港工课件第六章海浪

1、海 洋 与 河 口 水 文邰 佳 爱2009.10课 程 安 排授课形式课堂学习（22）复习与讨论（2）考核形式出席、作业情况及课堂表现（30）期末考核，笔试，70海洋的基本特性海洋是地球的主体是复杂的系统化学组成成分复杂全球气候调节器运动是海洋最基本的特征是地球上最大的资源宝库海洋的划分洋 主体部分，一般远离大陆，面积广阔，约占海洋总面积的90.3，深度大，一般大于2000 m。海洋要素如盐度、强度等不受大陆影响，盐度平均为35%。，且年变化小。另外，海洋还具有独立的潮汐系统和强大的洋流系统。海 洋的边缘部分，踞国际水道测员局的材料，全世界共54个海。海的深度较浅，其温度和盐度等海洋水文要素

2、受陆地影响很大，有明显的季节变化水色低，透明度小，没有独立潮汐和洋流系统，潮汐多由大洋传入，但潮汐涨落往往比大洋显著，海流有自己的环流形式。 有 陆间海、内海、边缘海海湾 海洋部分伸进大陆海峡 两端与海洋连通的狭窄水道北起鸭绿江口，南至北仑河口，海岸线绵延长达18000 多公里。中国有300万km2海洋国土。-12海里领海制度中国近海海区 水文特点： 南北纵跨温带、亚热带、热带，地理差异大，四季变化明显；近海东侧受黑潮暖流及分支流影响，具有高温高盐的特点 入海径流量前三位：长江 珠江 闽江 输沙量 ：黄河 长江 珠江2. 渤海、黄海和东海总称为东中国海 渤海的面积最小，水深最浅，平均约18m

3、黄海的平均水深为40 ，东海的水深较大，平均为349m 南中国海或南海面积约270万平方公里。该海域水深较大，平均为1140 m。我国海域概况海岸带(Coastal Zone)海岸带是海陆交互作用的地带。现代海岸带一般包括1.海岸大部分时间露于海水面之上，仅在特大高潮或暴风浪时才被淹没-潮上带 海岸线 多年平均高潮位的水陆分界线2.海滩-高低潮之间的地带，高潮时被水淹没，低潮时露出水面-称潮间带3.水下岸坡水下岸坡是低潮线以下直到波浪作用所能到达的部分，又称潮下带河口及河口区河口: 海与河交汇地区河口区: 近口段 水位有周期性升降,水流指向河口方向近口段河口段口外海滨段河口段 河流与海洋动力要

4、素综合作用区潮区界潮流界河口口门口外海滨 河流要素趋于消失,海洋动力主导作用区水 文 学 探讨地球上各种水体的存在,循环和分布,化学和物理性质及对环境的影响工程水文学 利用河川和海洋资源所建造的工程,其规划,设计,施工及运行管理中所需要的水文学知识需要了解掌握的海洋河口水文知识 本课程的主要任务: 观测,收集,掌握和整理分析本专业所涉及的海洋河口水文资料 主要内容: 1.水文现象变化规律的研究 2.资料测验和收集方法 3.资料的整理,分析,统计和计算方法授 课 内 容第一章 绪论第六章 海浪第七章 潮汐第八章 近岸海流第六章 海浪6.1海浪要素和分类一 海浪要素波峰 波浪剖面高出静水面的部分波

5、谷 波浪剖面低于静水面的部分波峰线 垂直波浪传播方向上各波峰顶的连线波向线 与波峰线正交的线,即波浪传播方向波高 相邻波峰顶与波谷底之间的垂直距离,H(m)波周期 波浪起伏一次所需要的时间,或相邻两波峰顶通过空间固定点所经历的时间间隔,T(s)波陡 =H/L 1/101/30 波坦=1/ 波速 波形移动的速度C=L/T(m/s)二 海浪分类强制波 自由波 混合浪强制波 引起波浪的扰动力连续作用在水面,波动性质依赖于扰动力性质的波动.如 风浪 -wind wave自由波 扰动力消失后在重力作用下继续传播 的波浪,其性质不完全依赖于原有扰动力,如涌浪. swell混合浪 毛细波 重力波和长周期波不

6、规则波和规则波长峰波和短峰波前进波和驻波深水前进波和浅水前进波深水前进波(短波) dL/2, 浅水前进波(长波) dL/2振荡波和推移波振荡波 在一个波周期内,水质点的运动轨迹是封闭或接近封闭,即水质点在原地做振荡运动推移波 在一个波周期内,水质点运动有明显位移海岸区分D=L0/2深水区浅水区击岸波区岸边区6.2风况基础知识 一 风的形成及类型气压差的存在导致大气运动标准气压: 101325Pa 15 C,平均海平面风 空气在水平方向的气压差形成的水平运动控制地面空气水平运动的的因素1.气压梯度力2.地转偏向力(科氏力) A=U.2sin 地球自转角速度, 15/h=7.29*10-5rad/

7、s = f 科氏参数3离心力 C=U2/r 梯度风 旋衡风(赤道附近)4摩擦力 摩擦层内,风向向气压梯度力方向偏转估算海面风速,利用地转风风速计算: Us=(0.01T+0.7)Ug+ 气旋区- 反气旋区二 我国近岸风况的特点季风 ,以海陆间的热力差异为主导因素 103 偏北季风,67偏南季风寒潮大风 寒潮 冷空气入侵后,气温在24h内降低10度以上,且最低气温降低5度以下.台风(热带气旋) 热带低压 风力12级最大风速通用式最大风速半径RP-P0三 风况观测风的特征:风速: 空气在单位时间内流过的水平距离 单位 m/s,km/h,n mile/h风向:风吹来的方向,一般为16个方位,如 N

8、348.911.3,NNE,NE,ENE,ENNW,间隔22.5度国家气象局报表 02 08 14 20国家海洋局报表 08 11 14 17 四 测风资料整理1.风况玫瑰图 用以表达风的时间段,风速,风向和出现频率四个量的分布状况图,一般按照16个方位绘制风向频率玫瑰图,获得常风向 所需资料一般13年,或挑选有代表性若干年份资料最大风速玫瑰图,获得强风向 需多年资料2.风资料使用标准(海港工程技术规范) 波浪推算采用海上10m 2min平均风速 港工建筑物设计标准采用海上10m 10min平均风速风速的高速换算 或 U10=Kz . Uz 陆上风速海上风速 (U10)海=K.(Uz)陆风速的

9、时距换算收集资料时需注意:气象台站地理位置,采用测风仪器,风标仪距地面高度,风速取值时距及历年来变迁等风速高度换算系数6.3海浪观测 一 波浪观测方法1光学岸用测波仪观测项目: 海况,波型.波向,波高和周期,同时观测风速,风向和水深 波周期:连续3次观测,确定Tp 波高: H1/10海况,风力作用下的海面外贸特征波型,波浪形态,分为风(F),涌(U),混合浪(F/U U/F,FU)等波向,波浪的来向,分16个方位观测二 海浪资料整理岸用光学测波仪记录月报资料: 08,11,14,17时风速 风向 海况 波型 风浪向 涌浪向 周期(Tp),波高(H1/10),最大波高,测点水深波浪玫瑰图 波高

10、0.51.0m,周期1s分级. 选取13年连续资料6.4海浪要素统计规律一.固定点波高和周期的统计分布(上跨零点法)k=2/3劳曼谱二.固定点波高和周期的理论分布函数波长与波高理论分布函数固定点波面方程波面概率密度函数-李雅普诺夫定理波面振幅a概率密度函数(Longuet-Higgins)波面高度均方差考虑水深影响格鲁霍夫斯基分布最大波高 深水 浅水波长的理论分布三 两种特征波及相互关系1.特征波高的两种表示方法HF 波列累计频率对应波高 H1%波列中大于等于该波高的出现频率为1%HP 部分大波平均波高 H1/10 显著波高, H1/3有效波高 最常用的特征波高2.两种特征波的相互关系H1/1

11、00 H0.4%, H1/10 H4%, H1/3 H13%,误差函数3.与某一累计率波高对应的特征周期TH4% TH1/10 1.31TP, TH13% TH1/3 1.15TP四 海港工程设计波浪的波列累计频率标准1设计波浪标准设计波浪 在海港工程设计中，在设计各类建筑物和它们的各部分时所选用的波浪要素。设计波浪的重现期标准工程设计波浪的波列累计频率标准2海港工程设计波浪的波列累计频率标准五 我国沿岸海域波况的特点由北向南递增各海区各季节波浪的大小分布不同沿海大浪受台风与寒潮大风影响显著6.6根据海浪观测推算设计波浪推求重现期设计波浪的基本方法：直接推算法，根据波浪观测资料间接推算法，利用

12、当地或临近风况资料或天气图一 我国海港工程设计波浪的重现期标准危险率 q=1-(1-1/T)m二 利用长期测波资料推算设计波浪1确定筑港地区主要的波浪来向 确定当地强风向与常风向2 收集整理波浪观测资料（1）分方向检测观测站资料的适用性（2）考虑工程点与测波浮筒两处水深差异（3）使用年最大值采样法组成系列需注意 波向问题每日四次观测问题3 设计波浪推算频率分析法理论频率曲线的选用港工规范规定，对于年极值波高以及对应周期的理论频率曲线，一般采用P-III曲线（1） P-III曲线(5)泊松耿贝尔复合极值分布Pk 台风出现次数n的概率， i 每年每次台风形成的最大波高i=1,n, n =max(i

13、 )， i的原始分布函数G(x),台风浪年极值的分布函数例如：某海区自19591985年27年间发生86次台风，并记录历次台风的最大波高H1/10，用泊松耿贝尔复合极值分布推求多年一遇设计波高n=86,查表627,yn=0.5579,n=1.1975=n/N=86/27=3.19按照式425确定a,u，50年一遇，25年一遇H1/10三 利用短期资料（13年）推算设计波浪一般采用不分方向，全部或日最大波高为样本港工规范建议线型：波高使用均匀坐标，累计频率使用对数坐标lgP思路： 如在 a年观测波浪n次，a年最大值的累积频率Pa=1/n,则b年最大值的累积频率为Pb=a/(bn)=a/b.Pn四

14、与设计波高相对应的设计周期的推算方法取与波高年最大值H1/10相对应的平均周期组成系列6.7根据气象资料推算风浪尺度一 风浪形成、发展、衰减的机理1.风浪形成理论2.风场三要素 风速 U 风时t 风距F风距，在一定风况作用下，对某特定点形成波浪有实际作用的风区范围和水域长度风区 海面上风速、风向基本一致的 水域固定风区 移动风区3 风浪发展的三种状态过渡状态 大风速开敞水域，风浪成长取决于风时定常状态 大风速小风场水域充分成长状态 4 判别风浪状态的标准最小风时tmin 达到定常状态所需要的最短时间最小风距Fmin 在一定风速U下，给定风时t时产生最大波浪所需的最短风距。 二 风场要素的确定1

15、 计算风速假定风浪要素重现期等于风重现期，确定同向的重现期风速，适于小风区大风区情况下，由三要素者联合确定2 计算风距（1）划定风区风区主轴于风向基本一致，边界不超越岸线等压线方向和疏密程度突然改变的部位为风区边界（2）确定有效风距FE风区接近矩形，水域狭窄，形状不规则时，3 计算风时（1）小水域或靠岸风区，不需确定风时（2）采用所用风速相对应的风时 渐大 U=0.3U1+0.7U2 渐小 U=0.2U1+0.8U2 风时介于612h，或分段满足612h4水域平均深度的确定 大致均匀时取平均水深 较大变化时取分段平均水深三 外海风浪要素的确定海港水文规范推荐用方法已知U=15m/st=8hF=200km，求深水要素6.8波浪浅水变形波浪浅水变形包括 折射 ，绕射，反射，破碎6.8.1水深变浅引起的波浪变形1.波长、波速的变化2.波高的变化 EnCb= E0n0C0