旅順新港旅游休閑區波浪數值模擬研究

劉昌鳳，施忠良，鄭 興，王榮泉，曹光磊

(1.大連海洋大學 海洋與土木工程學院，大連 116023；2.大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室，大連 116024；3. 中交天津港灣工程設計院有限公司，天津 300461)

旅順新港旅游休閑區波浪數值模擬研究

劉昌鳳1,2，施忠良3，鄭 興3，王榮泉2，曹光磊2

(1.大連海洋大學 海洋與土木工程學院，大連 116023；2.大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室，大連 116024；3. 中交天津港灣工程設計院有限公司，天津 300461)

工程海域的波浪條件是港口規劃設計中需要考慮的首要因素。針對旅順新港旅游港區擴建預案，應用水動力學軟件MIKE21的SW和BW數學模型對防波堤建設前后工程海域的波浪場進行數值模擬。根據工程區域水深及地形變化特點，采用遠場大區域推算與近場小區域精細模擬相結合的方法，計算了擬建水工建筑物的設計波浪要素及港內波況。結果表明：工程受NW和NNW方向波浪影響較大，當重現期為50 a時，外護岸、防波堤和泊位處的有效波高分別為4.74 m、5.66 m和1.10 m；若在防波堤和外護岸西側增加一條垂直于NW方向的潛堤，外護岸、防波堤和泊位處的有效波高分別降至3.43 m、3.79 m和0.75 m。

旅順新港；波浪；MIKE21；數值模擬

圖1 工程位置衛星云圖Fig.1 Satellite image of project location

旅順新港旅游港區位于旅順西側羊頭灣的月亮灣北部，地處遼東半島最南端、南瀕黃海，西扼渤海水道，地理位置為38°48.5′N、121°08′ E，港區所在位置衛星圖如圖1所示。本工程擬在月亮灣北部修建防波堤及護岸等水工建筑物。在水工建筑物的設計中，波浪掩護效果、港區水域流態、泥沙淤積等是確定其平面選線的關鍵性問題[1]，需要根據現有方案進行數值模擬研究和物理模型試驗。

由于物理模型試驗具有成本高、周期長的缺點，在項目設計初期通常采用數值模擬研究進行方案優選[2-3]。MIKE21系列軟件是由丹麥水工研究所(DHI)開發的水動力計算軟件，其波浪傳播模塊能夠計算波浪自外海向近海的傳播變形，風生成浪以及近海建筑物附近的波浪變形等問題[4]。目前，該軟件已經在國內港口工程項目中得到了廣泛應用[5-9]。

圖2 水師營氣象站風玫瑰圖Fig.2 Wind rose diagram of Shuishiying station

1 工程海域水位、風和波浪條件

工程海域的極端高水位2.91 m，設計高水位2.27 m，設計低水位0.10 m，各水位均以當地理論最低潮面為基準。根據旅順當地水師營氣象站的統計資料，該地區多年平均風速為3.82 ms，最大風速為32 ms，強風向為NNW方向，常風向為NNE方向，頻率31%，次常風向為N方向，頻率27%(圖2)。

與港區臨近的北隍城海洋觀測站(38°24′N、120°55′E，距港址約50海里)，該站的S-SW-W-NW向波況基本能反映本港區深水波浪，故采用該站的波浪資料進行深水波浪分析。根據測站的統計資料，該地區常浪向為NW方向和NNW方向，強浪向為NW方向，各重現期波浪數據如表1所示。

表1 北隍城觀測站不同重現期有效波高Tab.1 Significant wave heights of different return period at Beihuangcheng station

2 深水波浪要素計算

為了精細模擬工程區域設計波要素及港內波浪情況，項目采用MIKE21軟件中的SW模型，通過大范圍波浪場推算，得到工程區域-20 m等深線處的波浪要素。

2.1 MIKE 21 SW計算模型

MIKE21 SW模型可考慮波浪繞射、淺水變形、局部風成浪、海底摩擦和波浪破碎的影響，可用來進行大范圍的波浪場計算。在笛卡爾坐標系下，MIKE21-SW的控制方程表示為

(1)

式中：N為波作用密度，σ為相對頻率，V=(cx,cy,cσ,cθ)為波群速度，cx、cy分別表示波作用在地理空間(x,y)中傳播時的變化，cσ表示由水深和水流變化引起的相對頻率的變化，cθ表示由水深和水流引起的折射，S指能量平衡方程中以譜密度表征的源函數，式中各傳播速度均采用線性波理論計算。

表2 工程區域-20 m等深線處設計波要素Tab.2 The designed wave parameters at -20 m water depth counter in project location

2.2數值計算結果

考慮主要入射波浪方向、工程區域以及北隍城測站所在位置，選定東西向長106 km、南北向長118 km的矩形作為大區域的計算范圍，計算域左下方點A的地理坐標為(E120.2°，N38.2°)，如圖3所示。

圖3 大區域模型計算域Fig.3 Computational domain of a large area model

采用MIKE 21 SW模型推算大區域模型波浪場，給出工程區域灣口深水處(-20 m等深線)設計波浪要素(表2)。

從計算結果可以看出：(1)工程海域強浪向NW和次強浪向NNW的推算結果與北隍城測站波浪統計資料相吻合，說明大區域模型建立合理，結果可靠；(2)受地形掩護及水深變淺引起波浪折射的影響，這兩個方向的外海來浪傳至本工程區域時向灣內發生偏轉，在防波堤設計中應重點考慮。

3 防波堤、護岸設計波要素和港內泊穩計算

3.1 MIKE 21 BW計算模型

MIKE21 BW模型考慮地形和水工建筑物對波浪的折射、反射和繞射以及底部摩阻損耗等的影響，可用于碼頭設計波要素和港內泊穩計算。BW模型的基本方程為

(2)

(3)

(4)

式中：P、Q為X、Y向流速水深積分；FX、Fy為X、Y向水平應力；d為總水深；n為孔隙率；C為謝才系數；α、β為空隙介質中層流和紊流的阻尼系數；ξ為波面升高；ψx和ψy為色散項。

3.2平面布置方案

在本項目的4個平面布置方案中，擬建防波堤均為圓弧形且位置相同：方案一為基本方案(圖4-a)，方案二在防波堤和外護岸西側增加一條垂直于NW方向長度為400 m的潛堤(圖4-b)，方案三在防波堤和外護岸西側增加一條與平行于防波堤長度為500 m的潛堤(圖4-c)，方案四將防波堤按現有弧度延長100 m(圖4-d)。方案二和方案三中潛堤斷面設計保持一致，其斷面圖如圖5所示。

4-a 方案一(基本方案) 4-b 方案二(垂直潛堤方案) 4-c 方案三(平行潛堤方案) 4-d 方案四(延長防波堤方案)圖4 工程方案的平面布置Fig.4 Layout of engineering projects

3.3數值計算結果

圖5 平面布置方案二和方案三中的潛堤斷面圖Fig.5 Cross-section view of submerged breakwater in scheme Ⅱ and scheme Ⅲ

外護岸和防波堤的設計波要素由工程區域原始地形計算得到，而港內波況由工程建成后的地形計算得到。按照50 a重現期的設計標準，選取NW、W、WNW、SW和NNW 5個波向，以及極端高水位、設計高水位和設計低水位3種情況進行數值計算。考慮到外海波向傳到工程區域后發生偏轉、以及工程方案布置和模型計算的要求，不同波浪入射時計算模型的區域選取如圖6所示。在方案二和方案三中，潛堤的影響可以通過修改地形實現，圖7-a和圖7-b分別為垂直潛堤方案(方案二)和平行潛堤方案(方案三)的MIKE21 BW模型地形圖。

3.3.1 外護岸及防波堤

對外護岸和防波堤進行分段，并提取每段外護岸和防波堤的最大波要素，表3給出了在極端高水位和重現期為50 a的條件下，外護岸及防波堤有效波高統計值。

圖6 MIKE 21-BW模型計算區域示意圖Fig.6 Sketch of calculation ranges in MIKE 21-BW model

7-a 垂直潛堤方案(方案二)地形圖 7-b 平行潛堤方案(方案三)地形圖圖7 潛堤方案地形圖Fig.7 Topographic maps of two submerged breakwater schemes

港內測點方案一方案二方案三外護岸NW4．743．433．29NNW3．342．412．43WNW3．01--SSW1．87--防波堤NW5．663．793．74NNW4．783．193．34WNW3．27--SSW1．29--

從表3可以看出：(1)由于工程位于開敞海域，對其影響最大的波浪仍是NW方向，其次是NNW方向；(2)在方案二和方案三中，外護岸和防波堤前的設計波高明顯減小，對于垂直潛堤方案(方案二)，波高的降幅在27.6%～33.3%；對于平行潛堤方案(方案三)，波高的降幅在27.2%～33.9%，兩種方案的計算結果差別并不明顯，但方案二中潛堤長度小于方案三，從工程造價角度考慮，建議采用垂直潛堤方案(方案二)。

3.3.2 港內泊穩

選取19個控制點驗算港內泊穩情況，其中1～6號是泊位處測點，7～8號是港池內測點，9～11號是航道內測點，12～15號是世界和平公園處測點，16～19號是旅順新港東防波堤處測點，控制點布置如圖8所示。

在對工程實施后港內泊穩的計算中，考慮了小風區局部風浪[10]的影響。根據《海港水文規范JTS 145-2-2013》規定，港域風區長度超過1 km時，需同時考慮繞射波與局部風浪的合成，合成后的波浪按式(5)計算。

圖8 港內泊穩條件控制點布置Fig.8 Layout of control points for berthing conditions

(5)

式中:H為港內計算點波高，H1和H2分別為計算點繞射波高和局部風浪波高。

選取SSE風向的3、4號測點研究繞射波與局部風浪的疊加作用。表4給出了3、4點在SSE向風作用下形成的局部小風區有效波高。為保證安全，將SSE風向下測點局部風浪與各向外海波浪進行疊加，得到港內3、4測點在局部風浪與外海波浪共同作用下的波浪條件(表5)。

表6給出了外海NW向50 a一遇波浪作用下港內的有效波高。圖9給出了在重現期為50 a和設計高水位條件下，采用不同設計方案時港內的比波高分布。

綜合分析表6和圖9的計算結果，可以看出：(1)對港內泊穩影響較大的外海波浪為NW方向；(2)設置垂向潛堤(方案二)或延長防波堤(方案四)后港內波高都會減小，采用方案二泊位處波高最多降低30%，采用方案四泊位處波高最多降低10%。可見，設置垂向潛堤對港內掩護效果更為明顯，因此建議采用平面布置方案二。

表4 SSE風向港內3、4測點局部風浪的有效波高
Tab.4 Significant wave heights of observation points 3 and 4 in harbor induced by the SSE direction wind m

測點極端高水位設計高水位設計低水位30．420．420．3340．430．410．30

表5 港內3、4點在小風區局部風浪和外海50 a一遇波浪作用下的波浪條件Tab.5 Wave conditions of points 3 and 4 in small fetch under the waves with 50 a return period

表6外海NW向50 a一遇波浪作用下港內有效波高
Tab.6 The largest significant wave heights in harbor induced by the NW direction wave with 50 a return period m

港內測點方案一方案二方案四極端高水位設計高水位極端高水位設計高水位極端高水位設計高水位泊位10．880．910．650．650．800．8520．981．020．640．660．840．8931．061．070．680．710．880．9340．890．930．720．740．930．9850．991．050．740．770．941．0061．081．100．750．780．951．00港池71．010．960．700．730．900．9681．030．980．670．690．850．91航道91．183．450．970．900．850．89104．771．113．323．133．913．59113．264．474．293．644．744．61世界和平公園121．051．030．740．730．950．99130．921．010．790．780．930．95141．061．010．760．690．840．87150．940．980．800．740．960．95旅順新港東防波堤166．035．85．855．945．995．96175．324．864．814．825．725．71185．955．724．053．885．275．28195．294．783．743．644．774．74

圖9 外海50 a一遇波浪和設計高水位下的港內比波高圖Fig.9 Relative wave height distribution in port under return period of 50 a at design high water level

4 結論

(1)對于基本布置方案(方案一)，在50 a一遇NW方向波浪作用下，外護岸處有效波高可達4.74 m，防波堤處有效波高可達5.66 m，內護岸處有效波高為1.19 m。

(2)對于設置垂向潛堤方案(方案二)，在50 a一遇NW方向波浪作用下，防波堤處有效波高減小27.6%～33.3%，泊位處有效波高最大降幅約為30%。

(3)對于設置平行潛堤方案(方案三)，在50 a一遇NW方向波浪作用下，防波堤處有效波高減小27.2%～33.9%，且潛堤長度大于方案二。

(4)對于延長防波堤方案(方案四)，在50 a一遇NW方向波浪作用下，泊位處有效波高最大降幅約為10%，其掩護效果不如方案二。

綜上所述，在4個平面布置方案中，從波浪掩護效果和工程造價角度考慮，方案二最優，但方案的最終選取還應綜合考慮潮流和泥沙的影響。

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Numerical simulation of wave condition in tourism and leisure zone of Lushun new harbor

LIUChang-feng1,2,SHIZhong-liang3,ZHENGXing3,WANGRong-quan2,CAOGuang-lei2

(1.CollegeofOceanandCivilEngineering,DalianOceanUniversity,Dalian116023,China;2.StateKeyLaboratoryofCoastalandOffshoreEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China; 3.TianjinPortEngineeringDesign&ConsultingCompanyLtd.ofCCCCFirstHarborEngineeringCompanyLtd.,Tianjin300461,China)

Wave condition in project area is a primary factor of harbor design. In the expansion project of Lushun new harbor, a hydrodynamic model MIKE21 was applied to simulate the wave field before and after the breakwater construction. According to characteristics of water depths and geography in the project area, both far field and near field analytical methods were adopted to calculate the design wave parameters of proposed marine structures and wave conditions in harbor. The results show that: waves in both NW and NNW directions have greater influence, while the significant wave heights outside the revetment and the breakwater are 4.74 m and 5.66 m as well as 1.10 m at berth; if there is a submerged breakwater built perpendicularly to NW direction, the significant wave heights at revetment, breakwater and berth can be reduced to 3.43 m, 3.79 m and 0.75 m.

Lushun new harbor; wave; MIKE21; numerical simulation

TV 139.2;O 242.1

：A

1005-8443(2017)04-0351-06

2016-06-01；

：2016-09-18

國家自然科學基金資助項目(51409039)；遼寧省教育廳一般項目(L201601)

劉昌鳳(1981-)，女，黑龍江省加格達奇人，講師，主要從事港口﹑海岸和近海工程研究。

Biography：LIU Chang-feng (1981-), female, lecturer.