南通港洋口港區防波擋沙堤波浪場數值模擬及波浪要素推算

吳福林，李 艷

(中設設計集團股份有限公司， 南京 210000)

南通港洋口港區15萬t航道工程位于如東人工島的東側，南側為南航道及如東縣臨港工業區圍海造陸區域。15萬t級航道設計底標高為-15.8 m，滿足LNG全潮通航，疏浚段長度約18 km，航道疏浚土吹填至爛沙洋南水道南側邊灘的臨港工業圍填區，根據需要，在臨港工業圍填區前沿淺灘區開辟施工期臨時航道，并建設防波擋沙堤對臨時航道形成掩護，為了分析防波擋沙堤建設位置的波浪傳播情況，給防波擋沙堤設計提供合理的設計波浪要素。本文擬借助丹麥DHI公司開發的MIKE 21工程軟件包，選擇NSW模塊建立三維波浪場數學模型，研究主要風向(N～NNE)下，不同波浪重現期與設計水位組合情況下工程附近海域的波浪場，并給出防波擋沙堤附近計算控制點的設計波浪要素。

圖1 工程地理位置

1 波浪傳播模型建立

根據工程區域四周為輻射沙脊群海域、水沙情況復雜[1～2]、研究海域廣泛的特性，及以往類似工程經驗，采用考慮底摩阻的緩變水深水域定常波浪變形計算數學模型[3～5]，對工程海域的波浪場及防波擋沙堤附近的設計波浪要素進行推算。

1.1 控制方程

考慮底摩阻的緩變水深水域定常波浪變形計算數學模型的控制方程[6-7]為：

1) 波周期守恒方程

(1)

2) 波數矢無旋性方程

(2)

3) 光程函數方程

(3)

4) 波作用守恒方程：

(4)

1.2 初始條件

1) 初始條件

(5)

2) 外海入射邊界

φ0(x,y,t)e-iωt

(6)

3) 統一邊界條件

?Φ/?n+BΦ=0

(7)

B=B1+iB2=

(8)

?Φ/?n=0

(9)

當R=0則為透射邊界：

?Φ/?n+iksin(α*-a)Φ=0

(10)

在本文模型中，由于計算區域較大，開邊界處當有波浪入射時設為入射邊界，其余為透射邊界，岸邊界設為全吸收邊界。

1.3 不規則波模擬

實際海浪包括不同頻率、不同方向的組成波，基于線性隨機波浪理論，不規則波可以表示成無數不同頻率、不同方向組成波的線性疊加[8～9]:

kjy0sin(θp+θk)+2πfjt+εjk]

(11)

式中：ζ為波面，ajk為組成波振幅，fj為組成波圓頻率，θk為組成波方向，θp為衍射波方向，εjk為服從均勻分布的隨機相位。振幅ajk與波譜有如下關系。

(12)

對不規則波傳播變形進行數值模擬時，將入射方向譜S(f,θ)進行頻率分割與方向分割，對每個頻率、每個方向的組成波分別進行模擬計算，得出該組成波在計算水域內任一點處的波高比Kfd，則水域內任意點的波高為：

(13)

式中H0為入射波高。

2 工程海域數學計算模型的建立

本工程位于南通港洋口港區，外側為廣闊的輻射沙脊群，根據工程所在海域的風況和波況特征，本次波浪數學模型研究的主要計算波向為N～NNE[10]，計算范圍為171 km×135 km，外海最大水深20～25 m。其中，重現期50a、20a、10a的風浪要素[11]，如表1所示。

表1 工程區域各頻率下風浪要素

根據計算需求以及以往模型計算經驗，將計算工況列于表2。

3 工程海域數學模型驗證

根據2008年4月到5月間在工程海域4個潮位站附近共18條垂線實測潮位、流速和流向對本文建立的工程海域三維波浪場數學模型進行率定和驗證。潮位站及流速采樣點見圖2。

圖2 潮位站及流速采樣點布置圖

波向工況波浪重現期設計水位計算內容N～NNE工況1工況2工況3工況450a一遇20a一遇10a一遇50a一遇高潮位設計高水位設計高水位設計高水位波高(H1%、H4%、H5%、H13%、平均波高)、波長、周期

3.1 潮位驗證

對CW1至CW4共4個潮位站的潮位實測值與計算值進行比較(選擇CW2為代表，其潮位驗證結果見圖3)，比較結果顯示：

1) 每個潮位站實測28 h內的潮位波動，每小時測1個數據，每個潮位站測28個數據，共計112個數據。

2) 112個數據點中，最大潮位偏差為22 cm，平均潮位偏差為2.9 cm。誤差值在5 cm范圍內的數據點共有101組，占比為90.2%。誤差值在3 cm范圍內的數據點共有82組，占比為73.2%。

3) 在4個潮位站潮位過程的實測過程，與模擬過程中高、低潮位出現時刻最大偏差值為0.3 h，平均偏差僅0.05 h。

4) 從潮位值模擬及潮位過程模擬結果來看，計算值與實測值較為吻合，滿足潮流數學模型驗證的相似要求。

圖3 工程海域CW2站潮位驗證結果

3.2 流速、流向驗證

對L1至L4共18個流速驗證點的流速實測值與計算值進行比較(選擇L2與L16為代表，其流速、流向驗證結果分別見圖4、5)，比較結果顯示：

1) 每個流速驗證點實測28 h內的流速、流向變化，每個小時測1個數據，每個流速驗證點測28個流速數據、28個流向數據，共計504個流速數據、504個流向數據。

2) 504個流速數據中，最大流速差值比例為5.16%，平均流速差值比例為1.29%。誤差比例在5%以內的數據點共有494個，占比為98.0%；誤差比例在3%以內的數據點共有426個，占比為84.5%。

3) 504個流向數據中，最大流向差值比例為11.6%，平均流向差值比例為5.29%。誤差比例在10%以內的數據點共有501個，占比為99.4%；誤差比例在5%以內的數據點共有451個，占比為89.5%。

4) 從工程海域流速、流向模擬結果來看，計算值與實測值較為吻合，滿足潮流數學模型驗證的相似要求。

圖4 工程海域L2測點流速、流向驗證結果

圖5 工程海域L16測點流速、流向驗證結果

4 數學計算結果分析

將各工況下研究海域的H13%波高、波矢繪于圖6，并選擇若干個監測點，將各工況下設計波浪要素列于表3(由于篇幅關系，只列出5個特征點)。特征點布置見圖7。

圖6 各工況下H13%波高、波矢圖

工況計算位置設 計 波 要 素H1%/mH4%/mH5%/mH13%/mH /mL/mT/sd/m工況1S013.17* 3.13 3.06 2.71 1.92 54.69 8.09 5.20 S033.85 3.41 3.33 2.92 2.03 59.68 8.09 6.35 S073.82* 3.49 3.40 3.00 2.09 59.33 8.09 6.26 S094.01* 3.57 3.48 3.06 2.13 60.59 8.09 6.58 S0113.66* 3.43 3.35 2.95 2.07 58.24 8.09 6.00 S0143.74* 3.36 3.27 2.88 2.00 58.82 8.09 6.14 工況2S011.76* 1.76* 1.76* 1.76* 1.29 41.79 8.09 2.89 S032.47* 2.47* 2.47* 2.27 1.63 48.82 8.09 4.04 S072.41* 2.41* 2.41* 2.38 1.74 48.34 8.09 3.96 S092.60* 2.60* 2.60* 2.45 1.77 50.06 8.09 4.27 S0112.25* 2.25* 2.25* 2.25* 1.65 46.84 8.09 3.69 S0142.34* 2.34* 2.34* 2.22 1.61 47.63 8.09 3.83 工況3S011.76* 1.76* 1.76* 1.76* 1.29 40.47 7.85 2.89 S032.47* 2.47* 2.46 2.19 1.56 47.24 7.85 4.04 S072.41* 2.41* 2.41* 2.29 1.66 46.78 7.85 3.96 S092.60* 2.60* 2.60* 2.35 1.69 48.43 7.85 4.27 S0112.25* 2.25* 2.25* 2.24 1.64 45.34 7.85 3.69 S0142.34* 2.34* 2.34* 2.14 1.54 46.10 7.85 3.83 工況4S011.76* 1.76* 1.76* 1.76* 1.29 39.59 7.69 2.89 S032.47* 2.42 2.36 2.09 1.48 46.19 7.69 4.04 S072.41* 2.41* 2.41* 2.19 1.57 45.74 7.69 3.96 S092.60* 2.60* 2.54 2.25 1.60 47.35 7.69 4.27 S0112.25* 2.25* 2.25* 2.15 1.56 44.34 7.69 3.69 S0142.34* 2.34* 2.31 2.05 1.46 45.08 7.69 3.83

注：*代表當地極限波高

分析圖6及表3可知：

1) 波浪方向主要受風向及地形影響。在東北、東南等開闊海域，波浪方向基本與風向一致。在近海區域，波浪傳輸至固定邊界后阻擋反射，并與后續傳輸波浪發生疊加、衍射，波浪場較為散亂。

2) 在各工況下，2.5、3、4、4.5 m等值線分布形狀十分相似，范圍大小有一定差異。極端組合下同一級等值線分布范圍向近岸收縮。

3) 在50a一遇高潮位與50a一遇風浪組合情況下，工程區域N～NNE向H13%波高主要分布在2.5、3 m等值線范圍之間，其他工況下則基本分布在2.5 m波高等值線范圍內。

4) 在各工況下，防波擋沙堤的堤頭位置附近波高較大；由于工程位置灘面較高，設計高水位時，各計算點處波浪基本以當地極限波高控制為主。

5) 各工況組合條件下，各向H1%最大波高均出現在S09點，在50a一遇高潮位與50a一遇風浪組合情況下， N～NNE向H1%波高約為4.01 m，對應的H13%波高為3.06 m。

6) 設計高水位與50a一遇風浪組合、設計高水位與20a一遇風浪組合及設計高水位與10a一遇風浪組合情況下，S09點H1%波高均達到當地極限波高2.60 m，而對應的H13%波高，分別為2.45 m、2.29 m和2.25 m。

圖 7 特征點布設示意圖

5 結論

本文建立了南通港洋口港區15萬噸航道工程防波擋沙堤區域的三維波浪數值模型，分析各工況主要風向(N～NNE)下，不同波浪重現期與設計水位組合情況下工程附近海域的波浪場。分析結果顯示：工程區域的波高極值為4.01 m，正常波高在1.45～1.92 m，極值風速為31.69 m/s，風浪條件較好，對防波擋沙堤堤頂要求較低。