以遥层下传。这种作用与因海水的粘滞性 而形成的摩擦力相似，故称此作用为涡动摩擦。正是这种涡动摩擦构成了风海流 的主要特征。 图3 - 1 风海流的立体结构图 艾克曼( e k m a n ) 曾经根据摩擦力与科氏力相互作用下的无限深海风海流的 理论，推导了该海流的流速公式如下【1 0 】： l _ 3 圪8 1 。8 ( 4 5 。一以) ( 3 - 1 ) l = e ”s i n ( 4 5 。一) 式中，y 方向是风的方向，z 为水深，v o = 1 亍导，t y 为风的作用力，a ： 、2 f o ) a ：s l r l 妒 r i 一 为垂直偏动分量。a = 、旦竺旱婴，国为地球自转角速度。该式表明风海流的表面 v e l = 流向与风向存在一定的偏角，一般偏于风向右侧4 5 。角左右( 南半球相反) ，这 一结论在实测中也得到了验证。 根据艾克曼式可知，随着深度增加，流速指数减小，流向与风向间的右偏角 不断加大，在深度z = n a 处达到2 2 5 。，流向与表面流的流向正好相反，而数值 仅有表面流的4 ，3 ，该深度称为摩擦深度d 。 第三章天津市近岸流浪潮特征及海挡工程设计基础研究探讨 ( 3 2 ) 当水深大于d 时，风海流已经很小，可以忽略，若将风海流的矢量图画出 来，如图3 1 所示，在x y 平面上就可以得到一个艾克曼螺旋。 一般情况下，风海流的经验公式如下”】： v o ：辈型 s i l l 妒 r = 3 2 x 1 0 6 u 2 ( 3 3 ) d ：7 6 ，_ 4 s m 妒 式中，p 为纬度，u 为风速。应当讲上述各式是海洋无限深的情况下得到的结论， 或者说涡动摩擦远远不及海底。但天津近岸深度比较浅，大致与摩擦深度同阶或 小于摩擦深度，这时海底的摩擦将起到很大的作用。艾克曼指出，浅海中的风海 流表面流的方向与风向的夹角比无限深海小，流向随深度的变化也比较缓慢，笔 者实地观测也证明了这一点，表层流与风向的最大夹角有2 8 。左右( 士5 。) ，最小 的夹角仅7 。左右( 士5 。) 。 风海流的体积运输，深海风海流的水体运输如艾克曼式积分所得，表述为在 r 单位时间单位宽度的体积运输，s 。= 二年一，如果按该式计算，在一次西伯 2 p w s i l l 口 利亚冷高压作用( 若天津近岸持续刮北风) ，则在l m 的单位宽度上将有2 0 0 0 多 m 3 的海水向天津近岸堆积。而经过实地观测和分析整理，风海流的体积运输要 小于该值。天津近岸毕竟是浅海风海流，海底摩擦影响很大。在分析整理过程中， 笔者把体积运输直接换算成风壅水高度，得到的经验公式如下： 厶= 0 3 0 7 e 4 。一。8 6 “一( 3 - 4 ) 式中，厶为风壅水高度( m ) ，a = 0 0 3 2 ，b = 0 0 7 1 ，to = 1 0 小时，u o = 1 3 m s 。 3 1 3 海洋环流对渤海的影响 提及海流特性，就必然涉及到海洋环流，若提海洋环流就离不开黑潮。实际 磊 第三章天津市近岸流浪潮特征及海挡工程设计基础研究探讨 上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，在北纬1 0 。左右形成北赤道流，在北太平洋，当北 赤道流向西遇到边界后( 菲律宾东) ，在科氏力的作用下北上继续流动，这就是 黑潮。在台湾东方黑潮的宽度约1 5 0 涅，厚度约4 0 0 5 0 0 m ，流速1 1 5 节。 它越过台湾至那国岛之间的海脊进入东海，并沿大陆架边缘北上，在该处水道变 窄，宽约8 0 涅，因而流速增加到2 2 5 节，厚度达到6 0 0 m 。黑潮到达九州西 南方北纬2 8 。3 0 至北纬3 0 。区域转折流出东海【1 2 】。 黑潮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1 2 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，从黄海一直伸展到渤海。这 支暖流在冬季尚可观测到，但在夏季由于黄海冷水团盘踞在该海区下层，阻止了 暖流的前进，使得这支暖流可能局限于很薄的水层。有的学者认为近期夏季就不 存在这支暖流。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早时 机，都与黄海暖流减弱有关。 3 1 4 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 1 ”。 第三章天津市近岸流浪潮特征及海挡工程设计基础研究探讨 3 2 天津市近岸及挡前海浪特征探讨 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。 海洋中波动分类很躲，按周期和频率，将波动分为表层张力波、短周期重力 波、重力波、长周期重力波和长周期潮波，京斯曼( k i m s m a n ，1 9 6 5 ) 提出了一 个根据周期和频率区分波浪的图解( 图3 2 ) 。图中表明了各种频率的海浪所包含 的相对能量。人们最关心的是图3 2 中那些被归入重力波周期为1 至3 0 秒的的 波浪。其中周期为5 到1 5 秒的波浪，对海岸工程问题往往比较重要。 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。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。如果水深相对波长很小，则称为浅水波或长波。 按生成的原因，可分为风浪、潮波、海啸等【1 ”。 还有一种分类法，是依据波浪形成以后的受力情况，将海浪分为自由波和受 迫波。如果当波浪形成以后，原来产生波浪的力便停止作用，则这时的波浪称为 自由波，它按一定方式传播出去性质不完全依赖于原来的作用力，还与介质的 性质有关。与此相反，受迫波则是原来的扰动力连续作用于已经形成的波动上， 这种情况下，波动的性质依赖于扰动力的性质。潮波是受迫波，涌浪可近似地视 为自由波。 按波形前进与否又可分为进行波和驻波。 此外，海洋中还有一种产生在密度跃层附近的波浪，称为内波。 ! 波带斗* 一一- t + 牛一* 一- t 一t 一一t m * 卜t “_ * - - t m * 卜t t t t 一 巨匡茸：三聋丰 毛 她力嚣“4 _ l 。点“了 1 0 4i 驴1 0 - 4l d l1 1 1 0 01 0 1l j 9 率 图3 - 2 根据周期和频率划分的各类波浪示意图 1 4 第三章天津市近岸流浪潮特征及海挡工程设计基础研究探讨 3 2 2 波浪计算分析 笔者在大神堂、蛏头沽、永定河口、海河口、海滨浴场、独流减河口等观测 点进行了波浪原型观测( 见表3 2 ) 。根据观测资料中水深、风速以及风区长度等 资料，进行归类对比分析，图3 - 4 3 6 是水深为1 0 m 、1 5 m 和2 0 m 情况下的 最大波高与风区长度、风速关系的诺莫图。在观测资料中最大的风速为1 8 m s 。 根据观测资料中水深、风速以及风区长度等资料，整理得出了天津近海波高( 包 括爿，日。，h 。) 与水深、风速和风区长度的经验公式。 h ，= 0 0 1 3 4 v o ”f o 3 d o 4 h = 0 0 1 6 2 v o “f o 3 - d 0 4 h 。= h 1 = 0 0 1 9 3 v o ”- f o 3 d 0 4 袁3 2 波浪原婆! 部分观测数据及其与计算值对比表 ( 3 5 ) ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) df v 实测值( 1 1 0计算值( h m ) 绝对误差相对误差 ( m )( k i n )( m s ) 、，( m ) ( 盯o( m )( ) ， 1 51 080 3 5 00 3 2 70 0 2 37 1 9 15