欒家口和蓬萊東港區(qū)波浪特性與掩護(hù)水域波況研究

連衛(wèi)東，劉 針

（1.煙臺(tái)市港航管理局,煙臺(tái)264000；2.交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

煙臺(tái)港是我國(guó)綜合運(yùn)輸體系的重要樞紐和沿海主要港口之一，煙臺(tái)港擬建的蓬萊東港區(qū)和欒家口港區(qū)位于黃渤海分界、渤海海峽的南部、山東半島的北部，地理位置見(jiàn)圖1。對(duì)港區(qū)附近海洋站測(cè)波資料進(jìn)行了分析，該海區(qū)近海波浪是以風(fēng)浪為主的混合浪［1-2］。利用波浪數(shù)學(xué)模型對(duì)兩港區(qū)防波堤碼頭建設(shè)前后的波浪進(jìn)行模擬，研究掩護(hù)水域內(nèi)波浪傳播的特性和減小港內(nèi)波高的有效措施。

圖1 工程位置Fig.1 Project location

1 波浪特性分析

利用相鄰龍口海洋站和蓬萊海洋站的觀測(cè)資料對(duì)港區(qū)波浪進(jìn)行研究。龍口海洋站位于龍口灣外，測(cè)站37°41.1′N(xiāo)，120°13.3′E，具有多年的觀測(cè)資料，該站測(cè)波浮鼓設(shè)在屺坶島高角 NNW 方向，距岸 528 m，水深-15.7 m。蓬萊海洋站位置 37°50.0′N(xiāo)，120°45.0′E，浮標(biāo)（傳感器）處基準(zhǔn)面水深-19.0 m。

龍口海區(qū)屬于以風(fēng)浪為主、涌浪為輔的混合浪海域，常浪向?yàn)镹E向，頻率為9.03%，次常浪向?yàn)镹NE向，頻率為5.16%，強(qiáng)浪向?yàn)镹E向，大于4 m的波浪出現(xiàn)頻率為0.14%。

龍口測(cè)站1992～1994年波玫瑰見(jiàn)圖2。龍口海區(qū)常風(fēng)向和強(qiáng)風(fēng)向均為NE向，次常風(fēng)向?yàn)镾向，E-SSW向的頻率和為29.36%，龍口所在海區(qū)，E-S-SSW向?yàn)殛懮蟻?lái)風(fēng)，在此風(fēng)向作用下波高較小，龍口海區(qū)無(wú)浪頻率為73.72%。

蓬萊海區(qū)也屬于以風(fēng)浪為主、涌浪為輔的混合浪海域，常浪向?yàn)镹NE向，頻率為6.82%，次常浪向?yàn)镹E向，頻率為5.91%。強(qiáng)浪向?yàn)镹E向，大于3.5 m的波浪出現(xiàn)頻率為0.02%，波玫瑰見(jiàn)圖3。蓬萊海區(qū)常風(fēng)向?yàn)閃SW向，頻率為15.37%，強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镹NE向，次常風(fēng)向ENE向、SE-SSW向的頻率和為12.9%，蓬萊所在海區(qū)，SE-SSW向?yàn)殛懮蟻?lái)風(fēng)，在此風(fēng)向作用下波高較小，蓬萊海區(qū)無(wú)浪頻率為71.89%。

圖2 龍口測(cè)站波玫瑰圖（1992～1994）Fig.2 Wave rose of Longkou station（1992～1994）

圖3 蓬萊測(cè)站波玫瑰圖（1992～1994）Fig.3 Wave rose of Penglai station（1992～1994）

欒家口港區(qū)所在海域SW-ENE側(cè)為大陸，WNW-NNW向面向渤海灣；N-NE向一側(cè)也朝海，但受南長(zhǎng)山島、北長(zhǎng)山島、大小黑山島的掩護(hù)，與WNW-NNW相比，風(fēng)距相對(duì)較短；距該港約6 km有一淺灘——登州淺灘，全長(zhǎng)約6 km，平均寬度為0.6 km。該淺灘軸線與海岸線夾角為45°，基本上呈東西走向，使大波不易進(jìn)入港區(qū)，對(duì)港區(qū)有一定的掩護(hù)作用。

2 港區(qū)口門(mén)波要素

龍口海洋站有1960～1982年23 a波浪觀測(cè)資料，對(duì)各向波高年極值利用P-III曲線適線法得到不同重現(xiàn)期波要素（表1），把龍口測(cè)站的波要素作為數(shù)學(xué)模型的率定點(diǎn)，調(diào)整模型的參數(shù)，使波浪傳播到率定點(diǎn)時(shí)和已知波要素一致，從而得到工程區(qū)設(shè)計(jì)波要素。防波堤和碼頭建設(shè)前設(shè)計(jì)波要素的模擬采用TK-2D［3］的PEM波浪數(shù)學(xué)模型。進(jìn)行波浪模擬時(shí)，選取東西約75 km、南北約50 km作為計(jì)算范圍，網(wǎng)格步長(zhǎng)20 m。欒家口港區(qū)的強(qiáng)浪向?yàn)槠玏NW向，由于北部島嶼和陸域的掩護(hù)偏N-ENE向波高較小，蓬萊東港區(qū)的強(qiáng)浪向?yàn)槠玁E向。

利用TK-2D的PEM波浪數(shù)學(xué)模型推算得到平面布置方案口門(mén)位置波要素，作為港內(nèi)波況計(jì)算的初始邊界條件。欒家口港區(qū)和蓬萊東港區(qū)口門(mén)處H4%波高見(jiàn)表2。

表1 龍口測(cè)站水深15.7 m波要素Tab.1 Wave parameters of 15.7 m depth in Longkou

表2 港區(qū)口門(mén)波高Tab.2 Wave height at the entrance of port m

3 港內(nèi)波高分析

防波堤碼頭建成后港內(nèi)波況的計(jì)算采用MIKE21之BW［4-8］波浪數(shù)學(xué)模型，采用矩形網(wǎng)格，網(wǎng)格步長(zhǎng)△x=△y=4 m，時(shí)間步長(zhǎng)△t=0.1 s。不規(guī)則波波浪模擬波譜采用JONSWAP譜。

3.1 蓬萊東港區(qū)

蓬萊東港區(qū)方案平面布置見(jiàn)圖4，口門(mén)寬300 m，初始方案碼頭和防波堤結(jié)構(gòu)型式均按照直立式碼頭全反射進(jìn)行模擬，在NE向浪作用下，由于東側(cè)防波堤的掩護(hù)，進(jìn)入港內(nèi)的波浪較少。數(shù)學(xué)模型模擬計(jì)算了重現(xiàn)期2 a，WNW、NW、NNW、N和NNE向浪作用下港內(nèi)波高，1#碼頭的控制浪向是NNE向，波高為2.66 m，2#、3#和4#碼頭的控制浪向是NW向，波高分別為3.28 m、3.73 m和3.58 m。在NW向浪作用下，在2#碼頭、3#碼頭和4#碼頭區(qū)域波浪發(fā)生多次反射，此區(qū)域內(nèi)比波高1.2～1.3，港內(nèi)比波高分布見(jiàn)圖4，比波高為港內(nèi)計(jì)算點(diǎn)波高與前2節(jié)計(jì)算出的口門(mén)處起始波高之比，為減小由于碼頭反射引起的波高增大，改變直立碼頭的結(jié)構(gòu)型式，采用高樁等反射率小的碼頭結(jié)構(gòu)，反射率按照30%～40%重新對(duì)NW向浪作用下港內(nèi)波高進(jìn)行計(jì)算，港內(nèi)比波高分布見(jiàn)圖5，采用反射率小的結(jié)構(gòu)后，港內(nèi)波高明顯減小，3#碼頭前波高減小了68%，波高結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 蓬萊東港區(qū)港內(nèi)波高分布Tab.3 Wave height distribution of east port area of Penglai Port m

圖4 蓬萊東港區(qū)初始方案比波高分布Fig.4 Relative wave height distribution of original option in Penglai Port

圖5 蓬萊東港區(qū)優(yōu)化方案比波高分布Fig.5 Relative wave height distribution of optimized option in Penglai Port

3.2 欒家口港區(qū)

在欒家口港區(qū)的北部布置255°～75°走向的導(dǎo)堤，西口門(mén)寬380 m，東口門(mén)寬460 m，導(dǎo)堤長(zhǎng)860 m。初始方案碼頭和防波堤結(jié)構(gòu)型式均按照直立式碼頭全反射進(jìn)行模擬，在WNW、NE向浪作用下，由于防波堤的掩護(hù)，進(jìn)入港內(nèi)的波浪較少。模擬計(jì)算了重現(xiàn)期2 a，NW、NNW、N和NNE向浪作用下港內(nèi)波高，1#碼頭的控制浪向是NNE向，波高為2.04 m，2#碼頭的控制浪向是NNW向，波高為2.11 m，3#碼頭和4#碼頭的控制浪向是NNE向，波高分別為2.04 m和1.59 m，5#和6#碼頭的控制浪向是NW向，波高均為2.16 m。在NW向浪作用下波浪傳播到港內(nèi)，在5#碼頭和6#碼頭區(qū)域內(nèi)波浪發(fā)生多次反射，此區(qū)域內(nèi)比波高0.7～1.0，比波高分布見(jiàn)圖6。為減小由于碼頭反射引起的波高增大，改變直立碼頭的結(jié)構(gòu)型式，在5#和6#碼頭位置采用高樁等反射率小的碼頭結(jié)構(gòu)，反射率按照30%～40%重新對(duì)NW向浪作用下港內(nèi)波高進(jìn)行計(jì)算，比波高見(jiàn)圖7，采用反射率小的結(jié)構(gòu)后，5#和6#碼頭前波高明顯減小，波高結(jié)果見(jiàn)表4。

從蓬萊東港區(qū)和欒家口港區(qū)的港內(nèi)波高計(jì)算可以看出，波浪在直立式碼頭前發(fā)生全反射，波浪在掩護(hù)水域又發(fā)生多次反射，港內(nèi)波高較大，通過(guò)采用高樁等反射率小的碼頭結(jié)構(gòu)型式，波高有很大幅度的減小。主要原因是波浪傳播到直立式碼頭前，反射波高較大，蓬萊東港區(qū)2#碼頭前比波高1.1，波浪發(fā)生多次反射后比波高為1.1*（*=1，2，3…）大于1，多次反射區(qū)域內(nèi)波高較大。采用反射率小的碼頭結(jié)構(gòu)型式后，部分波能被消散，2#碼頭前比波高0.6，波浪發(fā)生多次反射后比波高為0.6*（*=1，2，3…）小于1，波高有較大幅度減小。建議在波浪發(fā)生多次反射的掩護(hù)水域采用反射率小的碼頭結(jié)構(gòu)型式以減小港內(nèi)波高。

圖6 欒家口港區(qū)初始方案比波高分布Fig.6 Relative wave height distribution of original option in Luanjiakou port area

圖7 欒家口港區(qū)優(yōu)化方案比波高分布Fig.7 Relative wave height distribution of optimized option in Luanjiakou port area

4 結(jié)論

通過(guò)海洋站實(shí)測(cè)水文資料，分析了煙臺(tái)港蓬萊東港區(qū)和欒家口港區(qū)的波浪特性，利用波浪數(shù)學(xué)模型模擬了防波堤和碼頭建設(shè)前后港區(qū)的波高分布，主要結(jié)論如下：

（1）工程海區(qū)波浪是以風(fēng)浪為主、涌浪為輔的混合浪，受北部島嶼和淺灘的掩護(hù)，欒家口港區(qū)的強(qiáng)浪向是偏WNW向，蓬萊東港區(qū)強(qiáng)浪向是偏NE向。由于陸域的掩護(hù)，兩海區(qū)無(wú)浪頻率都很高，均超過(guò)70%。

（2）利用龍口海洋站多年波浪觀測(cè)資料推算出的不同重現(xiàn)期波要素，作為波浪數(shù)學(xué)模型的率定點(diǎn)，利用TK-2D的PEM和MIKE21的BW波浪數(shù)學(xué)模型分別對(duì)防波堤和碼頭建設(shè)前后工程區(qū)波況進(jìn)行模擬計(jì)算。防波堤和碼頭建設(shè)后，在波浪發(fā)生多次反射的掩護(hù)水域波高較大，采用高樁等反射率小的碼頭結(jié)構(gòu)型式后，可有效減小港內(nèi)波高。

（3）數(shù)學(xué)模型在模擬防波堤和碼頭的反射時(shí)存在一定的誤差，港內(nèi)波況的計(jì)算應(yīng)通過(guò)物理模型進(jìn)一步研究。

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