潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变

1、,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,6.0 概述-基本概念,第六章 潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变,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 入湖河口 入库河口,6.1潮汐河口的分段和分类,第六章 潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变,(一)潮汐河口的分段,图6-1(分界点)：口外海滨段河口口门潮流界

2、潮区界 潮区界口门：感潮河段 潮区界以上：河水运动不受潮汐影响 潮流界、潮区界的位置随外海潮差大小、河流径流量大小而变化,6.1潮汐河口的分段和分类,第六章 潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变,(一)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，

3、此处称为,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,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,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,(一)河口区的潮波及潮流,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

4、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

5、位流速最大,(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

6、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,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

7、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,(一)河口区的潮波及潮流,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

8、：咸水界下游 盐淡水混合指数(山潮水比): 盐淡水混合类型,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,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,6.2潮汐河口区的水流特性,第

9、六章 潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变,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,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,咸水界以下:盐水密度梯度使垂线流速分布发生变化 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,二、河口区盐淡水的混合-(三)对水流泥沙的影响,

10、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,咸水界以下:盐水密度梯度使垂线流速分布发生变化 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,二、河口区盐淡水的混合-(三)对水流泥沙的影响,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,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,二、河口区盐淡水的混合-(三)对水流泥沙的影响,6.2潮汐河口区的水

11、流特性,第六章 潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变,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),二、河口区盐淡水的混合-(三)对水流泥沙的影响,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,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

12、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,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,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,三、河口区口门外的水流泥沙特征,高斯分布,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,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

13、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,三、河口区口门外的水流泥沙特征,6.3潮汐河口区的泥沙运动特点,第六章 潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变,(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,6.3潮汐河口区的泥沙运动特点,第六章 潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变,(二)河口

14、区推移质运动,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),6.3潮汐河口区的泥沙运动特点,第六章 潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变,(三)河口区悬移质运动,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(

15、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,细颗粒泥沙絮凝,6.3潮汐河口区的泥沙运动特点,第六章 潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变,(三)河口区悬移质运动,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D0.03mm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,6.3潮汐河口区的泥沙运动特点,第六章 潮汐河

16、口的水流泥沙特点及河床演变,(三)河口区悬移质运动,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),6.3潮汐河口区的泥沙运动特点,第六章 潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变,(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1.031.20t/m3)，具有明显的流动性，即浮泥(实质上为海底高浓度含沙

17、水体),淤泥,浮泥,排水固结密实程度,絮凝体,流变性质不同,6.3潮汐河口区的泥沙运动特点,第六章 潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变,(四)河口区浮泥运动,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,6.3潮汐河口区的泥沙运动特点,第六章 潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变,(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

18、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),6.3潮汐河口区的泥沙运动特点,第六章 潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变,(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,第六章 潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变,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 潮汐河口的水流泥沙特点及河床演变,(一)潮汐河口的分段,河流近口段(河流段):潮区界潮流界.径流为主，单向向海流动，来沙量取决与上游河道挟沙，垂线流速分布及含沙量分布不受潮流影响 河流河口段(过渡段，河口典型代表河段):潮流界口门.径流潮流相互消长(枯水大潮时潮流为主、洪水小潮时径流为主)，含盐量向海逐渐增大 口外海滨段(潮流段):口门水下三角洲前缘急坡.潮流为主，风浪、沿岸流影响大,6.1潮汐河口的分