海岸工程設(shè)計波要素推算方法探討――以如東人工島設(shè)計波要素推算為例

２０１０年３月第３期總第４３９期水運工程Ｐ０ｒｔ＆ＷａｔｅｒｗａｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭａｒ．２０１０Ｎｏ．３ＳｅｒｉａｌＮｏ．４３９海岸工程設(shè)計波要素推算方法探討毒——以如東人工島設(shè)計波要素推算為例付桂ｕ，楊春平２（１．交通運輸部長江口航道管理局，上海２００００３；２．丹華水利環(huán)境技術(shù)（上海）有限公司，上海２０００３２）摘要：以如東人工島設(shè)計渡要素推算為例，分別利用歷史臺風天氣圖推算法和設(shè)計風速推算法推求不同重現(xiàn)期設(shè)計波要素并進行對比分析。結(jié)果表明，兩種方法各有優(yōu)劣，但歷史臺風天氣圖推算法的計算精度比設(shè)計風速推算法的精度差。為了安全起見，建議采用設(shè)計風速推算法。關(guān)鍵詞：海岸工程；設(shè)計波要素；歷史臺風天氣圖；設(shè)計風速；如東人工島中圖分類號：７ｒｖ１３９．２＋４文獻標志碼：Ａ文章編號：ｌ００２－４９７２（２０１０）０３＿００４２—０５ＡｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎｏｎｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｏｆｄｅｓｉｇｎｗａＶｅｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆｃｏ嬲ｔａｌｅｎ西ｎｅｅｒｉｎｇ：ＴａｋｉｎｇｔｈｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎｗａｖｅｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆＲｕｄｏｎｇａｒｔｉｆｉｃｉａｌｉｓｌａｎｄａｓａｎｅｘａｍｐｌｅＦｕＧｕｉｌｔ２，ＹＡＮＧＣｈｕｎ—ｐｉｎ礦（１．ＹａｎｇｔｚｅＥｓｔｕａｒｙｗａｔｅｎ舊ｙＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎＢｕｒｅａｕ，ＭＯＣ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００００３，ｃｈｉｎａ；２．ＤＨＩｃＨＩＮＡ，ｓｈａｎｇｈａｉ２０００３２，ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴａｋｉｎｇｔｈｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎｗａｖｅｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆＲｕｄｏｎｇａｒｔｉｆｉｃｉａｌｉｓｌａｎｄａｓａＩｌｅｘａｍｐｌｅ，ｗｅａｄｏｐｔｔｗＤｄｉｆｆ－ｅｒｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎｗａｖｅｅｌｅｍｅｎｔｓ“ｃｏａｓｔａｌｅｎ百ｎｅｅ—ｎｇ：ｏｎｅｉｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｗｉｎｄｓｐｅｅｄｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｏｔｈｅｒｉｓｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｗａｙｏｆｔｙｐｈｏｏｎｗｅａｔｈｅｒｃｈａｒｔｓｏｆｈｉｓｔｏｒｙ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｂｏｔｈｍｅｔｈｏｄｓｈａｖｅａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅ８．Ｂｕｔｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｅｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｈｉｓｔｏｒｙｔｙｐｈｏｏｎｗｅａｔｈｅｒｃｈａｎｓｍｅｔｈｏｄｉｓｗｏｒｓｅｔｌｌａｎｔｈａｔｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎｗｉｎｄｓｐｅｅｄｍｅｔｈｏｄ．ＦｏｒｔｈｅｐｕＩｐｏｓｅｏｆｓａｆｂｔｙ，ｔｌｌｅｄｅｓｉｇｎｗｉｎｄｓｐｅｅｄｍｅｔｈｏｄｉｓｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏａｓｔａｌｅｎ舀ｎｅｅｒｉｎｇ；ｄｅｓｉｇｎｗａｖｅｅｌｅｍｅｎｔｓ；ｔｙｐｈｏｏｎｗｅａｔｈｅｒｃｈａｒｔｓｏｆｈｉｓｔｏＩｙ；ｄｅｓｉｇｎｗｉｎｄｓｐｅｅｄ；Ｒｕｄｏｎｇａｒｔｉｆｉｃｉａｌｉｓｌａｎｄ海岸工程設(shè)計波要素推算方法大致有相關(guān)分析法【瑚、經(jīng)驗公式法【３ｌ及數(shù)學模型計算㈣等方法。本文利用２種不同的方法推算海岸工程設(shè)計波要素。方法ｌ為歷史臺風天氣圖推算法：利用歷史天氣圖，摘?。玻澳暌陨系呐_風資料，利用ＭＩＫＥ２１Ｓｗ模型推算出臺風期最大波高序列，采用極值分析的方法【９ｌ推求設(shè)計波要素；方法２為設(shè)計風速推算法：依據(jù)氣象站多年風速、風向?qū)崪y資料進行頻率分析推求各方向不同重現(xiàn)期的外海深水波要素，其次建立復雜地形條件下考慮底摩阻及局部風影響的淺水波浪變形數(shù)學模型，計算各種工況下不同重現(xiàn)期的設(shè)計波浪要素。本文主要以如東人工島丁程設(shè)計波要素推算為例，應用上述２種方法進行計算并比較分析，探討適合海岸工程地區(qū)設(shè)計波要素的推算方法。如東人工島工程位于江蘇省如東縣海濱，所在海域?qū)儆谔K北輻射沙洲群，擬建人工島設(shè)計建筑位于爛沙洋水道兩端南側(cè)的西太陽沙中部的淺灘上，其北側(cè)深水區(qū)為擬建碼頭工程。工程區(qū)西距小洋港約３０ｋｍ，東南距呂四港約５０ｋｍ，西南收稿日期：２００９塒一１８作者簡介：付桂（１９８ｌ一），男，碩士，工程師，從事港口航道及海岸工程預可行性研究。萬方數(shù)據(jù)第３期付桂，楊春平：海岸工程設(shè)計波要素推算方法探討’?４３?距如東縣城約３２ｋｍ（圖１）。工程區(qū)水域潮型屬于規(guī)則的半日潮，最大潮差８．０８ｍ，最小潮差１．７９ｍ。該海區(qū)為不規(guī)則的半日潮流海區(qū)，漲落潮流速和歷時均不相同，落潮流速大于漲潮流速，落潮歷時大于漲潮歷時。同時，本海區(qū)為強潮區(qū)，實測最大流速為落潮流，流速可達１．９５Ⅱ以。該區(qū)常風向為ｓＥ向，次常風向為ＮＥ向，強風向為Ｎｗ向。該海域常浪向為Ｎ向，次常浪向為ＮＮｗ向，強浪向為ＮＥ，實測最大波高６．９ｍ，次強浪向為Ｅ和ＥＮＥ，實測最大波高分別為５．３ｍ和５．１ｍ。人工島工程建設(shè)在西太陽沙中部（圖２），直接受波浪、潮流的襲擊，因此需要進行工程區(qū)設(shè)計波要素的計算和研究。圖ｌ蘇北輻射沙洲示意圖圖２擬建人工島及其附近波浪采樣點位置圖由于如東縣西太陽沙人工島附近只有完整１年（１９９６１０—１９９７１０）的現(xiàn)場波浪觀測資料，不足以可靠推算重現(xiàn)期波浪要素，因此波浪計算只能采用風場資料間接推算的方法。而西太陽沙人工島附近又缺少長期的風況觀測資料。為此，風浪計算的風場資料只能通過以下２種方法解決：一是采用歷史臺風天氣圖，摘?。玻澳暌陨系呐_風資料，利用風場及氣壓場模型確定風場；二是利用距離人工島最近的如東縣氣象站風速觀測資料，并進行內(nèi)陸—海岸—海洋風速訂正，確定海上設(shè)計風速。最終利用這２種方法獲得的風數(shù)據(jù)推算人工島設(shè)計波要素。１歷史臺風天氣圖推算法１．１技術(shù)路線１）地面天氣圖的選擇。由于缺乏實測大范圍風場數(shù)據(jù)，從如東氣象臺收集了１９５卜２００３年共５３年間影響該海區(qū)臺風的歷史地面天氣圖，包括各個臺風的路經(jīng)圖，臺風臨近該海區(qū)時每隔６ｈ的中心氣壓、臺風中心附近最大風速半徑處的最大風速和等氣壓線的分布。對臺風歷史天氣圖進行篩選，最終選擇路由該區(qū)域２１場極端臺風作為計算臺風。２）風場及氣壓場計算。海面的風場是海浪數(shù)值計算的重要組成部分，選擇科學合理的風場計算模式睜１２ｌ十分重要。本文計算中以梯度風模式為主并采用《海港水文規(guī)范》等對氣壓類型、大氣穩(wěn)定度、近海面墊層摩阻等的相關(guān)修正規(guī)定，先計算出梯度風，再換算海面上ｌＯｍ高程處的風速風向值。利用上述方法計算２ｌ場臺風風場，依據(jù)氣象臺提供的地面天氣圖和各地面測站的實測氣壓、風速風向值，進行風場修正，最終獲得２１場極端臺風的氣壓場及速度場。３）波浪場計算模型【堋。蘇北輻射沙洲灘槽相間，水下地形變化較為劇烈，波浪自深水進入淺水的過程中由于受到輻射沙洲復雜水下地形的影響。發(fā)生了明顯的折射繞射變形，另外波浪經(jīng)過人工島島壁的反射、繞射及水下地形引起的折射綜合作用，在島壁前發(fā)萬方數(shù)據(jù)?４４?水運工程２０１０年生復雜的波一波干涉作用。根據(jù)方案比選，模型需要綜合考慮波浪折射、繞射、反射、淺水變形、底摩阻及風能輸入在內(nèi)的模型，本文選擇ＭｌＫＥ２１Ｓｗ模型作為波浪場計算模型。ＭＩＫＥ２ｌＳｗ基于波作用守恒方程１１４ｌ，采用波作用密度譜Ⅳ（盯，口）來描述波浪，其中模型的自變量為相對波頻率盯和波向口。４）計算原則及方法。利用ＭＩＫＥ２ｌＨＤ＆Ｓｗ模型建立東中國海水動力學模型及波浪模型。計算域采用不規(guī)則三角形網(wǎng)格剖分計算域，深海最大三角形網(wǎng)格邊長為１５ｋｍ，近海網(wǎng)格邊長約ｌｋｍ，重點對工程區(qū)進行局部加密，最小網(wǎng)格邊長３００ｍ（圖３）。波浪模型計算采用大小網(wǎng)格嵌套的方法，利用大網(wǎng)格計算各種工況條件下的大區(qū)域波浪場，為小區(qū)域模型（圖３，右下）提供邊界條件。模型驗證采用１９９７年８月臺風Ｗｉｎｎｉｅ過境期間西太陽沙的實測資料（１９９７年８月１７日０：００至８月２１日０：００水位、波浪過程）對模型進行了潮位、波浪過程的驗證。潮位、波浪驗證結(jié)果見圖４。模型驗證均符合波浪模型規(guī)范的規(guī)定和要求。利用率定好的水動力及波浪參數(shù)進行方案計算。通過輸入２１場極端臺風地面天氣圖海面風場計算最終得到２１組臺風的波浪場。１．２計算結(jié)果統(tǒng)計上述波浪場工程區(qū)采樣點歷年最大波高序列，采用極值分析的方法推求工程區(qū)各采樣點的設(shè)計波要素。下面僅列出工程區(qū)采樣點５０年一遇的設(shè)計波要素（表１）。圖３計算網(wǎng)格圖（左：大模型網(wǎng)格：右上：工程區(qū)局部加密網(wǎng)格：右下：小模型網(wǎng)格）００：００１２：００∞一１９時問００：００１２：∞０８＿２０１９９７塒一１８儺一１９時間啡如圖４西太陽沙潮位、波浪驗證（左上：潮位驗證；左下：波高驗證；右上：波周期驗證；右下：波向驗證）表ｌ工程區(qū)采樣點設(shè)計波要素（５０年一遇情況）２設(shè)計風速推算法２．１技術(shù)路線１）岸臺氣象站實測資料統(tǒng)計分析。主要通過各風向出現(xiàn)頻率及其平均風速、最大風速的統(tǒng)計，獲得丁程海域的常風向、強風向以及各風向的風速大小，對工程海域的風場特性有一個比較全面的了解。２）確定不同重現(xiàn)期海上設(shè)計風速。按年最大風速采樣法，對岸臺氣象站１０分鐘萬方數(shù)據(jù)第３期付桂，楊春平：海岸工程設(shè)計波要素推算方法探討’?４５?平均的最大風速進行頻率分析，得到各個方向的不同重現(xiàn)期設(shè)計風速值，再進行內(nèi)陸一海岸一海上風速訂正，最終確定海上深水區(qū)域各方向不同重現(xiàn)期設(shè)計風速。３）海上設(shè)計風速的合理性分析。為了驗證推算的不同重現(xiàn)期風速的可靠性，要引用了相關(guān)海洋水文站、相關(guān)已建工程的設(shè)計風速資料與之比較，分析各方向不同重現(xiàn)期設(shè)計風速的合理性、可靠性。４）深水區(qū)域風浪要素計算。這部分工作最為重要，就目前國內(nèi)外常用的定常風浪計算公式有好多種，必須經(jīng)過驗證計算一些風、浪同步資料，有針對性的選擇工程海域風浪特性的計算公式。在本文中僅選擇海港水文規(guī)范公式（青島海洋大學公式）舊、國家提防工程規(guī)范（ＧＢ一５０２８６—９８）公式（莆田試驗站公式）【峋、美國ＳＭＢ公式（美國海岸工程防護手冊）１１７１３種方法來推算深水波浪要素。計算結(jié)果表明，在深水區(qū)域我國的海港水文規(guī)范公式（青島海洋大學公式）較為合適，相對誤差較小。５）淺水區(qū)域波要素計算陋嘲。目前進行波浪淺水傳播變形計算的方法歸納起來大致有兩類：其一為不規(guī)則波方法，代表性的模式有青島海洋大學等提出的新型混合型海浪數(shù)值模式、荷蘭ＤｅＩｆｔ大學３一Ｄ中的ｗＡＭ型海浪數(shù)值預報模式；其二為代表波（如有效波或者平均波等規(guī)則波）方法，常用的有緩變水流水深中波浪繞射折射數(shù)學模型、特征線（波向線）理論—數(shù)值模式。每種模式都有自身的優(yōu)缺點和適用范圍，經(jīng)過相關(guān)研究及驗證，Ｍｉｋｅ２ｌＳｗ模型綜合考慮了上述兩種計算方法，并且考慮了近岸區(qū)波浪的淺水變形，折射、繞射、反射及波浪破碎等因素。所以本文采用Ｍｉｋｅ２ｌＳｗ模型進行計算。６）計算原則及方法。蘇北輻射沙洲的中心區(qū)域，距離受地形影響較小的深水邊界有百余公里，而欲計算工程前沿設(shè)計波浪要素，必須從該深水邊界起算，因此計算范圍將達到近萬平方公里。為了充分反應工程附近水域的局部地形變化，又要適當節(jié)省計算工作量，所以在進行地形概化和數(shù)值差分計算中采用工程區(qū)網(wǎng)格局部加密的方法。按上述確定的步驟及計算處理原則，分別就不同重現(xiàn)期、不同潮位、不同波浪方向進行波浪傳播變形計算。計算中對于各個波浪方向采取各自主方向的左右２２．５ｏ范嗣內(nèi)每隔７．５０多方位入射計算，以尋找最不利波浪入射方向，波高采用平均波高，底摩阻系數(shù)取為０．０ｌ，風能輸人時相關(guān)系數(shù)按“海大”方法確定，如果出現(xiàn)波浪破碎，則按破波波高計算。２．２計算結(jié)果計算結(jié)果表明，波浪自深水進入淺水的過程中由于受到輻射沙洲復雜水下地形的影響，發(fā)生了明顯的折射繞射變形，部分區(qū)域的波向與原入射波向差別很大，進一步說明在該地區(qū)不考慮波浪的折繞射影響是不合適的，波向在傳播過程中的變化順應水下地形的變化趨勢，波高在空間上的分布變化較大，總的來說波動能量向淺水區(qū)域集中，由于沿程風能的繼續(xù)輸入，淺水水域的波高也有所增加，但當潮位較低時，淺水區(qū)的波高受到水深的限制。通過計算對擬建工程后的人工島各采樣點波要素進行匯總。擬建工程各點上基本偏北向至東南向為主要控制方向，為了便于比較分析，僅列出５０年一遇最不利情況下的設(shè)計波要素，即在極端高水位９．２ｍ及向岸風向情況下人Ｔ島附近采樣點的波要素特征值（表２）。表２如東人工島工程區(qū)采樣點設(shè)計波要素（５０年一遇。極端高水位９．２０ｍ）采樣點而面而鬻麓。ｌ６．０４５．１４４．１９２．６８１２７．５４９．７５．２５．９５５．２４４．４５３．０４９３．６４９．８７弓５．４４．７６４．０５２．７８８９．０２９．８７．４５．１１４．５３．８２２．６１６９．５８８．０９篤５．５９４．９５４．２４２．９４８６．５９９．７５艷６．２５５．５ｌ４．６８３．２９４．０９９．７５夏丙鬲原始波向４６．１ＮＥ—ＥＮＥ６５．４Ｅ—ＥＳＥ７４Ｅ—ＥＳＥ５．３Ｎ—ＮＮＥ４０．１ＮＥ—ＥＮＥ３５．２ＮＥ—ＩｃＮＥ３工程設(shè)計波要素推算方法綜合分析與比較采用以上２種方法（歷史臺風天氣圖推算法和設(shè)計風速推算法）分別得到了不同重現(xiàn)期的人Ｔ島區(qū)域設(shè)計波浪要素。下面僅對５０年一遇的設(shè)計波要素進行比較分析。從表３中，首先可以看出：在。ｌ，趁，勺點，利用歷史臺風天氣圖推算法的有效波高結(jié)果很明顯大于設(shè)計風速推算法結(jié)果。特別是。ｌ點差別達１．５ｍ，而。１點水深大約２０ｍ，按照青島海洋大學深水波要素計算公式推求約４．３ｍ，結(jié)果和設(shè)計風速推算法基本一致。在＃５，萬方數(shù)據(jù)?４６?水運工程２０１０年埯點，利用歷史臺風天氣圖推算法的有效波高結(jié)果小于設(shè)計風速推算法結(jié)果，主要原因是受人工島西側(cè)棧橋的影響（圖２）。其次，利用歷史臺風天氣圖推算法的波周期結(jié)果很明顯小于設(shè)計風速推算法結(jié)果。一般來說波高波周期正比例相關(guān)的，可見利用歷史臺風天氣圖推算法獲得的設(shè)計波周期結(jié)果精度要差一些。最后，對于設(shè)計波向，除＃４，＃５點外，差別不是很大。綜合分析認為：２種方法各有優(yōu)劣，兩種方法計算出來的差別主要是由于歷史臺風天氣圖推算法為不分方向的計算所致，二者統(tǒng)計的代表性不同，相對而言，歷史天氣圖的精度要比岸站實測風速的精度差一些。為了安全起見，個人建議采用設(shè)計風速推算法較為合理可靠。表３兩種不同推算方法獲得如東人工島采樣點設(shè)計波要素比較（５０年一遇）注：計算方法Ｉ為歷史臺風天氣圖推算法，計算方法Ⅱ為設(shè)計風速推算法。４結(jié)論對于海岸工程設(shè)計波要素，可以應用多種方法進行推算。本文通過兩種不同的方法推算海岸工程設(shè)計波要素。方法Ｉ為歷史天氣圖推算法：利用歷史天氣圖，摘?。玻澳暌陨系呐_風資料，利用ＭＩＫＥ２ｌＳｗ模型推算出臺風期最大波高序列，采用極值分析的方法推求設(shè)計波要素。方法Ⅱ為設(shè)計風速推算法：依據(jù)離海岸工程最近氣象站多年風速、風向?qū)崪y資料進行頻率分析，推求各方向不同重現(xiàn)期的設(shè)計風速，并進行內(nèi)陸一海岸一海上風速訂正，獲得海上深水區(qū)域各方向不同重現(xiàn)期設(shè)計風速，再利用深水區(qū)風浪要素計算公式確定深水區(qū)波要素。之后把推求獲得的多年一遇設(shè)計波浪要素作為淺水波浪變形數(shù)學模型的起始邊界波要素，進行淺水波要素推算。最后應用極值統(tǒng)計方法確定近海結(jié)構(gòu)物設(shè)計波浪。在進行海岸工程結(jié)構(gòu)物設(shè)計波要素計算時，個人建議采用設(shè)計風速推算法進行推算，使其能夠滿足工程設(shè)計安全需要。參考文獻：【ｌ】滕學春，吳秀杰．北部灣年極值波浪與設(shè)計波浪估算的研究陰．黃渤海海洋，１９９８，ｌＯ（１）：２７—３５．【２】滕學春，吳秀杰．萊州灣口設(shè)計波要素估算方法的研究【Ｊ】－海洋通報，１９９２，１１（２）：５８—６３．【３】張賽生．長江口地區(qū)設(shè)計波浪要素推算方法探討Ｕ】．上海水務，２００６，２２（１）：ｌ一３．【４】王中起，劉針．秦皇島港山海關(guān)港區(qū)３．５萬ｔ級通用泊位續(xù)建Ｔ程設(shè)計波要素分析ｆＪｌ．港工技術(shù)，２００８，（３）：ｌ一３．【５】司廣成，周良明，朱慶林，等．利用波浪折繞射模型和風浪成長公式計算臨港重現(xiàn)期波要素【Ｊ】．海洋湖沼通