江蘇沿海灘涂圍墾對近岸風浪場的影響

王晴, 李熙, 黃惠明, 王義剛

(河海大學海岸災害及防護教育部重點實驗室,江蘇南京210098)

江蘇沿海灘涂圍墾對近岸風浪場的影響

王晴, 李熙*, 黃惠明, 王義剛

(河海大學海岸災害及防護教育部重點實驗室,江蘇南京210098)

利用江蘇沿海近期水深數據以及西連島風測站1981—1998年風況資料,采用P-III曲線計算重現期風速并推求外海深水波要素,對江蘇海域50年一遇設計風浪場進行了模擬計算。在模型驗證的基礎上,模擬計算了江蘇沿海灘涂圍墾規劃(2010—2020年)后江蘇近岸風浪場,探討了江蘇近岸50年一遇風浪場的分布特征,同時對比分析江蘇近岸8個采樣點工程前后50年一遇設計波要素的變化。結果表明:江蘇圍墾規劃實施后,江蘇近岸50年一遇設計波要素有減小趨勢;北部近岸海域的有效波高和平均波周期基本不變,而南部近岸海域變化較大。其中,南部海域采樣點有效波高最大降幅0.62 m,位于洋口港-呂四港近岸區域,采樣點平均波周期最大降幅1 s,位于東沙圍墾區東部;水深地貌形態和風區長度是影響江蘇近岸重現期波浪的重要因素。

風浪;輻射沙脊群;波譜模型;數值模擬;灘涂圍墾工程

江蘇沿海海區北起蘇魯交界繡針河口,南至長 江口北支寅陽角,東臨黃海。其中,輻射沙脊群特殊地貌區位于江蘇沿海海域中部,沙脊呈摺扇狀向海面輻射,脊槽相間分布,地形條件復雜[1-3]。該海域擁有豐富的灘涂資源,是江蘇海岸最重要的自然資源之一。為了發揮江蘇沿海灘涂資源豐富的優勢,形成大規模的土地后備資源,江蘇省發展改革委員會和江蘇省沿海辦聯合編制《江蘇沿海灘涂圍墾開發利用規劃綱要》,提出2010—2020年,江蘇沿海灘涂規劃圍墾180 000 hm2[4]。

大規模灘涂圍墾工程的實施,將改變江蘇沿海海岸地貌(包括海岸線輪廓的改變),引起沿海水動力和海岸沖淤總體格局的變化,同時對海岸帶環境產生一定的影響[5-6],因此近岸的風浪場在一定程度上也會受到影響;此外,圍墾區的建立將改變周邊海域的重現期設計波高值,致使其周邊海域水工建筑物的安全性受到威脅;再者,對擬建圍墾區實施后,江蘇沿海海域波高的推算也能夠為該海域后期水工建筑物的設計提供參考,因此對江蘇沿海灘涂圍墾規劃工程實施后引起的近岸風浪場改變進行相應研究十分有必要。

文中采用MIKE 21 SW模型建立了江蘇近岸風浪場,對灘涂圍墾規劃前后風浪場進行數值模擬,重點研究規劃工程實施前后近岸區域50年一遇設計有效波高和平均波周期的變化情況,分析圍墾規劃工程對近岸風浪場的影響。

1 控制方程

MIKE 21 SW模塊基于波作用量守恒方程,采用動譜密度N(σ,θ)描述波浪[7]。模型的自變量為相對頻率σ和波向θ,動譜密度N(σ,θ)與能譜密度E(σ,θ)的關系為

在笛卡爾坐標系下,MIKE 21 SW的控制方程,即波作用守恒方程可以表示為

其中,第1項為隨N時間的變化率;第2項和第3項表示N在x,y方向上的傳播;第4項為由于流場和水深所引起的N在相對頻率σ空間的變化;第5項為N在譜分布方向θ空間的傳播;S為以能譜密度表示的源匯項,包括風能的輸入、非線性波波相互作用和由于底摩擦、白浪、破碎引起的能量損耗;cx, cy,cσ和cθ分別表示在x,y,σ和θ空間的波浪傳播速度,表達式分別為

式中:d為水深;U=(Ux,Uy)為流速;k=(kx,ky)為波數;s為θ向的空間坐標;m為垂直于s的坐標。

MIKE 21 SW模型中的源函數項是描述各種物理現象的源函數的疊加形式,即

其中,Sin為風能的輸入;Snl為非線性波之間的相互作用;Sds為由于白帽作用引起的能量損耗;Sbot為底摩擦引起的能量損耗;Ssurf為由于水深變化引起的波浪破碎導致的能量損耗。方程采用有限體積法進行離散。

模擬過程不考慮流的作用,物理過程包括淺水破碎、底部耗散、風能持續輸入下波浪的折射和繞射等。其中,SW模型的繞射作用采用Holthuijsen等[8]提出的方法。

2 MIKE 21 SW模型建立與驗證

2.1 計算區域和模型地形

為了確保江蘇海域風浪場的計算精度,計算范圍(東經(E)119.14°～123.0°,北緯(N)30.918°～36.00°)覆蓋了整個江蘇沿海水域。模型采用以近岸研究區域為中心由外海向近岸逐步加密的非結構化計算網格,對于遠離研究區域的外海邊界區域,網格的邊長約為8 000 m,近岸輻射沙脊群區域處的網格邊長約為1 000 m(見圖1),充分反映了江蘇近岸輻射沙脊群區域的地形變化情況。該海域水深數據(85高程基準面)如圖2所示,灘涂圍墾規劃實施后岸線和驗證點(西連島和呂四)位置如圖3所示,圖中1～8號點為江蘇近岸風浪場主要比較分析采樣點。

圖1 工程前后模型計算范圍及網格Fig.1 Calculation area and grid of Jiangsu nearshore before and after p roject

圖2 江蘇近岸海域水深地形Fig.2 Bathymetry of Jiangsu Coast

圖3 工程后岸線Fig.3 Coastline of Jiangsu after project

2.2 計算條件和參數選取

2.2.1 邊界條件和參數的選取 計算區域為開敞海域,外海海洋邊界主要為北、南、東三側。將等深線30 m處確定為外海邊界。為減少誤差保證計算精度,各個開邊界均設有深水波要素參數,模型底摩阻0.01,由于計算區域內風的作用顯著,故波浪破碎指標取γ=H/d=0.8,其他參數選擇DHI推薦值,此種情況下驗證效果最好。

2.2.2 水位條件 計算水域南、北側設計高水位存在差距,模型的計算水位從連云港至呂四進行線性變化處理,計算水位采用50年一遇最高潮位。其中,連云港50年一遇設計最高潮位為4.05 m(廢黃河口基面),呂四50年一遇設計最高潮位為5.0 m(廢黃河口基面)[9],85高程基面至廢黃河口基面高差為0.19 m。

2.2.3 風場條件 為了直觀快速獲取江蘇近岸重現期風浪要素分布情況,風場輸入為各方向重現期設計風速,為定常值,故模型采用定常風速。根據江蘇西連島測站1981—1998年18年風速資料,利用P-III曲線推求海上50年一遇設計風速作為江蘇海上風場資料,其中,東北偏北向(NNE),東北向(NE),東向(E)和東南向(SE)海上50年一遇設計風速分別為38,41.27,41.09和32.61 m/s。

2.2.4 外海深水波要素 外海深水波要素采用與風場相同重現期有效波高以及平均波周期,利用莆田試驗站公式[10]處理得到,其各方向外海深水波要素見表1(Hs為有效波高,約為H13%),與馮衛兵等[11]計算結果接近。

2.3 模型驗證

根據連云港西連島大西山海洋站(34°47′N, 119°26′E;測波浮筒處水深為平均海平面基面下8.9 m)1981—1997年實測波高(H1/10)資料以及呂四海洋站(北緯32°30′、東經121°37′,平均海平面下水深約13 m)1968—1990年實測波高(H1/10)資料,采用P-III曲線推算不同波向設計波高,并采用格魯霍夫斯基波高經驗分布換算公式[12]將H1/10(約為H4%)換算成H1/3(約為H13%),西連島測站和呂四測站波要素,驗證結果見表2、表3。

由表2、表3可知,計算得到的各個方向的波高均與實測統計值非常接近。結果表明:采用MIKE 21 SW模型建立的數學模型能夠根據西連島測站修正到江蘇外海的海上設計風速推算江蘇近岸風浪場,推算結果精度能夠滿足工程要求。

表1 江蘇外海深水波要素Tab.1 W ave parameters offshore in deep water of Jiangsu

表2 西連島波要素計算驗證結果Tab.2 Verification results of waves in Xilian Island單位:m

表3 呂四波要素計算驗證結果Tab.3 VerificationresultsofwavesinLvSi單位:m

3 江蘇近岸風浪場模擬

根據西連島測站實測統計風速資料,該水域強風、浪向為NNE向、NE向以及E向,故文中模型主要模擬NNE向、NE向以及E向江蘇近岸50年一遇設計風浪場,其中,設計風速及設計水位均采用50年一遇值。為了便于描述圍墾工程對江蘇近岸風浪場的影響,文中在江蘇近岸研究區域選取38個代表采樣點,采樣點分布位置如圖3所示,具體經緯度、水深(85高程基準面)以及圍墾規劃實施前后的50年一遇設計波要素見表4。圖4為江蘇近岸采樣點各方向50年一遇設計有效波高工程前后對比情況,圖5為工程前各向50年一遇有效波高的分布。

表4 江蘇近岸50年一遇設計波要素Tab.4 50-year return design wave param eters of Jiangsu near shore

圖4 江蘇近岸采樣點各方向50年一遇設計有效波高工程前后的對比Fig.4 Com parison of 50-year return design significant wave height w ith sam p ling points in Jiangsu coast before and after project

圖5 工程前各向50年一遇有效波高分布Fig.5 Distribution of 50-year return significant wave height of all directions in Jiangsu before project

由圖5可以看出,江蘇各向南北海域的風浪場分布有所不同。分析原因可知,由于江蘇沿海南北海域岸線和地貌地形不同,尤其是具有特殊地貌形態的輻射沙脊群區域為波浪產生大量復雜破碎、折射的集中區域,從而導致風浪場分布南北海域差異較大。此外,由圖5中工程前各向風浪場分布特征可知,北部海域風浪場等值線幾乎與等深線平行,而南部海域風浪場等值線錯綜復雜,分布情況在一定程度下能夠反映水下地形。波浪到近岸后大量破碎,從12 m等深線(85高程基準面)處的4 m左右的有效波高急速減小2 m左右。在同一風向和波浪向作用下,南、北側近岸有效波高存在差異,在NNE向、NE向以及E向風浪作用下,西連島海洋站附近水深小于呂四海洋站區域,而50年一遇設計有效波高卻高于呂四海洋站;由表4同樣可以看出,對比位于輻射沙脊群區域的6號采樣點與位于北部海域的1號采樣點,6號點水深明顯大于1號點,而各方向50年一遇設計有效波高卻小了1 m左右,因此工程點附近的水深地貌形態是影響重現期波高的主要因素之一。

比較圖5中的E向與NE向風浪場分布情況,發現NE向與E向江蘇近岸有效波高值存在差異;由表4可知,近岸處NE向50年一遇有效波高比E向高0.1～0.4m左右,且兩個海洋測站NE向50年一遇有效波高值均最大。究其原因,不同風向波浪從江蘇外海向近岸傳播過程中,由于摩擦、破碎、折射和非線性相互作用致使能量耗散和轉換程度有所不同。進一步分析可知,E向與NE向設計風速值基本相同,而NE向有效波高卻稍大于E向有效波高,說明在風速相當的情況下,擁有更長風區長度的NE向波浪可以得到更充分地成長,故風區長度對重現期風浪的影響也不容忽視。

4 江蘇沿海灘涂圍墾規劃工程對近岸風浪場影響

圖6 工程后各向50年一遇有效波高的分布Fig.6 Distribution m ap of 50-year return significant wave height of all directions in Jiangsu after p roject

4.1 江蘇近岸有效波高變化

圖6為工程后各向50年一遇有效波高的分布。

對比圖5和圖6各向風浪場分布可知,從大范圍的有效波高等值線來看,圍墾工程對江蘇近岸海域50年一遇設計有效波高影響不大,該水域灘涂圍墾規劃實施前后50年一遇設計有效波高等值線幾乎一致。

比較表4中工程前后各向有效波高數值可知,江蘇南部規劃圍墾區海域有效波高變化較大,而北部沿海規劃圍墾區有效波高變化較小,其中,位于江蘇北部近岸海域的1號和2號采樣點各個方向50年一遇設計有效波高僅增大0.01～0.03m,幾乎不變。而南部海域擬建圍墾區較多,尤其是輻射沙脊群區域處條子泥、高泥、東沙等圍墾區的存在,有效波高受到影響的范圍較大。其中,位于輻射沙脊群區域的3,4和6號采樣點均受到規劃圍墾區影響,4號和6號采樣點各方向有效波高均減小0.1 m,3號采樣點E向50年一遇設計有效波高減小0.15 m,說明輻射沙脊群區域圍墾規劃實施后近岸有效波高有所減小,但數值變化量級很小。此外,圖4反映出南部海域近岸7號采樣點所受影響最大,各方向有效波高減小0.38～0.62 m,而8號點有效波高未受到影響。

分析變化原因,3號采樣點因受到東沙圍墾區部分掩護,E向有效波高有所減小;同時灘涂圍墾規劃實施后岸線形態發生變化,尤其是江蘇南部海域,隨著岸線推進近岸處有效波高等值線也相應地向外海推進,整體有效波高有所減小。岸線形態的變化對位于洋口港-呂四港近岸區域的7號采樣點有效波高影響最大,而北部海域由于圍墾規劃區域較少,且分布形態多為狹長區域,對江蘇北部近岸50年一遇設計有效波高影響很小。

4.2 江蘇近岸平均波周期變化

江蘇近岸采樣點工程前后各向50年一遇平均波周期對比情況如圖7所示。

圖7 江蘇近岸采樣點各方向50年一遇平均波周期工程前后的對比Fig.7 Com parison of 50-year return average wave period w ith sam p ling points in Jiangsu coast before and after

project

觀察圖7可知,與有效波高變化規律基本相同,江蘇近岸海域50年一遇平均波周期有減小趨勢。其中,江蘇南部規劃圍墾區海域平均波周期變化較大,而北部沿海規劃圍墾區平均波周期基本不變。各采樣點中,1,2,6號和8號各方向平均波周期受到規劃圍墾區的影響很小,而平均波周期受到影響較大的是3號點的NNE向、4號點的NNE向、5號點的NNE向以及7號點的E向,其中,位于東沙圍墾區東部的5號點的NNE向平均波周期減小值達到1 s。故江蘇沿海灘涂圍墾規劃實施后,江蘇近岸50年一遇平均波周期變化最大區域位于輻射沙脊群區域,位于洋口港-呂四港近岸區域的7號采樣點在一定程度也受到影響。

5 結 語

文中基于MIKE 21 SW波浪模型對灘涂圍墾規劃前后江蘇近岸風浪場進行數值模擬,在模型驗證的基礎上,探討了江蘇近岸50年一遇風浪場的分布特征,分析了灘涂圍墾規劃工程對近岸50年一遇設計波要素的影響,并提供了江蘇水域灘涂圍墾規劃實施前后50年一遇設計波要素。

水深地貌形態和風區長度是影響江蘇近岸重現期波浪的重要因素。江蘇南北海域風浪場分布有所不同,北部海域風浪場等值線幾乎與等深線平行,而南部海域等值線錯綜復雜,其分布在一定程度下能夠反映水下地形。

江蘇沿海灘涂圍墾規劃工程實施后,江蘇近岸50年一遇設計有效波高和平均波周期有減小趨勢。江蘇北部近岸海域50年一遇設計有效波高和平均波周期基本不變,而南部近岸海域有效波高和平均波周期變化較大。其中,南部海域采樣點50年一遇設計有效波高最大降幅0.62 m,位于洋口港-呂四港近岸區域;南部海域采樣點50年一遇平均波周期最大降幅1 s,位于東沙圍墾區東部。

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(責任編輯:邢寶妹)

Analysis on Effects of Tidal Flat Reclamation on the W ind W ave′s Field in Jiangsu Coast

WANG Qing, LIXi*, HUANG Huiming, WANG Yigang
(Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence of Ministry of Education,Hohai University,Nanjing 210098,China)

According to the recent bathymetry data of Jiangsu coast and themeasured wind data from 1981 to 1998 of Xilian Island,50-year return design wind wave′s field of Jiangsu is simulated.The wave parameters at deep waters are calculated by design wind speed.Based on the validation by the measured data,the wind wave field of Jiangsu coast after reclamation(2010—2020)is also calculated to discuss the impact of tidal flat reclamation on wind wave field in Jiangsu.The feature of50-year return wind wave field in Jiangsu coast is discussed.Specifically,8 sampling points are selected tomake a comparison between waves before and after reclamation.Results show that 50-year return design waves in Jiangsu tend to decrease.The significantwave height and average wave period keep unchanged basically in the northern waterswhile those in the southern waters change a lot.The maximum decrease of significant wave height in sampling points is0.62m,which is located between Yangkou Harbour and LvsiHarbour near shore,and themaximum drop of average wave period in sampling points is 1s,which is at the east of Dongsha Reclamation area.Besides,the distribution of bathymetry and fetch length are important influence factors on return period waves of Jiangsu.

wind waves,radial sand ridges,SW,numerical simulation,tidal flat reclamation

Email:xili@hhu.edu.cn

P 751

A

1671-7147(2015)01-0090-07

book=96,ebook=99

2014-08-12;

2014-09-03。

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2012BAB03B01);江蘇省自然科學基金青年基金項目(BK2012411)。

王 晴(1990—),女,江蘇徐州人,港口、海岸與近海工程專業碩士研究生。

*通信作者:李 熙(1970—),男,江蘇南京人,副教授,碩士生導師。主要從事海洋工程技術等研究。