chap6 潮汐河口课件

第六章潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变第一节潮汐河口的分段和分类第二节潮汐河口区的水流特性第三节潮汐河口区的泥沙运动特点第四节潮汐河口区的河床演变长江入海口长江入海口6.0概述-基本概念河口区：河流与受水水体(河流、湖泊、水库、海洋)的接合地段入海河口(潮汐河口):水流流态多变、泥沙构成多样、河床演变复杂

主要影响因素：径流(山水)、潮汐入侵、波浪、密度流(盐淡水)支流入汇河口入海河口:受潮汐作用的影响，又称潮汐河口入湖河口入库河口干旱三角洲潮汐河口水沙运动和河床演变特征复杂⑴具有内陆河流的特征：如径流的水期变化；⑵具有海洋的某些特征：如涨落潮、风浪的影响等；⑶存在盐淡水混合及盐水入侵的问题：⑷既有内陆来沙，又有海域来沙：⑸动力因素具有多样性和多变性：⑹大河口受地球自转科氏力的影响：潮汐河口的分段6.1潮汐河口的分段和分类⑴河流近口段：潮区界～潮流界，有朝位涨落，但流向单一，地貌呈河流。⑵河流河口段：潮流界～口门,双向流,河床不稳,河道分汊展宽、出现沙岛沙坎。⑶口外海滨段：口门～三角洲前沿，地貌主要表现为水下三角洲。口门潮汐河口的分段河口口门(河流动力因素消失之地):河口段多年平均中潮位水面坡降线与平均海平面的交点处；或者三角洲海岸、岛岸、沙坎的临海端入口处潮流界：上溯潮波潮流与下泄径流的叠加、以及沿程河床阻力耗能，使得潮汐能量逐渐消耗，潮差减小，流速降低，当涨潮流速与径流下泄流速相等时，潮水停止倒灌，此处称为~潮区界：潮流界以上，潮波继续上溯(波动形态的传递)，河水受阻壅高，但潮差急剧减小，直至等于零的位置，此处称为~分界并非固定，应是一个范围口门至潮区界之间受潮汐影响的河段。口门感潮河段(二)潮汐河口的分类按河口形态特征分类⑴三角洲河口：⑵三角港河口：大陆突出到海洋中形成的淤积体。河流沙多，海洋潮汐弱，潮流和沿岸流不能带走泥沙而逐渐形成淤积体，在河流的冲积下形成扇形的分汊式河口。如长江、黄河、珠江、多瑙河、尼罗河、密西西比河等河口(圆弧状三角洲、鸟趾状三角洲)海洋伸入大陆内部形成漏斗状河口。河流沙少，潮流和沿岸流可带走泥沙而形成的单一的、向口外逐渐扩宽增深的喇叭形河口。如钱塘江、英国泰晤士河口。Fig6-2$3鸟趾状三角：河流来沙不丰富，外海动力弱，各汊之间来不及淤填圆弧状三角：河流来沙丰富，外海动力弱，各汊及汊间同时向外淤长径流潮流相对强弱和来沙特征：强潮海相河口:钱塘江口强潮将口外泥沙推进口内→沙坎弱潮陆相河口：黄河口强径流挟沙至口门附近落淤→拦门沙径流出海前经湖泊或河网调节，变幅小，潮差中等，河流来沙很少，泥沙主要来自口外，在口门附近形成拦门沙，黄浦江为主要代表。潮流弱，河流来沙丰富，易形成圆弧状三角洲，强径流推移泥沙在口门附近形成拦门沙，黄河为主要代表。⑴强潮海相河口：⑵弱潮陆相河口：潮流强，泥沙主要来源口外，平面外形呈喇叭形，强潮推进泥沙在口内形成沙坎，钱塘江为主要代表。⑶湖源海相河口：⑷陆海双相河口：河流和海域来沙均较丰富，径流与潮流动力相当，口门外形成拦门沙，口门内形成沙坎，长江是主要代表。第六章潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变潮差高低（潮汐强弱）：强潮河口:潮差

>

4m中潮河口：

潮差=2～4m弱潮河口：

潮差

<

2m

形成过程形态特征实例

扇形三角洲入海河流含沙量高，河道分汊

扇形黄河三角洲，尼罗河三角洲

鸟爪形三角洲潮流作用弱，河流挟沙量高，分几股汊河入海

鸟爪

密西西比河三角洲

尖头形三角洲入海或入湖河流仅一条主流，无支流

尖头

意大利台伯河三角洲

岛屿形三角洲河流含沙量不大，有潮汐作用，形成许多沙滩、沙坝

岛屿

恒河三角洲

过渡形三角洲兼有两种类型特点

过渡

长江三角洲过渡形三角洲尖头形三角洲鸟爪形三角洲扇形三角洲ThedeltaatBaboyaBay（潮汐型）长江河口（三角洲）钱塘江河口（三角港）6.2潮汐河口区的水流特性一、河口区的潮波及潮流影响因素主要：水深；河口的平面形态；底摩阻；浅滩和河口端部的反射或全反射；河流径流其它：盐淡水混合：盐水楔异重流加剧了潮汐不对称现象科氏力：使潮差向潮波传播方向的右侧(北半球)递增第六章潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变潮汐周期的四个阶段：潮位涨落+潮流方向涨潮落潮流：海水开始涨潮，但潮位上升尚未改变水面向下游倾斜和水流向下游流动涨潮涨潮流：海水继续涨潮，河口水面壅高使得水面坡降转向上游，水流向上游流动落潮涨潮流：海水开始落潮，河口水面开始下降，但潮位下降尚未改变水面坡降向上游倾斜和水流向上游的流动落潮落潮流：海水继续落潮，河口水面下降使得水面坡降转向下游，水流向下游流动(1)波动类型的变化主要影响因素：河口平面形态、水深、浅滩和河口端部反射外海潮波：简单前进波，潮流速与潮位同相→高低潮位时潮流速度达到最大值，在中潮位(平均水面)流速为零(憩流、转流)河口潮波：取决于河口平面形态及水深变化，介于前进波和驻波之间，潮流速与潮位不同相。前进潮波遇到浅滩、河岸、河口顶端会发生反射。若河宽向上游迅速缩窄、水深急剧变小，反射强烈，河口潮波接近完全反射驻波，潮流速与潮位相位差90°→高低潮位时潮流速度为零，在中潮位流速最大外海潮波河口潮波(2)涨落潮历时不对称主要影响因素：水深、河流径流水深：潮波波峰(高潮位)和波谷(低潮位)时刻水深相差大，波峰传播速度要快于波谷，使得潮波前坡变陡、后坡变坦，涨潮流速大于落潮流速→涨潮历时缩短，落潮历时延长径流：向海净流动，与潮波叠加，使得落潮历时更加延长(3)潮差(潮波的波高)的变化河口断面向陆方向收缩→喇叭效应→能量汇聚→潮差沿程增大浅滩及河口边界反射→驻波→潮差沿程增大→共振底摩阻→能量损失→潮差按指数规律沿程减小上述三种因素的相对大小很难确定，相互之间的平衡非常复杂:宽度和深度逐渐变化的河口：浅滩及河口边界反射小，潮差主要受底摩阻影响，沿程减小(如长江口)喇叭形河口：河口区中下游段，由于截面收缩和边界反射，潮差沿程增加；河口上游端，水深减小，底摩阻影响显著，潮差趋于减小(如钱塘江口)其它影响潮波变形的因素：盐水楔异重流加剧了潮汐不对称现象柯氏力使潮差向潮波传播方向的右侧(北半球)递增潮波变形在潮差相对于低潮水深较大的强潮河口更为显著。在某些河口，河口涨潮初期潮位急剧上升，受水深沿程快速减小和逆向径流影响，低潮传播速度慢，被后一个高潮赶上，潮波变形成类似移动水跃的现象，波面前坡几乎直立，波前就象一个翻滚的水墙向上游传播，这种现象称之为涌潮

滔天浊浪排空来,翻江倒海山为摧㈠河口区潮汐的基本特征⑴口门处水面呈周期性升降：简谐波描述⑵潮波属浅水长波，周期长，波长长：波长>>波高⑶潮流属非恒定流⑷潮波向上逐渐变形：潮差衰减、曲线不对称、涨落潮历时不等……⑸进潮量决定潮流的强弱：潮差、径流量、槽蓄容积影响进潮量jta2aTjxa2aLFig6-4潮棱体(潮水域)：高朝位线与低朝位线之间的范围。⑴潮差逐渐衰减直到为零：径流阻碍、河床阻力影响，反射强烈时会出现先增大后减小的潮差变化。潮波变形的主要体现⑵潮波曲线和涨落潮历时不对称，前坡越来越陡短、后坡越来越坦长(F6-6)：峰深速快、谷浅速慢，涨潮历时渐短，落潮历时渐长.⑶潮波与潮流出现相位差：主要是边界反射的影响，无反射无相位差,完全反射相位差90°，一般在0~90°之间，最大流速先于最高水位出现。潮波潮流世界奇观——钱塘江涌潮㈡一维潮波的基本方程上式的假定条件：忽略摩阻力、引潮力、径流的影响；河口断面为B×h的矩形；振幅<<水深；潮流沿水深均匀分布㈢前进波的流速前进波的产生条件：无限长、断面均匀，朝位满足简谐波。6.2潮汐河口区的水流特性第六章潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变(二)一维潮波的基本方程-浅海自由潮波(浅水潮波)(三)无限长均匀断面河道中的推进潮波-凯尔文波(四)一端封闭河道中运动的驻波型潮波-驻波和港湾共振(五)断面渐变河道中的潮波运动-波能流守恒的格林定律(六)考虑摩阻影响时无限长河道中潮波的衰减海岸动力学6.2潮汐河口区的水流特性第六章潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变二、河口区盐淡水的混合-(一)混合类型海水含盐量约30‰，淡水含盐量约0.1‰：涨潮流会将海水带入口门内一定距离→盐水入侵咸水界：河口内水流含盐量因海潮的影响从口门向上游逐渐降低，当含盐量小于2‰时，已不会影响农作物生长，2‰含盐浓度所及位置即~盐淡水混合区：咸水界下游盐淡水混合指数(山潮水比):→盐淡水混合类型Fig6-9&106.2潮汐河口区的水流特性第六章潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变弱混合型：又称高度成层型、盐水楔型径流强潮汐弱，盐淡水间存在明显分界面，形成盐水楔异重流，上层淡水流向下游，下层盐水潜入上游，交界面上的剪切力与含盐度梯度平衡缓混合型：径流潮汐均较强，盐淡水发生掺混，水平和垂直方向均存在含盐度梯度，淡水主要从上层下泄，底部有盐水上溯，可能出现交错流强混合型：潮汐强径流弱，盐淡水充分混合，垂向含盐量均匀，含盐度梯度主要表现于水平方向，不出现盐水楔和交错流二、河口区盐淡水的混合-(一)混合类型㈡盐淡水混合作用及盐水入侵⑴掺混临界流速U0：盐水楔分界面开始发生盐淡水掺混时,上层淡水的垂线平均流速.⑵盐水楔密度流速Ud：相当于隔板隔开的盐水入侵淡水的异重流流速。⑶密度Froud数Fd：Ur？⑷密度Renold数Rd：h？⑸盐水入侵长度LA：寇利根研究得到：一般Rd>107，则：密西西比河：共识是：盐淡密度差越大、水深越大、河流速越小，入侵越远。咸水界以上:流速垂向分布不受盐水密度梯度的影响，仍采用对数或指数分布咸水界以下:盐水密度梯度使垂线流速分布发生变化涨潮流期间：密度梯度与水面坡降一致，增大涨潮流速，因底部密度梯度大，底流速加大，最大流速出现在水面下某一深度处二、河口区盐淡水的混合-(三)对水流泥沙的影响落潮流期间：密度梯度与水面坡降方向相反，减小落潮流速，因底部密度梯度大，阻碍底流下泄，为保持流量平衡，表层流速加大转流期间：水面坡降很小，密度梯度控制底流流向上游，形成表层(向下)与底层流向相反的交错流Fig6-13涨潮流流向河流,最大流速出现在水下某水深处落潮流流向外海,最大流速出现在水面交错流面向海底向河,正负最大流速出现在某水深处滞流点：一个潮周期内，下泄流与上溯流河段间底部净流程(涨落潮流程的代数和)为零的临界点，为底层泥沙易于淤积的区域流程=流速过程线与时间轴包围的面积位置：随山潮水比的变化而变，洪水大潮下移；枯水小潮上溯φ盐淡水混合对净流程的影响：断面分布:滞流点上游，盐水密度影响小，表底层均为净下泄流；滞流点下游，盐水密度影响大，表层测点的落潮流程大于涨潮流程(净下泄流)，底层测点的涨潮流程大于落潮流程(净上溯流)强混合型河口(表、底层均为净下泄流)；缓弱混合型河口(表层净下泄；底层净上溯)口门外水流泥沙运动的主要影响因素:流出水流的惯性力(提供动量)河床底面的摩阻力(减小流速)流出水体与周围海水密度差引起的浮力口门射流类型：出口水深h0<<口门外水深h时:轴向紊动射流(排出水流向水平和垂直方向扩散)出口水深h0≈口门外水深h时:平面紊动射流(排出水流向仅在水平面内扩散)三、河口区口门外的水流泥沙特征口门外射流流速的演变:流出口门时:均匀分布，中部为核心流过渡区：水流扩散，核心流缩小直至消失，流速降低完全紊流区：水流继续扩散，流速沿程减小，在断面上呈高斯分布高斯分布射流对泥沙运动及河床演变的影响:平面射流:射流两侧的流速衰减较快，核心流流速衰减稍慢，泥沙沿主流两侧沉积，形成鸟趾状或鸟嘴状三角洲轴向射流：射流向水平和垂直方向扩散，流速衰减迅速，泥沙在口外附近形成新月形沉积体，河流出路受阻，将在其上冲出新道，又形成另一个新月形沉积体，发展下去成为圆弧状三角洲6.3潮汐河口区的泥沙运动特点(一)河口区泥沙来源流域来沙：径流挟沙河岸冲刷河床冲刷海域来沙：潮流挟沙当地海岸滩涂径流挟沙在河口外落淤后，又被潮流带回到河口内其他：城市垃圾、工业废渣、海洋生物残骸等也分：⑴陆沙：⑵河沙：⑶海沙：内陆径流带来的泥沙；与土质、植被等有关，黄河的陆沙量大。本河段水流冲刷河岸、河床而来的沙；从口门外海洋涨潮而来的沙。泥沙絮凝\絮散\团聚1、泥沙的絮凝河口区多为细颗粒，淤泥及粘土占的比例较大，遇盐水发生絮凝絮凝使颗粒增大，淤积使三角洲迅速增长。2、泥沙的絮散来自外海的泥沙已经絮凝，但进入淡水区后又有可能因紊动扩散作用而使絮团解体，即发生絮散现象。3、泥沙的团聚某些海洋生物摄取食物时将泥沙吸入体内，排泄后因粘液的作用将单颗粒泥沙粘结在一起而成为大颗粒泥沙。细→粗，影响输沙特性㈠沙波和推移质运动沙波仍是推移质运动的主要形式；

三、河口近底泥沙运动目前，沙波和推移质运动均无可靠的理论计算方法。㈡浮泥和淤泥浮泥：㈢淤泥质河口冲淤周期性变化淤泥：淤泥质：通常将D<0.03mm的泥沙称为～。淤泥质河口的冲淤具有周期性，主要取决于U*、U*c、U*d。浮泥：河口区细颗粒泥沙经絮凝沉落在床面，因本身松散且沉积时间短而不密实，具有显著的流动性，故称～。一般较细，如0.004mm淤泥：浮泥沉积时间较长而逐渐固结，失去流动特性而成为～。推移质运动潮区界←→潮流界流动总体向下游，但潮汐涨落→水位升降→流速增减→推移质间歇运动潮流界←→河口潮流径流相互作用→往复流→推移质往复运动→一般淤积在咸水界范围内，但在大洪水时也会推移至口门外(根据沙丘淤积体的形态可判断该河口是受涨潮流还是落潮流控制)迎流坡缓、背流坡陡(沙波)泥沙运动存在滞后现象⑴沉降时差：

四、河口区悬移质运动⑵冲刷时差：⑶泥沙运动滞后现象有何影响：⑴沉降时差：涨落潮交替的憩流阶段，流速减小直到为零，流速降到止动流速时泥沙开始沉降，但降到床面需要一定距离和时间，致使水流与泥沙运动之间出现时差，称为～。⑵冲刷时差：泥沙止动与起动流速存在差异，憩流阶段过后，水流上升到止动流速时泥沙仍处于静止，直到水流达到起动流速时泥沙才开始运动，致使水流与泥沙运动之间处在时差，称为～。①难以预测淤积部位；②破坏潮流含沙量与流速分布的单一关系。悬移质运动总体趋势：水流往复→悬移质往复搬运、时沉时扬滞后效应：含沙量的变化滞后于流速一定相位沉降时差：涨潮流或落潮流→憩流(转流)期间，当流速降低到止动流速以下时，悬移质开始沉降，但在沉降到床面前会随水流前进一段距离冲刷时差：憩流(转流)→涨潮流或落潮流，流速上升到止动流速时，床面泥沙不动，直到流速继续上升到起动流速，泥沙才进入运动状态钱塘江河口七堡站流速、含沙量过程线悬移质含沙量浓度的滞后现象a)全水深平均含沙浓度b)离床面0.3m处的含沙浓度c)离床面3.66m处的含沙浓度d)离床面7.32m处的含沙浓度细颗粒泥沙絮凝总体趋势：水流往复→悬移质往复搬运、时沉时扬絮凝现象：主要体现在D<0.03mm的细颗粒泥沙河口悬沙多含粘粒胶粒含盐海水为电解质成为大颗粒沉速加大(但有上限)团聚：淤泥经海洋生物(牡蛎、蛤)吸入体内和排泄后将在表面附着生物粘液，使得细颗粒泥沙粘结在一起，形成较大颗粒(团粒)，这将增大沉速总体趋势：水流往复→悬移质往复搬运、时沉时扬滞流点附近泥沙集中淤积：滞流点上游：底部为净下泄流，向滞流点挟沙滞流点下游：底部为净上溯流，向滞流点挟沙汛期径流量大，挟沙量大，洪季滞流点是河口淤积最严重的部位高含沙量区河口浅滩(拦门沙)(四)河口区浮泥运动定义：河口地区的极细颗粒泥沙(中径≤0.005mm)经絮凝沉落到床面上后，需经过很长时间才能排水固结得比较密实，在尚未密实之前(密度约1.03~1.20t/m3)，具有明显的流动性，即浮泥(实质上为海底高浓度含沙水体)淤泥浮泥排水固结密实程度絮凝体流变性质不同运动过程：异重流：浮泥为非牛顿流体，很缓的坡度下即可流动(航道港池的淤积)浮泥流：沙波状浮泥面形成浓度很大的、随水流向前运动的浑水过渡层，一方面浮泥层中的泥沙不断补充进入浑水过渡层，另一方面浑水过渡层不断向水流供给悬沙悬移质：底部紊动强度加大，沙波状浮泥面卷曲破碎，泥沙直接悬扬底流速加快(五)淤泥质河口一个潮周期内的冲淤变化潮流瞬时摩阻流速U*≥起动摩阻流速U*C时：底床冲刷潮流瞬时摩阻流速U*≤止动摩阻流速U*d时：悬沙落淤U*d<U*<U*C时：底床相对稳定(不冲不淤)U*>U*CU*>U*CU*<U*dU*<U*dU*d

<U*<U*CU*d

<U*<U*CU*：摩阻流速U*C：起动摩阻流速U*d：止动摩阻流速(六)波浪对河口区泥沙运动的作用波浪掀沙，潮流输沙波流合成切应力20m水深处：波高4m、周期7s的波浪与流速2m/s的潮流产生的切应力相当6.4潮汐河口区的河床演变与无潮内陆河流类似来水、来沙、边界条件河床演变6.1潮汐河口的分段和分类第六章潮汐河口的