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1、,第八章 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,8.0 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入湖河口入库河口,8.1潮汐河口的分段和分类,(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
2、流量大小而变化,6.1.1.1,xe,何为口门？,河口段多年平均中潮位水面坡降线与平均海平面交点所在的位置。,8.1潮汐河口的分段和分类,(一)潮汐河口的分段,6.1.1.2,xe,何为潮流界？,涨潮流流速与径流流速相抵消，潮水停止倒灌之处。,涨潮逐渐减弱的原因：河床阻力、径流阻碍。,8.1潮汐河口的分段和分类,(一)潮汐河口的分段,6.1.1.3,xe,何为潮区界？,涨潮波消失、潮差为零之处。,潮区界以上不受潮汐影响，纯属径流。,分界并非固定，应是一个范围,8.1潮汐河口的分段和分类,(一)潮汐河口的分段,6.1.1.4,xe,何为感潮河段？,口门至潮区界之间受潮汐影响的河段。,8.1潮汐河
3、口的分段和分类,(一)潮汐河口的分段,6.1.1.5,一,潮汐河口分段,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。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。口外海滨段：口门三角洲前沿，地貌主要表现为水下三角洲。,河流近口段河流河口段河流近海段,8.1潮汐河口的分段和分类,(一)潮汐河口的分段,8.1潮汐河口的分段和分类,(二)潮汐河口的分类,地貌学角度：三角洲河口:形态：河流泥沙在近海淤积形成的三角形堆积体(扇形分汊式河口)形成：径流含沙量大，潮流及沿岸流较弱，不能将河流带来的泥沙带走典型：黄河、长江、多瑙河、尼罗河三角港河口：形态：潮水冲刷大陆
4、内部形成的漏斗形河口(喇叭口)形成：径流含沙量小，潮流及沿岸流较强，带走泥沙典型：钱塘江河口、泰晤士河口,8.1潮汐河口的分段和分类,(二)潮汐河口的分类,径流潮流相对强弱和来沙特征：强潮海相河口:钱塘江口泥沙主要来自口外海滨，强潮将口外泥沙推进口内沙坎弱潮陆相河口：黄河口河流流域来沙丰富，强径流挟沙至口门附近落淤拦门沙,8.1潮汐河口的分段和分类,(二)潮汐河口的分类,径流潮流相对强弱和来沙特征：湖源海相河口：黄浦江口径流潮流均不强，经过上游胡泊或河网调节，潮差中等，流域来水来沙少，泥沙主要来自口门拦门沙陆海双相河口：长江口径流潮流相当，陆域海域来沙丰富拦门沙、沙坎,8.1潮汐河口的分段和分
5、类,(二)潮汐河口的分类,潮差高低：强潮河口: 潮差4m中潮河口：潮差=24m弱潮河口：潮差2m,8.2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,8.2潮汐河口区的水流特性,(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：海水开始落潮，
6、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、水深急剧变大，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,(
7、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，使得涨潮历时更加短,(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
8、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，潮波便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,8.2潮汐河口区的水流特性,(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
9、-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,8.2潮汐河口区的水流特性,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,8.2潮汐河口区的水流特性,弱混合型：又称高度成层型、盐水楔型径流强潮
10、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,8.2潮汐河口区的水流特性,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，
11、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,8.2潮汐河口区的水流特性,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,8.2潮汐河口区的水流特性,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,8.2潮汐河口区的水流特性,滞流点：一个潮周期内，下泄
12、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,8.2潮汐河口区的水流特性,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,8.2潮汐河口区的水流特性,口门外
13、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,8.2潮汐河口区的水流特性,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,三、河口区口门外的水流泥沙特征,8.3潮汐河口区的泥沙运动特点,(一)河口区泥
14、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,8.3潮汐河口区的泥沙运动特点,(二)河口区推移质运动,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),8.3潮汐河口区的泥沙运动特点,(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
15、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,细颗粒泥沙絮凝,8.3潮汐河口区的泥沙运动特点,(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
16、泥沙粘结在一起，形成较大颗粒(团粒)，这将增大沉速,8.3潮汐河口区的泥沙运动特点,(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),8.3潮汐河口区的泥沙运动特点,(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
17、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,8.3潮汐河口区的泥沙运动特点,(四)河口区浮泥运动,运动过程：异重流：浮泥为下异重流 (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,8.3潮汐河口区的泥沙运动特点,(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),8.3潮汐河口区的泥沙运动特点,(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,8.4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,8.4潮汐河口区的河床演变,河口浅滩-沙坎+拦门沙,沙坎：在口门外或口门附近淤积的泥沙堆积体拦门沙：深入河口段以内的泥沙堆积体,钱塘江三角港河口,三角港河口-英国泰晤士河,返回,三角洲河口黄河河口,三角洲河口长江河口,三角洲河口-密西西比河河口,返回,
