1、海岸动力学第一章 概论1、 海岸带宽度按从海岸线向内陆扩展 10km，向外海延伸到 -15-20m 水深计算。2、 海岸的类型：按照岸滩的物质组成可以把海岸分作基岩海岸、沙质海岸、淤泥质海岸和生物海岸等类型。基岩海岸，特征是：岸线曲折、湾岬相间；岸坡陡峭、滩沙狭窄。此类海岸水深较大，掩蔽较好，基础牢固，可以选作兴建深水泊位的港址。沙质海岸：岸线平顺，岸滩较窄，坡度较陡，常伴有沿岸沙坝、潮汐通道和泻湖。此类海岸常是发展旅游、渔港的良好场所。淤泥质海岸：此类海岸岸线平直，一般位于大河河口两侧，岸坡坦缓、潮滩发育好、宽而分带，潮流、波浪作用显著，以潮流作用为主；潮滩冲淤变化频繁，潮沟周期性摆动明显。
2、淤泥质海岸滩涂资源丰富，有利于发展海洋水产养殖、发展海涂圈围成为陆用于发展农业与盐业或畜牧业等其他产业。生物海岸：包括红树立海岸和珊瑚礁海岸。海岸的基本概念：海岸是海洋和陆地相互接触和相互作用的地带，包括遭受海浪为主的海水动力作用的广阔范围，即从波浪所能作用到的海底，向陆延至暴风浪所能达到的地带。外滩：指破波点到低潮线之间的滩地。离岸区：破波带外侧延伸到大陆架边缘的区域。淤泥质海岸从陆到海由三部分组成：潮上带，位于平均大潮高潮位以上；潮间带，为平均大潮高潮位到平均大潮低潮位之间的海水活动地带；和潮下带，在平均大潮低潮位向海一侧。海岸侵蚀：指海水动力的冲击造成海岸线的后退和海滩的下蚀。引起海岸侵
3、蚀的原因主要有两种：一是由于自然原因：如河流改道或入海泥沙减少、海面上升或地面 沉降、海洋动力作用增强等；二是由于为人原因，如拦河坝的建造、滩涂围垦、大量开采海滩沙、珊瑚礁，滥伐红树林，以及不适当的海岸工程设施等。常见的海岸动力因素主要有：波浪的作用，波浪是引起海岸变化的主要原因；海岸波生流：斜向入射的波浪进入海滨地带后，在破波带引起一股与岸线平行的平均流，即沿岸流。波浪在传向海岸的过程中会导致海岸水域出现流体质量的汇聚，这包括波浪由离岸水域传入破波带伴随着质量输移流向海岸汇集；方向相对的沿岸流在交汇点产生流体质量汇聚。这些汇聚的流体质量集中起来可能以裂流的形式向外海回流。由波浪运动引起的质量
4、传输、沿岸流、裂流以及裂流头处的水体扩散等水流流动，构成了水平的近岸环流系统。潮流的作用：潮汐是在太阳和月球引力作用下发生的海面周期性涨落现象。潮汐作用主要表现在两个方面：一是潮汐的涨落，使海面发生周期性的垂直运动；二是使海面水体产生水平方向整体运动形成潮流。径流的作用，海流的作用风暴潮和海啸的作用、风的作用等。第一章思考题：1-3 海岸环境动力因素（风、波浪和潮流等）对海岸变形的影响是什么？第二章 波浪理论第一节 概述一、 波浪分类规则波：在传播过程中波形规则，具有明显的波峰波谷，二维性质显著的波浪可以视为规则波。离开风区后自由传播时候的涌浪接近于规则波不规则波：大洋中的风浪，波形杂乱，波高
5、、波周期和波浪传播方向不定，空间上具有明显的三维性质，这种波成为不规则波或者随机波。深水波、有限水深波、浅水波：一般按 h/L=1/2 作为划分深水波与有限水深波的界限，h/L=1/20 作为划分有限水深和浅水波的界限。振荡波：推进波 及 驻波推移波二、 波浪运动的描述方法和控制方程用简谐波的形式来描述波动时候，波面余弦函数表示为：，其中 k 称为波数，表示 长度上波动的个数。圆频率=cos() 2 =2建立线性波理论时，为了简化起见一般作如下假定：1）流体时均质和不可压缩的，其密度为一常数；2）流体时无粘性的理想流体；3）自由水面的压力是均匀且为常数；4）水流运动是无旋的；5）海底水平、不透
6、水；6）质量力仅为重力，表面张力和柯氏力可忽略不计；7）波浪属于平面运动，即在 xz 平面内作二维运动。水质点运动速度： ， = =线性波理论的控制方程： ，物理意义：流体是不可压缩流体，22+22=0满足质量守恒原理，且流体运动是无旋有势运动。边界条件：（1）海底处边界条件： P31 （2-10） ，物理意义：海底表面为固壁，水质点垂直速度为零。 （2）自由表面动力学边界条件：（2-11） ，物理意义：流体质量力仅为重力，满足能量守恒原理。 （3）自由表面运动学边界条件：（2-12 ） ，物理意义：流体界面具有保持性，界面上的流体质点始终位于界面上，自由水面流体质点运动无穿越。 （4）流场左
7、右两端面的边界条件：（2-13） ，物理意义：流体运动在空间和时间上均呈周期性，为周期运动。要精确解出二维波列的定解，将遇到两个困难：（1）自由水面边界条件是非线性的；（2）自由水面位移是未知的，即自由表面边界是不确定的。第二节 微幅波理论一、 微幅波控制方程和定解条件公式 2-18（ae）及其物理意义。二、 微幅波理论解微幅波势函数和色散方程速度势函数表达式： =cosh(+)coshsin()色散方程： 2=tanh色散现象：当水深给定时，波的周期越长，波长亦越长，波速也将愈大，这样使得不同波长的波在传播过程中逐渐分离开来。这种不同波长（或周期）的波以不同的速度进行传播最后导致波的分散现象
8、称为波的色散现象。色散方程还表明，波浪的传播还与水深有关，水深变化时，波长和波速也将随之变化。变化一：确定波长： =22tanh变化二：确定波速： =2tanh对于深水和浅水两种极端情况，色散方程还可以作不同的简化，得到深水波和浅水波的近似表达式：当水深 h 或者 kh 为无限大，根据双曲函数特性， （2-30） （2-31 ） （2-32） ，可以知道，在深水情况下，波长和波速只与波周期有关，而与水深无关。（2-33） （2-34） （2-35 ） ，波浪在浅水中传播时其波速变化只与水深有关，且与水深的平方根成正比，而与波周期或波长大小无关。因此任何周期（或波长）的波浪传播到浅水区后，波浪的
9、传播速度指只由当地水深控制。三、 微幅波的速度场和加速度场波动水质点的水平速度和垂直速度相差 个相位。2四、 微幅波的质点运动轨迹微幅波水质点的运动轨迹方程： ，为椭圆方程。（ 0） 22 +（ 0） 22 =1微幅波水质点运动轨迹为一个封闭椭圆。在水面处 b=A，即为波浪的振幅，在水底处 b=0，说明水质点沿水底只坐水平运动。在深水情况下，a=b，水质点运动轨迹为一个圆。五、 微幅波的压力场=+cosh(+)coshcos()当 ，得到最大压力值cos()=1时当 ，得到最小压力值cos()=1时六、 微幅波的波能和波能流在二维波浪中，单宽波峰线长度内一个波长范围中所存储的总波能由势能和动能
10、两部分组成。波浪势能是由于水质点偏离的平衡位置所致。波浪动能是由于质点运动而产生。微幅波单宽波峰线长度一个波长范围内平均的波浪动能和势能是相等的。单位海面面积上的总波能为： ，表示微幅波平均总波能与波=122=182高的平方成正比。波能流：波浪在传播过程中存在能量传递，通过单宽波峰线长度的平均的能量传递率称为波能流。 ，n 为波能传递率，深水时，n=1/2；=121+2sinh2浅水时，n=1。七、 波群和波群速度两列简单波叠加后的波形还是一个周期波，但振幅是变化的，最大波幅为组成波振幅的 2 倍，波数和频率为两列正弦波的平均值。八、 驻波当两个波向相反、波高、周期相等的行进波相遇时，形成驻波
11、。波腹、 波节 图 2-10 立波的势能及动能均为行进波的 2 倍。能量的转化是周期性地由动能变为势能，或是由势能转变为动能。不完全立波：波浪反射系数。第三节 斯托克斯波理论波浪运动时，非线性作用的重要程度取决于波高 H、波长 L 及水深 h 的相互关系。具体来说取决于三个特征比值：波陡度 ， ，和相对= 相 对 波高 /水深 。/从波面特征、波动流体质点速度和质点的运动轨迹等方面比较微幅波和斯托克斯波的区别。图 2-12 图 2-13，图 2-14质量输移：由于流体波动水质点运动轨迹不封闭，造成一个周期过后有一个净水平位移，这种净水平位移造成水体的水平流动，称为漂流或质量输移。第四节 浅水非
12、线性波理论椭圆余弦波：周期波动，波峰尖，波谷宽坦。孤立波：在传播过程中波形保持不变的推移波，其波面全部在静水面之上。第五节 随机波浪理论十分之一大波波高和周期：波列中个波浪按波高大小排列后，取前面 1/10个波的平均波高和平均周期。有效波波高和周期：按波高大小次序排列后，取前面 1/3 个波的平均波高和平均周期。波高的累积频率：波列中超过此波高的累积频率波高的累积频率函数为 ()=4()2波浪波能密度 ：公式 表示 间隔内全部组成波的能()=1+ 122 量和，相当于单位频率间隔内的平均波能量，称之为波能密度，公式也相当于组成波频率对于组成波频率的分布函数，这一函数称为波频谱，通常简称为频谱。
13、波频谱的形状与形成波浪的生成机理有关，主要决定于风速、风距和风时三个要素。波浪的方向谱： ，表示频率在 间隔范围内(,)=11+ + 122 和方向在 间隔范围内各组成波提供的能量的平均值，相当于波能密度对于组成波的频率和方向的分布，当频率给定时，该函数描述不同方向间隔的能量密度，因而反映海浪内部方向结构的能谱，称之为方向谱。第二章思考题和习题2-1； 2-2； 2-3； 2-4； 2-5；2-6： 2-11 ： 第三章 波浪传播和破碎在深海中形成及发展的风浪，离开风区后在海洋中继续传播，传播中由于弥散和能量损失，其频率范围和能量不断变化，随着传播距离增大，风浪逐渐转化为涌浪，两者的主要区别是
14、风浪的频谱范围广，而涌浪的频谱范围窄得多，其波形接近于简谐波。涌浪传到近岸区以后，受海底地形、水深变浅、沿岸水流、港口及海岸建筑物等的影响，波浪产生变形、折射、绕射、反射等，因底部摩阻，产生波能衰减；当波浪变陡或者水深减少到一定限度后，产生破碎。当波浪进入浅水区后，从波浪触底时起，波浪即开始损失能量，这些损失可能包括以下三个方面：摩阻损失，这是海底床面对于波浪水流的摩阻力引起的能量损失；渗透损失和泥面波阻力损失。波浪运动中水质点作周期性的往复振荡运动，其边界层特征与单向水流不同。明渠单向水流中边界层能得到充分的发展，而短周期的波浪水流中，水流在不大的时间内正负交变，边界层得不到充分发育，只有在
15、床面附近很薄的一层受床面影响而存在剪切应力，形成近底边界层。第二节 波浪浅水变形、折射和绕射波浪守恒：一列规则波在变水深中传播，在传播中随着水深变化，波速、波长、波高和波向都将发生变化，但是波周期则始终保持不变的现象，称之为波浪守恒。波浪守恒方程： ，其物理意义为波数向量随时间的变化率必然为+=0角频率 的沿空间变化率所平衡。在稳定的流场中，没有新的能量的输入，波数随着时间没有变化，因此波浪在传播过程中周期守恒。波浪的浅水变形：波浪的浅水变形开始于波浪第一次触底的时候，这时的水深约为波长的一半。随着水深的减小，波长和波速逐渐减小，而波高逐渐增大，当深度减小到一定程度时，出现各种形式的波浪破碎。
16、图 3-4，波浪传播过程中潜水变形情况。波浪折射：波浪斜向进入浅水区后，同一波峰线的不同位置将按照各自所在地点的水深决定其波速，处于水深较大位置的波峰线推进较快，处于水深较小位置的推进较慢，波峰线因此而弯曲并逐渐趋于与等深线平行，波向线则趋于垂直于岸线。波峰线和波向线随水深变化而变化的现象称为波浪折射。斯奈尔定律：sin =sin00辐聚和辐散：在海岬岬角处，波向线将集中，这种现象称为辐聚，此处，波高将因折射而增大。在海湾处，波向线将分散，称为辐散，此处1，波高将因折射而减小。辐聚、辐散的结果，将使海岸上各处的波高不1等，这对海岸上泥沙运动有着重要影响。波浪辐聚处波能集中，可能会引起强烈的冲刷
17、；反之，波浪辐散处波高分散，可能会产生泥沙淤积。图 3-7波浪绕射：波浪在传播中遇到障碍物如防波堤、岛屿或大型墩柱时，除可能在障碍物前发生波浪反射外，还将绕过障碍物继续传播，并在掩蔽区发生波浪扩散，这是由于掩蔽区内波能横向传播所造成的，这种现象称为波浪绕射。波浪绕射是波浪从能量高的区域向着能量低的区域进行重新分布的过程，因此，绕射区内的散射波的同一波峰线上的波高是不同的，愈深入掩蔽区内波高愈小，但其波周期则保持不变。第四节 波浪破碎波浪破碎的原因：1、 运动学原因：从运动学角度波浪不破碎的条件应是波峰处流体质点水平速度 u 要小于波峰移动速度 c，即 。一旦这一条件被破坏，波峰处流体质点将会逸
18、出波面，形成破碎波。2、 动力学原因：波浪中流体质点可以近似看做圆周运动或椭圆运动，质点圆周运动存在离心力 ，该离心力为由流体质点自身重力和流体2压力所平衡。在自由表面上波峰处该平衡力的最大值为重力加速度 g，一旦质点离心力大于该重力，则流体质点无法保持圆周运动，而出现逸出现象，即产生逸破波。破碎波类型：崩破波；卷破波和激破波。极限波陡度和破波指标：深水波浪的最大波高受波形能保持稳定的最大波陡度所限制，达到最大波陡度时，波浪就行将破碎。Stokes 指出，当波峰上的水质点水平轨迹速度刚好等于波速时，波陡度达到极限，这时波峰尖陡而不稳定，波峰角等于 120。浅水区波浪破碎时的指标通常以 来表示，
19、指的是当地波高与水深之比。第三章思考题和习题3-1；3-2；3-3 的计算步骤第五章 海岸波生流质量输移流和破波带内产生的沿岸流和裂流一起构成封闭的近岸环流系统。图5-1第一节 波浪破碎引起的动量转移随着波浪破碎引起的波高衰减，波浪运动的动量也将减小，由牛顿第二定律知道，这一动量减小将转化为波浪对周围流体的作用力。反过来，周围流体也将对波浪产生作用力，以维持波浪动量的减小。周围流体对波浪产生作用力主要通过两种形式：一是通过改变平均水平面而产生新的流体静压力，这一平均水平面变化成为波浪增减水。二是通过产生平均水流，由水流产生的水底摩擦力来维持波浪动量的减小。平均水流包括沿岸流和近岸环流等。辐射应
20、力：随着波浪破碎引起的波高衰减，波浪运动的动量也将减小，这一动量减小将转化为波浪对周围流体的作用力，用流体的流量动量与流体压力之和来表示这一运动过程中波浪对周围流体的作用力，称之为辐射应力。辐射应力表达式： =(2+)当波浪斜向传向海岸时，波浪的辐射应力除含有垂直岸线分量外，还有平行于岸线的分量。垂直于岸线的分量是由侧面上流量的垂直岸线动量分量及流体压力所产生，为推向海岸方向的推力，因而使平均自由面向海岸方向逐渐增高；平行于岸线的分量由侧面上流量的平行岸线动量分量所产生，是与安详平行的作用力，因而驱动流体沿岸流动。当该沿岸流导致的水底摩擦力与该辐射应力相平衡时，便形成稳定的沿岸流。波浪增减水：伴随着波浪传播而出的平均水平面的升高和 降低称为波浪增水和减水。波浪减水意指随着波浪的传播，由于波动的非线性的影响，二阶波面升高的时间平均值不再为零，而是一负值，即平均水平面降低的现象。波浪增水是指在破波带内，随着波浪破碎导致波高衰减，平均水平面从破碎点开始将沿向岸方向逐渐上升，从而在靠近岸线的区域可出现平均水平面高于静水面，即产生了波浪增水。图 5-7第五章思考题 5-4
