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海岸过程的基本定量特征

/basic quantitative features of coastal processes/
条目作者王铮

王铮

最后更新 2023-09-07
浏览 120
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决定海岸地貌过程的动力过程主要是波浪、沿岸流和沉积作用。

英文名称
basic quantitative features of coastal processes
所属学科
地理学

海岸带波浪和沿带流有密切的联系,它们共同作用运移泥沙,塑造地貌。一系列计算模型被用于支持海岸过程的基本定量特征的分析。波浪的第一个地貌作用是波浪传到沿岸带后,由于水深变浅,底部发出摩擦而发生波浪破碎,第一次波浪以后生成新的振幅、波速的波浪,传到近岸地区将可能发生第二次破碎。习惯上将第一次破碎后波浪称为激浪,第二次破碎后生成的波浪称为溅浪或者涌流。第一次破波线以内范围称海滨,其外称滨外。通常对海滨和滨外采用不同模型逼近。破波线的位置取切应力的第一特征位置为第一次破波位置,可以得到

 (1)

式中,,这里为水深,是波数,是波浪振幅.在经验公式研究方面,通常给出一个两参数破波判据:

 (2)

这里为波高,为波动周期。实际上波浪是随机的,波浪破碎是随机的。破波是随机的,破波的位置也因之是统计的,破波带形成的水下地貌沿岸坝与槽的位置也只能有统计意义。

在一般情况下,关于波浪破碎有所谓Snell定律(或Snell–Descartes定律)成立:

 (3)

 (4)

式中,为波高;为波浪的群速度;为波浪的相速度;为波浪的入射角,定义为入射波风险与局地岸线法向的交角,下标分别表示深水或者破波点。Shell定律被广泛地应用分析破波和识别破浪线位置。破波线的这种条件来自能量守恒定律。在实际工程应用中,为了计算破波点,从Snall定律得出

 (5)

式中,为破波点水深;为外海深水波浪波长;为破波点波高与初始水深之比,约为0.78;为外海波高;为波浪陡度。在实际工作中可以由陡度和求出然后求出破波点位置。计算发现入射角越小、陡度越小破波后的波浪波高越高。

波浪传输到沿岸带后,其主要运动形式可视为孤立波(垂直入射)和边缘波(近于平行海岸传播的)。它们形成所谓沿岸流。边缘波的形式可取作斯托克斯波。取方向为沿岸方向,为正交海岸的方向。斯托克斯波形式为

 (6)

其中取值为滩面坡麦,k为波数,坐标系y垂直海岸,x沿岸,z向上,设波浪平行方向传播.(6)式的特点是在y=0处波浪振幅达到最大,而且波剖面有净的水面变化.

 (7)

边缘波作用下,岸线的瞬时位置是沿岸波动的,这种情况下岸线位置为,显得复杂化。

沿岸流乃至以近海地区泥沙的输运量被认为正比于输送它的波潮流作用力。为了进一步分析输沙关系,一般需从推移质与悬移质角度分别考虑。推移质运动主要起因于水流运动的拖曳作用,因此输沙量被认为有下列关系

 (8)

这里为流床附近水质点流速,也可解释垂向平均流速,这相当一个常数。然而有的学者认为上述关系过于简单,贝拉德建议

 (9)

式中,为海滩(流床)比降,向海方向为正。实际上比河流输沙更为复杂海水的问题是波浪是复合的周期运动。

简化而实用沿岸流输沙公式考虑了推移质和悬移质,假设破波带的能流形成了一个稳定的泥沙含量,得到:

 (10)

式中,为波浪输向岸线的能流;为激浪带沿岸流的平均流速;为经验系数,通过实测数据获得;分别为泥沙密度和水的密度;为泥沙内部孔隙率;为沉速。

沿岸流的泥沙输送引起沿岸地带岸线变化。用表沿岸方向,即纵向,表垂直海岸方向,即横向,设长度为的一段岸段,设为泥沙输入段的速率,为泥沙输出段的速率,在后,该段净的堆积与侵蚀量为

 (11)

显然,若,该岸段堆积,若,该岸段侵蚀。另一方面当岸滩的高度为时,侵蚀的体积或堆积的体积为,由此可得泥沙沿岸运动的连续性方程

 (12)

这一方程可以与沿岸流输沙公式,如

 (13)

联合求解,对于一阶偏微分方程(12)来说,代入(13)后只能由数值方法求解。的变化只是由于破浪角引起的,将展开为的泰劳级数

 (14)

王铮,梅安新认为外海风场平均条件下由于破浪角引起的的变化只是取常数从泥沙扩散角度提出在这时岸线演化大致满足

 (15)

这一方程就是一般的扩散方程。河口由于其河宽与海岸线相比趋于零,河长充分长,形式复杂,河流总面积有限,从而有定解条件

(16)

即河口原始形态是函数.从而得到河口基本形态是高斯误差函数

 (17)

这就是人们所说的喇叭口河口。王铮利用飞云江的岸线资料检验了(17)式,(17)式描述的河口形态符合实际情况。

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