譜方程模型在設計波要素計算中的應用

袁 華,賈 曉,萬遠揚

（1.河海大學,南京210098;2.中國人民解放軍東海艦隊后勤部,寧波315040; 3.上海河口海岸科學研究中心,上海201201）

譜方程模型在設計波要素計算中的應用

袁 華1,2,賈 曉3,萬遠揚3

（1.河海大學,南京210098;2.中國人民解放軍東海艦隊后勤部,寧波315040; 3.上海河口海岸科學研究中心,上海201201）

為分析譜方程模型在設計波要素計算中的適用性，以長江口口內水域的設計波要素推算為例，首先利用海圖數據及長江口河口段地形數據構建波浪數學模型（MIKE21-SW模塊），并驗證了寒潮期間南槽東測站的風浪過程。然后對長江口附近氣象站風速資料進行分析，確定計算水域的設計風速。最后在驗證模型適用性的基礎上，計算得到特定水域的設計波浪要素。

設計波要素;譜方程模型;數值模型;SW模塊

設計波浪要素推算方法經歷了一系列的發展過程，從最初根據工程周邊測點采用概率分布方法估算波要素［1-2］，到采用經驗型風浪公式估算及采用規范及相關經驗公式查驗［3-4］。在20世紀90年代初期，波浪數值模型得到長足發展，國內普遍開始采用拋物型或橢圓型緩坡方程建立的折射繞射模型計算設計波要素［5-8］。自21世紀以來，部分學者嘗試采用其他方法估算設計波要素［9］。

近年來，譜方程模型在國內工程領域得到廣泛應用。目前常見的譜方程數值計算模型主要有SWAN（Simulating Wave Nearshore）模型及MIKE21（DHI Cop.）系列軟件的SW（Spectral Wave model）模塊2個。譜方程模型廣泛應用于風浪計算及海浪預報方面的計算研究［10-11］，在長江口水域也有廣泛應用［12］。近年來亦有部分研究人員嘗試采用該類模型推算開敞水域的深水波浪要素［13-15］。

每一種數值計算模型都有其特性的適用范圍及限制條件。長江口口門內河段（如南港河段）水域江面寬闊，同時受外海入射波及風生浪的影響。筆者認為譜方程模型可以較好地考慮風能輸入及波浪在淺水水域的傳播，故為在該種計算條件下最為適用的計算模型。

本文以長江口口門內南港南槽河段某透空高樁碼頭前沿設計波要素計算為例，統計得到重現期風速，采用MIKE21軟件的SW模塊計算得到設計波要素，并將數值計算結果與規范規定及其他常用風浪經驗公式計算結果做了對比，分析了譜方程模型在設計波要素計算中的應用。

1 問題的引出

長江口水域寬廣，長江口口外水域的波況已經有眾多學者進行了研究，長江口口內波況的研究相對較小，近年來隨著外高橋至上海南匯嘴沿江岸線資源的不斷開發，長江南港及南槽內工程水域的設計波要素成為設計的一個決定因素。

本文選取的碼頭工程位于長江口南槽入口處，碼頭棧橋走向為SW—NE向，碼頭前沿基本沿11m等深線（85基面）布置。工程西側與南側均為陸地，北向受橫沙島、長興島、九段沙高灘地及長江口深水航道相關工程掩護，工程東南側直面長江口南槽出海口。工程水域的地形圖見圖1。

圖1 工程水域地形圖Fig.1 Bathymetry of engineering waters

為了研究工程局部的設計波要素，故采用數學模型模擬該水域的波浪條件。并將數值模擬結果與規范規定的經驗風浪公式計算結果進行對比，進一步分析譜方程模型在設計波要素計算中的適用性。

2 模型簡介及驗證

本文采用DHI公司開發的Mike21-SW模塊構建波浪數學模型，該模塊是基于非結構網格的新一代譜波浪模型，能夠模擬河口、海岸地區大范圍的風浪和涌浪的成長、衰減及變形，可以求解準定常和非定常波浪作用平衡方程的全譜公式和方向解耦參數公式，并可與2D/3D水流模型完全耦合，代表著目前的波浪模擬技術水平。

模型基本方程是波作用力守恒方程

方程左邊第一項代表波能；第二項代表波能隨地理空間的變化；第三項代表波能沿方向的變化；第四項代表波能隨頻率的變化；右邊項代表源函數（能量的輸入輸出，包括波浪的成長與消散、白帽破碎效應、波-波非線性作用、底床摩擦以及波浪破碎等）。

SW模塊計算穩定性及普遍適用性在世界各地的工程實踐應用計算中得到了充分驗證。為了驗證模型輸入參數的準確性，本文對2010年典型寒潮期間和臺風期間南槽東測站風浪過程進行了驗證。

2010年10 月下旬，長江下游地區出現時間較長的寒潮天氣，期間風速在8～16 m/s，風向穩定在N—NE向。驗證計算首先分析了長江口周邊的氣象站風速資料，通過差值得到長江口段的風場。然后利用Mike-SW模型（耦合SWEM模擬的潮位和流速影響），計算所得到的南槽東站有效波高過程線見圖2，驗證效果較好，尤其是從10月24日～10月27日風速較大的時刻，計算值與實測值基本吻合。

圖2 寒潮期南槽東測站風浪過程Fig.2 Wind wave process at ESP station during cold spell

3 風速資料分析

本次風速資料分析基于寶山氣象站、浦東機場風速、嵊泗站等風速，并適當參考周邊其他氣象站的資料。

根據工程具體情況，本次研究中工程水域的偏北向50 a一遇設計風速依據寶山站風速，偏北向2 a一遇設計風速主要依據浦東機場站風速；偏東方向的風速依據嵊泗站、大戢山站和蘆潮港站的重現期風速。最終確定的工程水域的各方向的重現期風速（海面10 m高度），如表1所示。

表1 工程水域江面重現期風速（海面10m）Tab.1 Wind speed of return period near engineering waters

4 波浪計算及波浪場的給出

根據圖1地形圖可以看出，計算水域位于長江口口門內，水域明顯地受到周邊島嶼的掩護，橫沙東灘圈圍工程、橫沙大道等人工建筑物亦對工程水域有一定的掩護作用；水域東南側雖然直面長江出海口，但同時也受到南槽口攔門沙淺灘的掩護。

以設計高水位情況下N向及E向波況為例計算表明，本次擬計算工程水域受北向來風控制時，水域僅受風生浪控制；受東向來風控制時，同時受風生浪及外海涌浪影響。但受南槽出口處攔門沙的影響，涌浪對該水域的影響作用不強烈。工程水域偏東向波高和周期均略大于偏北向波高和周期。

需要指出的是，本文計算岸線邊界為兩級平臺三級斜坡的海堤，消波作用明顯，故本文計算中未引入邊界反射。當存在直立式岸壁結構時，需要人為在譜方程模型中設置反射建筑物。

5 結果分析及對比

以N向及E向為例，將設計高水位條件下50 a一遇風浪數模計算結果與常用的經驗公式計算結果做比較，其中風區的計算采用有效風區長度，計算方法見相關規范。比較點位置見圖1-b，比較結果見表2。

通過對比可以看出，N向波要素計算結果與經驗風浪公式基本接近，E向波要素因為受外海涌浪影響，計算結果明顯大于經驗風浪公式。

表2 工程前沿水域數值計算結果與經驗公式結果比較Tab.2 Comparison between numerical results and empirical formula results

6 結論

本文研究表明，利用工程水域附近氣象站多年實測風速資料分析得到的分方向重現期設計風速，利用譜方程模型計算風浪成長以及波浪的傳播變形，是河口水域相關工程設計波浪要素推算的一種較為有效的方法。

［1］邵守良.短期測波資料推求設計波浪方法的討論［J］.海洋通報,1991,10（1）：68-72. SHAO SL.Discussion on estimating extreme wave height with short term data sets［J］.Marine Science Bulletin,1991,10（1）：68-72.

［2］滕學春，吳秀杰.萊州灣口設計波要素估算方法的研究［J］.海洋通報,1992,11（2）：58-63. TENG X C,WU X J.Research on estimating methods of design wave elements at Laizhou Bay Mouth［J］.Marine Science Bulletin, 1992,11（2）：58-63.

［3］李虹.元洪港設計波高參數的推算和分析［J］.臺灣海峽,1997,16（3）：319-324. LIH.Analysis and Calculation of Design Wave Height in YuanHong Wharf［J］.Journal of Oceanography in TaiWan Strait,1997, 16（3）：319-324.

［4］馬明生，許光祥.三峽庫區風浪波要素計算方法的初步研究［J］.華北水利水電學院學報,2005,26（3）：10-12. MA M S,XU G X.Preliminary Researches of the Calculation Method for Main Factor of Wind and Waves in the Yangtse Gorges Shed Area［J］.Journal of North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，2005,26（3）：10-12.

［5］王中起，劉針.秦皇島港山海關港區3.5萬t級通用泊位續建工程設計波要素分析［J］.港工技術,2008（3）：1-2. WANG Z Q,LIU Z.Wave Elements Analysis of General-purpose Terminal for Continued Project of Shanhaiguan Harbor, Qinhuangdao Port［J］.Port Engineering Technology,2008（3）：1-2.

［6］馮衛兵，施凌.復雜地形條件下的工程波要素確定［J］.水運工程,2008（3）：4-8. FENGW B,SHI L.Determination of Design Wave Elements Under Complicated Topographical Condition［J］.Port&WaterwayEngineering,2008（3）：4-8.

［7］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期波要素［J］.海洋湖沼通報,2007（B12）：15-22. SIG C,ZHOU L M,ZHU Q L,et al.Calculation of the design wave elements of multiyear return periods in new urban area ajacent to harbor using refraction-diffraction combined numerical model and the formula of shallow-water wind wave growth［J］. Transaction of Oceanology and Limnology,2007,（B12）：15-22.

［8］潘軍寧，洪廣文.一種推廣的緩坡方程［J］.海洋工程,2001,19（1）：24-31. PAN JN,HONGGW.An Extended Mild-Slope Equation［J］.Ocean Engineering,2001,19（1）：24-31.

［9］陳同慶，張慶河，丁磊.基于遺傳算法的設計波浪要素推算［J］.港工技術,2006（3）：1-3. CHEN T Q,ZHANG Q H,DING L.Design Wave Estimation Based on Genetic Algorithm［J］.Port Engineering Technology,2006（3）：1-3.

［10］賈曉.多島海域風浪數值模擬［D］.南京:南京水利科學研究院,2010.

［11］譚鳳，張慶河，龐啟秀，等.基于WRF-SWAN模式的韋帕臺風波浪場模擬［J］.水道港口,2012,33（1）：14-18. TAN F,ZHANG Q H,PANG Q X,et al.Numerical simulation of WIPHA typhoon waves using WRF-SWAN model［J］.Journal of Waterway and Harbor,2012,33（1）：14-18.

［12］孔令雙，戚定滿，萬遠揚，等.長江口海域波浪場模擬研究［J］.水運工程,2010（2）：46-49. KONG L S,QI D M,WAN Y Y,et al.Numerical simulation of wave field in the Yangtze Estuary［J］.Port&Waterway Engineering,2010（2）：46-49.

［13］付桂，楊春平.海岸工程設計波要素推算方法探討——以如東人工島設計波要素推算為例［J］.水運工程,2010（3）：42-46. FU G,YANG C P.A discussion on calculation methods of design wave elements of coastal engineering：Taking the prediction of the design wave elements of Rudong artificial island as an example［J］.Port&Waterway Engineering,2010（3）：42-46.

［14］李杰.南匯東灘促淤工程南區設計波浪要素研究［J］.水道港口,2012,33（3）：208-211. LI J.Research on design waves elements of siltation promotion project in south region of East Nanhui Beach［J］.Journal of Waterway and Harbor,2012,33（3）：208-211.

［15］李紹武，梁超，莊茜.SWAN風浪成長模型在近海設計波浪要素推算中的應用［J］.港工技術,2012,49（2）：5-7. LISW,LIANG C,ZHUANG Q.Application of SWAN Model in Onshore Design Wave Factors Calculation［J］.Port Engineering Technology,2012,49（2）：5-7.

Application of spectral wave model on design wave parameter calculation

YUAN Hua1,2,JIA Xiao3,WAN Yuan-yang3
（1.Hohai University,Nanjing 210098,China;2.PLA Navy East China Sea Fleet,Ningbo 315040,China;3. Shanghai Estuarine&Coastal Science Research Center,Shanghai201201,China）

In order to analyze the applicability of the spectral wave model used in the design wave parameters calculation,the calculation of design wave parameter on Yangtze River estuary was taken as an example in this paper.Firstly,chart data and the Yangtze Delta estuary terrain data were used to establish a numerical wave model(MIKE21-SW module),and the model was verified by the real-time field data process at ESP(East of South Passage)marine station during cold spell.Then wind data at weather station near the Yangtze Estuary was analyzed,and design wave velocity on chosen waters was selected.At last,on the basis of model feasibility,design wave parameters were calculated on specific waters.

design wave parameter;spectral wave model;numerical model;SW module

TV 139.2；O 242.1

A

1005-8443（2013）04-0293-04

2012-09-07；

2012-11-12

袁華（1977-），男，碩士研究生，主要從事港口、海岸工程研究。

Biography：YUAN Hua（1977-），male，master student.