第5章 潮汐河口水流泥沙运动规律

c
式中： g 为重力加速度； h 为水深。 若河道中的平均流速为 v ，则
gh
（5-2）
c
gh v
（5-3）
式中正负号当水流流速与波速方向相同时取正，反 之取负。 至于由于潮波引起的水流速度，则可近似地用 [1] 下法求出 。假设在河道中水体原来是静止的，即 v =0，有一单波自左向右传播，如图 5-2 所示。若 不考虑波形的变化，并设波速为 c ，则在 t 时间内 单波传播的距离为 c t 。因为波已向前运动，原始 断面的左侧必须有水体来补充，此水体为
潮水河中， 一般除在潮流界以上， 潮区界以下这段范围内水位与流量具有较稳定的关系 以外，其他河段大都找不到水位与流量关系。在潮流界以下，潮水位愈高时流量愈小或成负 流量，而水位愈低流量愈大，如图 5-5 所示。前者因潮流倒灌造成；后者因落潮时潮流与河 流流速方向一致。 由于潮波是推进波性质， 其波速与水深成正比， 因而波峰速度常较波谷快， 愈到上游则前坡愈短、愈陡，后坡则逐渐增长而变平坦，因此涨潮历时要比落潮历时短，两 者比值与当时的水深和潮差有关。
x t a0 sin 2 L T
这表明时间经过一个潮周期之后，波形仍不变。故波形呈周期性变化。 另外，还可以看出， z 的变化范围，最大值为 a 0 ，最小值为 a 0 ，潮差为 2 a 0 。 （2）潮波传播速度和潮波引起的水流速度 近海海域的潮波主要是由外海传播过来的， 常被认为是一种自由波。 因为潮波周期较长， 故潮波的波长也较长，远大于近海海域水深。所以，可以将潮波看作浅水长波。根据浅水波 的理论，潮波的传播速度 c 可以近似表示为
图 5-5 潮水位与流量关系
（三）盐水异重流 河口是河流与海洋的交汇地带， 一方面河流淡水自河口上游流向口外海域； 另一方面海 洋盐水则自河口下游随潮上溯。 这两种比重不同的流体交汇时， 比重大的海水以异重流的形
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式在河水下层沿着河床向河口上游运动形成“盐水楔”。由于水流紊动作用与分子扩散，海 水进入河口以后与径流混合，含盐度逐渐减小。当含盐度小于 2～3‰时已不影响植物的生 长，所以，一般把 2‰含盐度咸水所及的地方称为咸水界。显然，咸水界也是随着潮汐强弱 和下泄径流的大小而在一定范围内变动。 1．盐淡水混合的类型及判别指标 （1）混合类型 由于各个河口的自然条件不同， 盐水与淡水的混合和盐水入侵情况也有所差异。 根据盐 [2，3] 淡水混合程度，一般可分为 3 种混合类型 。 1）弱混合型。盐淡水之间混合程度低,有明显的交界面，如图 5-6(a)所示，淡水因比 重较轻在盐水的上层下泄入海，而盐水则位于底层沿河底上溯而形成明显的“盐水楔”。此 时在交界面上将产生剪切力作用， 剪切力与盐水的密度梯度之间保持平衡， 使盐水呈楔状侵 入河口，因而有“盐水楔”之称，可见，“盐水楔”是河水与海水相交会因其密度的差异而 产生的异重流。这种混合型式多发生在潮流较弱，而径流较强的河口。如我国的黄河、珠江 口磨刀门等河口。 2）缓混合型。盐淡水之间混合程度中等,无明显的交界面。此时，下层的盐水垂直向上 扩散，上层的淡水也向下传送，于是在一定程度上发生了混合，但上、下层的含盐度仍有显 著的区别。因此，水平方向和垂直方向都有含盐梯度存在。虽然不出现明显的上、下分层现 象，但含盐度的等值线以类似盐水楔的形状伸向上游。如图 5-6(b)所示。这种类型混合型 式一般发生在潮流和径流作用都比较强的河口。如我国的长江、闽江、射阳河、海河、辽河 等河口。 3）强混合型。盐淡水在垂直方向上充分混合，几乎不存在含盐梯度，而水平方向的含 盐梯度却很明显。等盐度线呈垂直或近似垂直状态，此时不存在盐水楔，如图 5-6(c)所示。 这种类型混合发生在潮差较大的强潮河口，如我国的钱塘江、椒江、瓯江等河口。
该式表示 t =0 时的潮波轮廓曲线。如果将 x 移到 x L 处，则
x L x z a0 sin 2 a0 sin 2 L L
表明波形仍不变。当 x 为某特定点时，时间 t 经过一个潮周期后变为 t T 时，则
x t T z a0 sin 2 T L
图 5-2 潮波引起的流速示意
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V ( h 2 a 0 ) vt
于是有
( h 2 a 0 ) vt 2ca 0 t
故
v
若 2 a 0 与 h 相比其值甚小时，则
2ca 0 h 2a 0
（5-4）
v
2ca 0 h
（5-5）
因 h 常较 2 a 0 为大，故波速 c 比潮波引起的水流速度 v 为大。 3．潮波的变形 当潮波进入到河流口门之后， 在传播过程中将不断发生变形。 影响潮波变形的因素是错 综复杂的，主要有：外海潮差，河口区地形，河底的摩阻力，河川径流量等。潮波的变形不 仅在不同的河口是不相同的，即使在同一个河口，在不同的河段也是不相同的。潮波的变形 主要表现在： 1）潮差的变化。河口平面形态对潮波能量的反射与集中起很大作用。对于宽度和深度 逐渐变化的河口，如长江口，潮波在传播过程中反射较少，主要受河底摩阻力的影响，能量 损耗，潮差沿程减小。对于喇叭形河口，如钱塘江河口，潮波自口外向口内传播时，受两岸 约束与潮波反射，能量集中，潮差沿程增加；但经过一段距离后，水深愈来愈小，底部摩阻 使潮波能量的损耗愈来愈大，潮差转而减小。 2）涨落潮历时不对称。潮波进入河口后，由于波峰水深大，传播快；波谷水深小，传 播慢。因而潮波上溯过程中会产生前坡变陡，涨潮历时缩短；后坡趋坦，落潮历时加长的变 形。潮差愈大，低潮水深愈小，则涨落潮历时愈不对称。 3）潮流速和潮位过程曲线出现相位差。流速和潮位曲线出现相位差，很大程度上取决 于反射波的作用。无反射时为推进波，其潮位与潮流过程的相位一致；完全反射时为驻波， 其潮位和潮流过程的相位差 1/4 周期； 一般情况介于推进波和驻波之间。 由于相位差的存在， 使最大涨(落)潮流速先于最高(低)潮位出现。 在某些三角港河口中，往往会出现涌潮，涌潮是一种不连续波，它的前坡极陡，形似直 立，以高速向上游推进，水位上涨极快，并发出很大的声音，数里之外都可听到。如我国钱 塘江涌潮堪称天下奇观, 涌潮通过钱塘江喇叭形的入河口而形成，潮头最高点可达 3.5m,潮 差将近 9m。潮来时，江面上波涛汹涌，犹如万马齐奔，颇为壮观。 4．径流对潮波的影响 河口地区的水流系由径流和潮流两部分组成的。 若径流量改变， 则径流与潮流的力量对 比必然也会改变。径流量大，则涨潮流量将减少，涨潮历时将缩短，落潮历时将延长，而落 潮流量将增加。反之，若上游径流量小，则进潮量与历时将会有相应的变化。径流量的大小 对潮波的影响体现在流速和潮位两个方面，而流速的改变自然会导致输沙的变化。 5．潮汐河口的水位与流量关系
x t z a0 sin 2 L T
（5-1）
式中： a 0 为潮波振幅，即潮差的 1/2； x 为潮波传播方向的距离； L 为波长； t 为时间； T 为周期(对于半日潮，约为 12.4h)； z 为波形某点的高度。 上式的物理意义为，当 t =0 时
x z a0 sin 2 L
1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ9

Q潮 Q径
（5-7）
式中：Q潮 为年均潮流量；Q 径 为年均径流量。当 40 时，以强混合型为主；当 4 时， 以弱混合型为主；当 4 40 时，以缓混合型为主。 [5，2] 西蒙斯(Simons H.B.) 建议用下式计算混合系数 ， 并作为判别盐淡水混合类型的指 标。
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区，亦称潮水河。潮区界以上的河道不受潮波影响，可按一般无潮河流对待。在水深大、比 降小和潮差大的河口，潮区内可有一个以上的潮波，而小河则最多只有一个潮波。 2．潮波波形、传播速度和潮波引起的水流速度 （1）潮波波形 各河口的潮波波形尽管不尽相同， 但在潮波进入河口以前， 其波形仍可近似用正弦曲线 表达为
V Q1 t A2 A1 A3 V V Q2 Q1 t t
（5-6）
据此就可以求出各时段内的平均出流量， 从而可绘出流量过 程线。 当涨潮时 V 0 ， 落潮时则 V 0 ， 对于憩流 V 0 。
图 5-3 潮水位过程线
图 5-4 潮汐河口流量关系图
第五章 潮汐河口水流泥沙运动规律
第一节 潮汐河口水流运动特性
潮汐河口水流既受河川径流的影响，又受海洋潮汐的影响，是一种周期性、往复性的非 恒定流。潮汐是影响河口地区河床演变的主要动力因素。 （一）潮汐现象 海洋中的水位一般每天有规律地升降两次，白天的一次称为潮，夜间的一次称为汐，统 称为潮汐。产生潮汐的原因主要是月球、太阳等天体对地球的引力的结果，这种潮汐亦称为 天文潮。 在潮汐变化过程中，水位上升称为涨潮，下降称为落潮；相应经过的时间分别称为涨潮 时和落潮时。涨潮至最高水位称为高潮位；落潮至最低水位称为低潮位。相邻两高低潮位之 差称为潮差。 相邻两高潮位或两低潮位之间的时间称为潮周期。 在由低潮位至高潮位或高潮 位至低潮位转变过程中， 水位在极短的时间内停止涨落则称为憩潮或平潮。 潮水位从低潮位 涨至高潮位又落回低潮位，周而复始，往复循环。 一般逢朔（阴历每月的初一）、望（阴历每月的十五）的潮汐，其潮差为半月中最大， 称为大潮。上弦（阴历每月初八）和下弦（阴历每月二十三）的潮差为半月中最小，称为小 潮。年内冬至和夏至时潮汐较小，秋分和春分时的潮汐相对较大。对月球而言，由于地球自 转历时 24h50min，故潮期约为 12h25min。根据潮周期常将潮汐划分为 3 种类型：①半日潮， 每日有两次高潮和两次低潮；②全日潮，每日有一次高潮和一次低潮；③混合潮，每日有两 次高潮和两次低潮， 但相邻的高潮位或低潮位明显 不等。上述 3 种类型的潮位过程线如图 5-1 所示。 在每天的两个高潮中把较高的那个高潮称为高高 潮，把较低的那个高潮称为低高潮。 （二）潮波与潮流 潮汐发生以后，会以波的形式向四周传播，称 为潮波。潮波在传播过程中伴随有水体的流动，称 为潮流。 1．潮流界与潮区界 潮波沿河口进入河道后， 当潮流大于河水流速 时，波峰向河道上游传播，但受河床阻力及下泄径 流的影响，推进的能量则逐渐减小，潮差也逐渐减 小。当潮波推进至相当距离时，河口已开始落潮， 河道内的上溯流速、流量随之减小，潮流作用更为 微弱，潮流上溯至某一断面处，潮流上溯的流速恰 好与河水下泄的流速相等，潮流停止上溯，这一断 面位置称为潮流界。潮流界以上，由于河水受阻壅 积，仍存有潮差，潮波仍继续向上游推进，但潮差 急剧下降，至潮差等于零处，该处称为潮区界。潮 图 5-1 潮汐的 3 种类型 区界的位置还受河水流量的大小及潮差高度影响， （ a ）半日潮； (b)全日潮；(c)混合潮 并不是固定不变的， 潮区界至河口这一河段称为潮
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潮汐河口的水位不仅与河中流量有关，还与河口潮汐、风、河底地形等有关。对于宽深 河口，潮水位过程线如图 5-3（a)所示。对于受上游来水量影响较大的河口，潮水位过程线 如图 5-3（b)所示，图 5-3（c)为其相应的上游流量过程线。 在正常情况下，根据水流连续性原理，进入河口内的水量和 流出河口的水量应相等。在 t 时段内若有实测潮水位水面线 I、 Ⅱ（图 5-4），则流出河口的水量应有
图 5-6 盐淡水混合的类型 (a)弱混合型；(b)缓混合型；(c) 强混合型 1-淡水；2-盐水；3-混合水
河口混合类型主要取决于径流与潮流的相对强弱。我国河口的盐淡水混合类型，3 种均 有，但以缓混合型为主，弱混合型仅出现于少数弱潮河口，强混合型则集中分布在浙江的若 [4] 干强潮河口 。需要注意的是：就是对于同一个河口，盐淡水混合的类型也并不是固定不变 的，而是随着不同季节径流量和潮流量的对比关系，从一种类型转化为另一种类型。例如， 长江口一般是属于缓混合型，但在洪水小潮的情况下，有时会出现盐水楔。 （2）判别指标 [4] 金元欢等 认为我国河口盐淡水的混合类型与潮、径流量之比有着良好的相互关系，可 用下式作为判别盐淡水混合类型的指标。