大連長興島北港區(qū)波浪條件數(shù)值模擬研究

肖 輝

（交通運(yùn)輸部天津水運(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）

大連長興島北港區(qū)波浪條件數(shù)值模擬研究

肖 輝

（交通運(yùn)輸部天津水運(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）

利用國際通用的MM5風(fēng)場模式和SWAN浪場模式，通過推算影響工程海域的臺風(fēng)和寒潮大風(fēng)天氣過程，得到工程海域-30 m等深線處不同重現(xiàn)期設(shè)計波要素，然后采用MIKE 21 NSW和BW波浪數(shù)學(xué)模型，對工程規(guī)劃方案設(shè)計波要素和港內(nèi)波況進(jìn)行了計算。結(jié)果表明：工程受N向和NNE向風(fēng)浪影響相對較大，外海波浪傳播至防波堤處無明顯衰減；設(shè)計高水位重現(xiàn)期50 a時防波堤處最大H1%約7.3 m；防波堤對港內(nèi)圍堰掩護(hù)較好，建成后港內(nèi)波浪條件明顯改善。

波浪；深水波要素；長興島；北港區(qū)

Biography：XIAO Hui（1981-），female，assistant professor.

大連長興島北港區(qū)位于遼東半島馬家咀和高腦子角之間，地理位置約為 39°32′N，121°14′E。規(guī)劃港區(qū)依陸地岸線布置，由東、西防波堤環(huán)抱形成單口門港池，港池水域面積約為430萬m2。東、西防波堤走向與等深線趨于一致，其中西防波堤位于馬家咀東北部淺礁上，最小水深約-2 m；東防波堤位于高腦子角西南向-15 m等深線處；30萬t礦石碼頭布置在西防波堤外，30萬t原油碼頭布置在東防波堤外，兩者均處在-20 m等深線附近（圖1）。港區(qū)所在的自然水深較好，但對SW—N—NE向外海來浪均無島嶼等天然地形掩護(hù)，因此需對影響該港區(qū)建設(shè)的波浪動力條件進(jìn)行研究，為工程建設(shè)提供波浪設(shè)計的依據(jù)。

圖1 工程位置示意圖Fig.1 Location of project

1 工程海域?qū)崪y風(fēng)浪條件

工程海域附近常年受季風(fēng)氣候影響，冬季盛行東北風(fēng)，春季多偏南風(fēng)，秋季多偏北風(fēng)，夏季盛行南—東南風(fēng)。影響工程海域的惡劣天氣主要為熱帶氣旋、溫帶氣旋和寒潮［1］，熱帶氣旋平均每年約一個，發(fā)生季節(jié)一般在7～8月；主要災(zāi)害性天氣是12～3月份發(fā)生的寒潮，寒潮平均每年約為2次，持續(xù)性寒潮天氣將造成海域冰情嚴(yán)重，影響港口運(yùn)營和船舶安全航行。

根據(jù)長興島海洋站2004年12月～2007年11月的風(fēng)、浪資料統(tǒng)計（圖2和圖3）：（1）常風(fēng)向?yàn)镹E—N向，頻率為31%，平均風(fēng)速為9.3 m/s；次常風(fēng)向?yàn)镾SW—WSW向，頻率為27%，平均風(fēng)速為7.7 m/s；強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镹E向和NNE向，最大風(fēng)速為32 m/s。（2）常浪向?yàn)镹E—N向，頻率為34%，平均為1.22 m；次常浪向?yàn)镾SW—WSW向，頻率為22%，平均為0.69 m；強(qiáng)浪向?yàn)镹E，最大波高為5.4 m，次強(qiáng)浪向?yàn)镹NE向，最大波高為5.2 m。從中可知，強(qiáng)、常風(fēng)向與浪向較一致，反映該海域主要以風(fēng)浪為主。

圖2 長興島海洋站風(fēng)玫瑰圖Fig.2 Wind rose of Changxing-island station

圖3 長興島海洋站波浪玫瑰圖Fig.3 Wave rose of Changxing-island station

2 深水波要素推算

目前工程海域無外海觀測的、并可直接加以利用的氣象和波浪資料。工程附近長興島海洋站的波浪觀測離岸邊較近，但該資料難以用來推算長興島外海的波浪要素。

利用目前國際通用的風(fēng)浪場模式（MM5風(fēng)場模式［2］和SWAN浪場模式［3］），推算了1988～2007年共計20 a間影響工程海域的臺風(fēng)和寒潮大風(fēng)天氣過程［4］，給出工程海域-30 m等深線處不同重現(xiàn)期設(shè)計波要素（表1）。從中可見，工程外海-30 m水深處強(qiáng)浪向?yàn)镹向，其次為NNE向，50 a一遇有效波高分別為4.99 m和4.39 m。推算結(jié)果的強(qiáng)浪向和次強(qiáng)浪向與長興島現(xiàn)有的多年風(fēng)資料的強(qiáng)風(fēng)向和次強(qiáng)風(fēng)向相吻合，結(jié)果與有關(guān)文獻(xiàn)比較，也基本相符［5-7］，這表明模型建立合理，成果可靠。

表1 長興島海域-30 m水深處不同重現(xiàn)期有效波高Tab.1 Significant wave height of different return periods at-30 m depth in Changxing-island sea area m

3 防波堤和圍堰的設(shè)計波要素計算

3.1 計算模型

采用MIKE 21 NSW 模型［8-9］，對工程前海域的波浪場進(jìn)行計算，以推算工程區(qū)結(jié)構(gòu)物位置的設(shè)計波要素。該模型能考慮由于地形變化引起的波浪淺水變形和折射效應(yīng)，并考慮了底部摩阻和波浪破碎引起的能量損耗，能很好地描述波浪在近岸的傳播過程，可以用來進(jìn)行大范圍的波浪場的推算。其基本方程如下

式中：x、y為笛卡爾坐標(biāo)；θ為波浪的傳播方向；cgx、cgy為波群速度在x、y方向的分量；cθ為波浪在θ方向傳播的速度；T0、T1為源項(xiàng)；m0（x，y，θ）、m1（x，y，θ）為0時刻和1時刻的作用譜。方程等式的左邊項(xiàng)考慮了波浪折射和淺水變形，T0、T1考慮了風(fēng)區(qū)內(nèi)風(fēng)成浪和由于底部摩阻及波浪破碎所引起的能量耗散。

模型選取的計算區(qū)域如圖4所示。計算波向包括SW—N—NE向9個波向，計算水位包括極端高、設(shè)計高、設(shè)計低和極端低水位。計算時的地形為天然地形加開挖航道，沒有防波堤、圍堰和外碼頭工程。

3.2 工程方案

對長興島北港區(qū)（30萬t礦石碼頭和30萬t原油碼頭）的4個方案進(jìn)行了研究。4個方案的西防波堤位置基本相同，東防波堤布置略有不同，造成口門寬度和航道走向略有不同，但航道寬度和水深相同，航道寬度均為270 m，航道均挖深至-18.3 m（圖5）。方案1的口門寬度為600 m，入港航道走向?yàn)?6°～266°；方案2的口門寬度為480 m，入港航道走向?yàn)?2°～262°；方案3的口門寬度為500 m，入港航道走向?yàn)?3°～263°；方案4的口門寬度為500 m，入港航道走向?yàn)?5°～265°。

3.3 計算結(jié)果及分析

對防波堤和圍堰進(jìn)行分段，分別提取每段防波堤和圍堰的最大波要素，分段情況見圖5，其中方案1、2、4中的西防波堤布置相同，包括W1～W3三段，方案3除了該三段外，增加了W4段；東防波堤根據(jù)不同方案分為二段或三段（E1、E2和E3）；圍堰分為Y1～Y4四段，東圍堰為Y1、Y2段，西圍堰為Y3、Y4段。

圖4 大范圍波浪場計算示意圖Fig.4 Sketch of wave calculation range

圖5 規(guī)劃方案平面布置Fig.5 Layout of planning project

表2為設(shè)計高水位重現(xiàn)期50 a波浪條件下，4個方案東、西防波堤和圍堰的最大H1%波高統(tǒng)計結(jié)果。從計算結(jié)果來看，因工程位于開敞海域，影響最大的浪向仍為N向，其次為NNE向：

表2 設(shè)計高水位重現(xiàn)期50 a波浪條件下最大H1%波高統(tǒng)計Tab.2 The maximum H1%wave height under 50 a return period wave action at design high water level m

（1）西防波堤W1～W3三段的最大波高發(fā)生在W3段，最大H1%波高為7.05 m，方案3的W4段最大H1%波高為7.23 m。

（2）東防波堤方案1的最大H1%波高為6.65 m，發(fā)生在E2段；方案2的最大H1%波高為7.32 m，發(fā)生在E1段；方案3的最大H1%波高為7.04 m，發(fā)生在E1段靠近口門的堤頭處；方案4的最大H1%波高為7.25 m，發(fā)生在E3段，E3段對E1段堤頭部位略有掩護(hù)。

（3）圍堰各段最大H1%波高為7.03 m，發(fā)生在Y4段。

4 港內(nèi)波況計算

4.1 計算模型

港內(nèi)波浪場計算采用MIKE 21 BW［8-10］波浪數(shù)學(xué)模型，并考慮小風(fēng)區(qū)成浪。BW模型考慮了淺水效應(yīng)、折射、繞射、反射、底摩阻和波浪的非線性等要素，可以模擬外海波浪傳播至防波堤處的傳播過程。數(shù)值模式的基本方程為

式中：P·Q 為 x、y方向流速水深積分；Fx、Fy為 x、y方向水平應(yīng)力；d為靜水深；ξ為波面高度；h 為總水深；α、β為層流和紊流阻力系數(shù)；Ψ1、Ψ2為色散項(xiàng)；腳標(biāo)（*t、*x、*y）表示物理量（*）所對應(yīng)的時間，x方向和 y方向偏導(dǎo)數(shù)。

4.2 港內(nèi)波況分析

對SW—N—NE向共9個波向和上述4個方案進(jìn)行了計算（圖6），計算結(jié)果表明：

（1）NE向和NNE向波浪向港內(nèi)傳播時，東防波堤對港內(nèi)水域的掩護(hù)很好，各方案各計算控制點(diǎn)比波高均在0.12以下，該向浪對港內(nèi)碼頭泊穩(wěn)沒有影響。

（2）N向波浪向港內(nèi)傳播時，有部分波浪繞射進(jìn)入港內(nèi)，方案1和方案4中該向來浪對圍堰Y4段的影響較大，最大比波高分別為0.32和0.45；方案2和方案3由于東防波堤的有效掩護(hù)，比波高均在0.15以下。

（3）NNW向波浪向港內(nèi)傳播時，對圍堰Y4和Y3段的交接處影響較大，港內(nèi)其他水域波浪掩護(hù)較好。（4）NW向和WNW向波浪在東防波堤的掩護(hù)下繞射進(jìn)入港內(nèi)，對圍堰Y3段的影響較大，各方案比波高分別在0.42和0.38以上。

（5）W向浪正對口門，對圍堰Y2和Y3段影響均較大，各方案中這兩段的比波高在0.36～0.45以上，該向浪作用下，港內(nèi)波況相對其他各向浪要差。

（6）WSW向波浪傳播至港內(nèi)時，對圍堰Y1與Y2交接處的影響較大，該向浪作用下，方案1港內(nèi)波況較其他方案略差。

（7）SW向波浪主要對防波堤E1段內(nèi)側(cè)碼頭水域影響較大，比波高在0.35～0.42以上。

圖6 各方案港內(nèi)比波高分布圖Fig.6 Relative wave height distribution in port of each project

綜上所述，防波堤工程實(shí)施后，對強(qiáng)浪向（N向）和次強(qiáng)浪向（NNE向）均得到很好地掩護(hù)。對方案1港內(nèi)影響較大的波浪主要為NNW向和W向浪；對方案2港內(nèi)影響較大的波浪W向和WSW向浪；對方案3和方案4港內(nèi)影響較大的波浪主要為NW向，其次為W向。從各方案的控制點(diǎn)H4%波高的計算結(jié)果來看，港內(nèi)波況方案1相對其他方案略差，主要是其口門最寬，方案3略優(yōu)，但方案的最終選取還應(yīng)綜合考慮潮流、泥沙和海冰的影響。

5 主要結(jié)論

（1）長興島海域主要受風(fēng)浪影響，強(qiáng)風(fēng)向和強(qiáng)浪向均位于NE向～N向。

（2）長興島海域-30 m水深處強(qiáng)浪向?yàn)镹向和NNE向，其中50 a一遇最大有效波高為4.99 m。

（3）北港區(qū)規(guī)劃防波堤所處水域開敞且水深較大，最大影響浪向?yàn)镹向，設(shè)計高水位50 a一遇最大H1%波高在7.3 m左右。

（4）防波堤工程實(shí)施后，對強(qiáng)浪向（N向）和次強(qiáng)浪向（NNE向）均得到很好地掩護(hù)，港內(nèi)波況條件得到明顯改善，4個規(guī)劃方案港內(nèi)波況條件方案1略差，方案3略優(yōu)，方案的最終選取還應(yīng)綜合考慮潮流、泥沙和海冰的影響。

［1］李孟國，麥苗.大連長興島北港區(qū)（30萬噸礦石碼頭和30萬噸原油碼頭）自然條件分析、潮位計算與潮流泥沙數(shù)學(xué)模型研究［R］.天津：交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2008.

［2］凌鐵軍，張?zhí)N斐，楊學(xué)聯(lián)，等.中尺度數(shù)值預(yù)報模式（MM5）在海面風(fēng)場預(yù)報中的應(yīng)用［J］.海洋預(yù)報，2004，21（4）：1-9

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LIU Y H.The Numerical Simulation Research on Wave Condition of Qinzhou bay［J］.Port engineering technology，2007（5）：6-9.

Numerical simulation research on wave condition in north harbor area of Dalian Changxing Island

XIAO Hui
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin300456,China）

Using international general MM5 wind model and SWAN wave model,the typhoon and the coldwave process which influenced the project sea area were calculated,and the design wave elements for different return periods at-30 m depth were obtained.Then using MIKE 21 NSW and BW wave mathematical model,the design wave elements and wave conditions were calculated.The results show that：the N and NNE wind waves have a great influence on the project,and the wave propagation from the outside sea area to breakwater has no significant attenuation.The design wave heightH1%at high water level with 50 a return period is about 7.3 m,and the wave condition of cofferdam and harbor are improved with completion of breakwater.

wave；depth wave factor；Changxing-island；north harbor

TV 139.2；O 242.1

A

1005-8443（2013）06-0482-06

2013-01-15；

2013-02-20

肖輝（1981-），女，湖南省沅江人，助理研究員，主要從事近海工程波浪泥沙研究。