河海大学河口与海岸演变-20161207.ppt

港口海岸与近海工程学院COLLEGEOFHARBORCOASTALANDOFFSHOREENGINEERING 河口与海岸演变 授课教师 张蔚南京 2016 12 第六章河口演变 河口主要的地貌 拦门沙和潮流深槽河口三角洲河口三角洲的演变侵蚀基准面及其对河口发育的影响河口形态的演变河口纵剖面的塑造河口的冲淤变化 三角洲河网的发育 游荡型三角洲汊道网状三角洲 第六章河口演变 水道发育体系 三种类型 主要特征 呈树枝状分汊和有许多彼此靠近的出海河口动力特点 径流作用较强 波浪作用较弱 岸外坡度缓 潮差小以及沉积物比较细 例 密西西比河 第六章河口演变 水道发育体系 三种类型 主要特征 河道分汊与再汇合 呈辫状型 动力特点 流量变幅大 波浪能量中等 潮差大和岸外坡度较陡 例 尼日尔河 第六章河口演变 水道发育体系 三种类型 主要特征 是由单一河道或少数几条河道组成 这些河道均发源与靠近三角洲首部 在平面上 三角洲像个钟形 动力特点 波浪能量高 潮差大和岸外坡度 例 湄公河 第六章河口演变 6 4侵蚀基准面及其对河口发育的影响 河流侵蚀基准面 erosionreferencelevel 河流侵蚀的限制面1 局部侵蚀基准面 对局部河道纵剖面起控制作用的基岩河床地段或河床不断淤积的地段 位置 基岩型位于上中游淤泥型支流的汇流口 河道的放宽段以及干流入海处 典型 河口拦门沙及河口三角洲 第六章河口演变 6 4侵蚀基准面及其对河口发育的影响 河流侵蚀基准面 erosionreferencelevel 河流侵蚀的限制面2 终极基准面 是指流水侵蚀能力消失的理想面 此面以下河流作用不能再加深河床 一般把海面作为外流河的终极基准面 位置 大洋的平均海面 第六章河口演变 3 终极基准面变化对河口三角洲影响 海平面下降 河口区的河床发生侵蚀加深或使海相沉积逐步变为陆相沉积 海平面上升 河口区的河床则出现陆相沉积 逐渐向海相沉积变化 第六章河口演变 6 5河口形态的演变 第六章河口演变 溺谷型河口 形成 在玉木冰期以来的海平面上升浸没了玉木冰期加深的河谷而形成 动力特点 纳潮量大 潮流势力向湾口方向逐渐增大 径流势力相对较弱纳潮量大 径流量小 其性质接近于泻湖纳潮量小 径流量大 其性质接近于三角洲在形态上不一定是喇叭状 而可能是窄长形的地带 如果河口湾内有较高含沙量的河流汇入 那么 在湾头或湾内某侧就可发育成三角洲 从而促进河口湾的淤积 终有一日将河口湾淤满 向三角洲转化 第六章河口演变 组合型河口湾形成 径流小 潮流强的河口 当与其毗邻的两侧河口形成三角洲 淤积 岬角 突出海岸 使之组成中间河口的两岸 从海湾发育而成 一般在海湾一侧是不易侵蚀的岩岸 或发育缓慢的海积 冲积平原 而另一侧有一条或多条的河流汇入 发育着三角洲 因而 随着海湾一侧的三角洲发展 海湾水域逐渐被缩小 发展成具有暂时未被河流泥沙填满的河口湾 第六章河口演变 河口湾的演变 慢淤进型 目前不少河口湾的面积在缩小 随着湾头河道缓慢淤积 湾内沙洲与汊道相继形成发育 而后发展至沙洲归并 使汊道淤废 整个河口湾束窄变浅 第六章河口演变 关于珠江三角洲整治规划问题报告提出了 水沙西调 河口湾的演变 慢淤进型 目前不少河口湾的面积在缩小 河口湾河床横向变化 游荡型与稳定型 游荡型 河床极不稳定 河床宽浅 主流摆动强烈 迁徙无常 滩地坍涨不定 河床冲淤幅度较大 稳定型 河床断面相对窄深 主流摆动较慢 滩地冲淤幅度不大 江心洲与主流或汊道呈有规律的或周期性的变化 侵蚀型 第六章河口演变 4 三角洲河口可分为 游荡型 河网型和喇叭型 P137 第六章河口演变 6 6河口纵剖面的塑造 1 从小尺度角度分析 河口的纵剖面并非是一条圆滑的曲线 而是一条起伏的折线 起伏的高差有时还相当大 这使水流与河床边界条件相互作用的结果 第六章河口演变 河口的河床纵剖面的重要特征 拦门沙 在一些河口地区的河床纵剖面上 亦可同时出现两个堆积的隆起段 一个位于河流过渡段的内堆积带 另一个是口外的拦门沙 河口内堆积带的形成 主要是此河段出现最大浑浊带引起的淤积作用与来自支流的粗颗粒泥沙堆积等多因素综合作用的结果口外拦门沙的形成 主要是由于汛期流域来沙及冲刷内堆积带的来沙 造成河道水流挟沙过饱和而在口门附近和口外附近淤积所致 第六章河口演变 6 6河口纵剖面的塑造 2 河床纵剖面的变化 主要表现在比降的变化 大流量的河床河床淤积速率慢的 河口侵蚀基准面下降的河床 河口侵蚀基准面抬升的 山溪性的河床 平原区的河床 第六章河口演变 6 6河口纵剖面的塑造 大河河口三角洲地区的河床比降一般是比较平缓的 4 影响入海河口的河床纵剖面变化的因素 P139 流域的来水来沙河床边界条件河口的侵蚀基准面海洋动力诸因素 第六章河口演变 6 7河口的冲淤变化 三种时间尺度的冲淤变化1 1长时段的冲淤变化 研究的时间单位一般以千年计 属于历史地貌的研究范畴淤积的过程 前期属海进淤积 后期属海退淤积 第六章河口演变 6 7河口的冲淤变化 三种时间尺度的冲淤变化中时段的冲淤变化 时间单位短则以10年 20年 长期以数十年 数百年计算有周期性的特点 特别式丰 枯水期的交替循环出现 第六章河口演变 22 三种时间尺度的冲淤变化中时段的冲淤变化 6 7河口的冲淤变化 第六章河口演变 6 7河口的冲淤变化 短时段的冲淤变化 主要是指河床与水流相互适应而造成的冲淤演变 时间尺度一般是年 洪枯季或一个潮周期 洪淤枯冲洪冲枯淤风暴潮骤淤 第六章河口演变 近口段 各河段的冲淤变化 P144 第六章河口演变 泥沙来源 主要受径流来沙为主 基本上没有潮流的影响 动力特征 潮水顶托 比降变缓 挟沙力下降 淤积特点 滩地落淤积 河床宽深比减小 河床平均高程上升 河口段 各河段的冲淤变化 第六章河口演变 动力特征 径流潮流作用相互转换 盐水作用明显 出现到比降 泥沙来源 陆域与海域来沙 淤积特点 洪淤枯冲 长周期淤积 且淤积速率大于近口段 地貌演变剧烈 口外海滨段 各河段的冲淤变化 第六章河口演变 动力特征 波浪与潮流互相作用为主 泥沙来源 陆域与海域来沙 淤积特点 淤积海进 岸蚀后退 形成拦门沙 认识河口宏观认识 河口演变 历史 现状及趋势 遥感 卫片等资料 微观认识 物理试验 数值模拟 局部 整体 第七章河口治理 认识河口客观认识 现场观测 地形 岸线 水文 泥沙等 主观认识 利用客观资料 应用分析方法 采用特征量 结合地质 地貌 水文及工程实际进行分析 第七章河口治理 治理河口一 认识 治理河口的方法二 河口航道治理规划的原则三 河口疏浚工程四 河口建闸 小河口 大河口的小支汊 第七章河口治理 一 认识 治理河口的方法 1 资料分析地质分析 地貌分析 水文分析 动力 泥沙 等综合分析 学科交叉 渗透的必然趋势2 物理试验优点 直观性强 对于特殊地形有很好的复演性 可用于探索性的发现 缺点 耗时 花费较大 较难模拟长时间的变化趋势 不能考虑科氏力作用 模拟区域不能很大 存在比尺效应等 第七章河口治理 一 认识 治理河口的方法 介绍 3 数值模拟 伴随计算机性能的提高 迅速发展 优点 可重复性 能够模拟大尺度 长周期的变化趋势 花费小 缺点 复杂地形条件下 计算精度 存在数值耗散 难以保证 动力模拟较好 但泥沙运动误差较大 第七章河口治理 长江口长时间发育的趋势和特点 河口向海延伸 潮区界下移 沙岛并岸 江面缩窄 河床趋于稳定 第七章河口治理 二 河口治理规划的原则 1 岸线规划 顺直缓变原则使入射潮波能量的沿程损耗与河床阻力基本相适应 避免剧烈耗能引起河床的冲淤 宽直河槽避免突然收缩或扩大 弯曲河道以采用微弯河势为宜 第七章河口治理 二 河口治理规划的原则 2 航道治理 整治结合疏浚原则整治水工建筑物为主 以束水攻沙 刷深航槽 疏浚为辅 以掀动泥沙 维护航槽 整治重点 河口汊道 水流分汊 航槽不稳 和口外拦门沙 浅滩 航槽水深不足 第七章河口治理 原因 1 河口汊道整治 第七章河口治理 方法 采用实体式潜水低坝 设闸 调节水位 流量 成功案例 1 瓯江河口在温州港以上由新涂与江心屿将河床分为南北两江 p153 第七章河口治理 2 马尾港位于闽江河口南北港分汊水道汇流区 有道庆洲将汇流区分为炎山和马杭两个分汊道 马尾港万吨级码头位于南北港汇流区的凸岸 见图7 4 P154 整治前 炎山水道 78 马杭水道22 工程后 炎山水道 62 马杭水道38 河口分汊水道不能满足港口航道水深的要求时 可以运用潮汐水流的水位和流量变化规律 采用实体式潜水低坝 调节叉道的水位和流量分配 使河床发生新的演变 以满足航道水深的要求 第七章河口治理 闽江水流经马尾汇合后进入罗星塔断面 河宽1300m 由于炎山水道与北支马杭水道水流强弱不同 使得进入该河段的主泓线会南北摆动 1981年进行了马尾港区整治工程 在万吨码头对岸修筑了S1 S2 S3 S4四条丁坝 SW分流渔嘴和一条潜锁坝 整治工程完成后 马杭水道的泻水量由10 增加到40 左右 万吨码头对岸的4道丁坝也起了作用 将主流逼近码头 第七章河口治理 在闽江通海航道二期整治工程中 为了进一步增强大屿段航道水深和北岸开发区码头前流速 减小大屿南侧汊道过水量 于1990年12 1991年5月又在大屿浅滩南岸建筑S4和S8丁坝 将主流逼向北岸 使本河段从上而下航道形成 S 形河弯形态的格局 第七章河口治理 2 拦门沙航道整治 形成机制 1 盐水入侵加剧泥沙絮凝细颗粒泥沙絮凝成团 形成最大浑浊带 涨 落憩时急速下降 普遍落淤 2 径流与潮流动力平衡区 余流为零 形成滞流点3 潮波变形 河口地区 流速极值不再与潮位极值同时出现涨落潮最大流速出现在高低潮位之前 在涨憩前后流速较小 而含沙量却可能达到最大 第七章河口治理 长江口深水航道整治工程 一期 1998 20028 5米二期 2002 200510米三期 2006 201112 5米 疏浚工程量超过3亿立方米 按每一方土纵向堆放 疏浚土总方量可以围绕地球8圈 在长江口形成了长达数十公里的 拦门沙 区段 滩顶自然水深仅5 5 6 0米成为通海航道的碍航段 第七章河口治理 整治方案 南 北导堤工程 北导堤49公里 南导堤48公里 第七章河口治理 主要作用一是归集漫滩落潮水流和落潮分流 二是阻挡北槽两侧滩地泥沙在风浪作用下进入北槽航道 三是增强北槽的水流动力 并消除横沙东滩对北槽输沙带来的不利影响 43 第七章河口治理 整治方案 丁坝工程 主要作用是形成合理的治导线 使治导线范围内的流场分布有利于深水航道的成槽和维护 第七章河口治理 45 第七章河口治理 46 疏浚工程 主要作用是通过疏浚成槽 开挖及维护深水航道 第七章河口治理 讨论 导堤的布置 导堤的走向 与涨落潮流向一致 必要时固定分汊口 a 双导堤的间距根据单线航道或双线航道的要求确定过窄 影响纳潮量 导堤下游潮波反射厉害 引起淤积过宽 影响束水能力b 堤顶高程以最大落潮流时 水流归槽为最好 通常堤顶高程取在中潮位附近 同时注意到 堤顶不能过矮 避免大风天气下的泥沙因涨潮越过堤顶进入航道 导堤出口方向 口门适当放宽或错开 增加纳潮量 并考虑到口门泥沙的落淤问题 注意沿岸流的流向 第七章河口治理 三 河口疏浚工程 疏浚工程 采用挖泥船或其他机具进行水下挖掘土石方的工程 疏浚历史 早期 机械式疏浚系统当代 水力疏浚系统 包括扬吸式挖泥船 绞吸式挖泥船 耙吸式挖泥船 河口疏浚介绍 1 常用挖泥船介绍2 航道开挖后的淤积量估算3 疏浚泥土的处理 第七章河口治理 绞吸式挖泥船 装有绞刀和泥泵泥泵利用空气压力吸入泥土 对于疏浚深度有一定的限度 1 常用挖泥船介绍 第七章河口治理 自航耙吸式挖泥船 长 米 载重量 吨 抓斗容积 立方米 挖掘深度 米 航速 节 装有耙头和泥泵 第七章河口治理 装有吸泥管的自航海轮 吸泥管可伸出船玄或通过船体内的开槽进行耙吸 沪东中华300立方米耙吸式挖泥船下水 第七章河口治理 抓斗式挖泥船 第七章河口治理 抓斗式挖泥船有自航和非自航两种 自航式的一般带泥舱 泥舱装满后自航至排泥区卸泥 非自航式则利用泥驳装泥和卸泥 挖泥时运用钢缆上的抓斗 依靠其重力作用 放入水中一定的深度 通过插入泥层和闭合抓斗来挖掘和抓取泥沙 然后通过操纵船上的起重机机械提升抓斗出水面 回旋到预定位置将泥沙卸入泥舱或泥驳中 如此反复进行 斗轮式挖泥船 第七章河口治理 斗轮式挖泥船除了挖掘设备不同 其余与绞吸式挖泥船大同小异 斗轮式挖泥船转动轴与支臂成一定的角度 而绞吸式挖泥船绞刀头转动轴则平行于支臂 无人驾驶挖泥船 优点 体积小 适用于流场复杂 天气恶劣条件下 第七章河口治理 2 航道开挖后的淤积量估算 利用非恒定流连续方程 运动方程和输沙方程 建立泥沙输移的数学模型进行回淤率计算 对挖槽淤积量作出预报 第七章河口治理 另一种方法是从潮汐水流悬沙运动方程入手 7 4 第七章河口治理 特殊情况 p160 流量不变水流方向与航槽一致 第七章河口治理 使用方便 需要资料较少 缺乏严格性 误差范围较大 58 第七章河口治理 式中P为淤积强度 为泥沙沉降速度 本例可取0 0004m s d1 d2为航道浚深前后的水深 S为浚深前航道附近的含沙量 为泥沙干容重 本例取700kg m3 k1 0 35 k2 0 13分别为横流和纵流淤积常数 为水流与航道轴线的夹角 本例取0 t为计算段的时间 单位 s 一年按704个半日潮计 其中大 中 小潮的分配比例为1 2 1 含沙量大潮为0 30kg m3 中潮