山東萊州灣海域波浪數(shù)值模擬研究

劉功鵬

摘要：基于MIKE21SW波浪數(shù)值模型，結(jié)合萊州灣海域地形、波浪特點(diǎn)，以萊州氣象站的風(fēng)速資料為基礎(chǔ)，對(duì)菜州灣海域的設(shè)計(jì)波浪要素進(jìn)行模擬和分析。與海上測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)波浪要素進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了模型模擬的準(zhǔn)確性和可靠性，并對(duì)計(jì)算方法和模型的適用性進(jìn)行了探討。結(jié)果表明：萊州灣海域波浪從灣外向近海傳播，受海底地形、岸線走向、風(fēng)速風(fēng)向的影響，波浪發(fā)生一定的折減、繞射等衰減現(xiàn)象，波浪場(chǎng)的分布特征與風(fēng)速風(fēng)向、水深、地形密切相關(guān)。研究成果可供菜州灣海上風(fēng)電的開發(fā)利用借鑒參考。

關(guān)鍵詞：海域波浪;數(shù)值模擬;MIKE21;海上風(fēng)電;山東菜州灣

中圖法分類號(hào)：P743.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.04.011

海上風(fēng)電技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展已日趨成熟，目前我國(guó)海上風(fēng)電已進(jìn)入規(guī)模化發(fā)展階段，有著巨大的發(fā)展空間。2017年我國(guó)海上風(fēng)電開發(fā)取得突破性進(jìn)展，新增裝機(jī)容量116萬(wàn)kW，同比增長(zhǎng)97%，累計(jì)裝機(jī)達(dá)到279萬(wàn)kW。根據(jù)國(guó)家能源局印發(fā)的《風(fēng)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，到2020年底，海上風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到500萬(wàn)kW以上，為實(shí)現(xiàn)2020年非化石能源占比達(dá)到15%的目標(biāo)提供重要支撐。

山東是我國(guó)臨海大省，風(fēng)能資源豐富，海上風(fēng)電的開發(fā)利用潛力巨大。本文基于MIKE21SW軟件，建立了萊州灣海域波浪數(shù)值模型，并利用萊州灣內(nèi)海上測(cè)風(fēng)塔實(shí)測(cè)資料對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)該海域的波浪場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，掌握極端天氣條件下萊州灣的波浪分布情況，可對(duì)萊州灣海域海上風(fēng)電開發(fā)提供技術(shù)支撐。

1計(jì)算方法和模型構(gòu)建

1.1計(jì)算方法

運(yùn)用MIKE21SW波浪數(shù)值模型對(duì)工程區(qū)域的設(shè)計(jì)波浪要素進(jìn)行計(jì)算。SW模型是基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的新一代風(fēng)浪譜模型，適用于計(jì)算風(fēng)浪、涌浪的成長(zhǎng)、衰減和傳播，并可兼顧考慮近岸海底地形和建筑物引起的波浪繞射和反射效應(yīng)，基本上可滿足局部區(qū)域波浪計(jì)算精度的要求。

萊州灣海域以風(fēng)浪為主，故研究區(qū)域采用風(fēng)速資料對(duì)風(fēng)浪進(jìn)行計(jì)算，在整個(gè)萊州灣海域建立大范圍風(fēng)浪成長(zhǎng)傳播數(shù)學(xué)模型。利用萊州灣海域設(shè)計(jì)風(fēng)速推求極端天氣條件下的萊州灣外海深水波要素，通過與海上測(cè)風(fēng)塔的波浪實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較、率定，計(jì)算出整個(gè)萊州灣海域的設(shè)計(jì)波浪要素。

1.2模型簡(jiǎn)介

丹麥水利研究所（DHI）開發(fā)的MIKE21軟件中的SW淺水波浪數(shù)值模擬模塊，主要適用于不同歷史條件下近海、海岸以及港口結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)過程中的波浪情況后報(bào)，也適合于對(duì)大范圍或者局部區(qū)域的波浪進(jìn)行預(yù)報(bào)和分析。

1.3參數(shù)設(shè)置

為了滿足萊州灣海域的波浪計(jì)算需要，計(jì)算范圍以東經(jīng)118.8°、北緯37.1°為原點(diǎn)，向東延伸140km，向北延伸100km。模型采用三角形網(wǎng)格（見圖1），網(wǎng)格數(shù)為4539，時(shí)間步長(zhǎng)從0.01～360s自動(dòng)調(diào)節(jié)，數(shù)學(xué)模型的開邊界條件由中國(guó)近海潮汐潮流數(shù)學(xué)模型Chinatide Esl提供，其中潮位為2.51m（極端高水位）。波浪破碎系數(shù)取值為0.8，底摩阻類型為尼古拉茲砂粒糙率，取值為0.01m，白浪取值為4.5，初始條件中的公式類型為JONSWAP fetch growth ex-pressiono

2計(jì)算條件

2.1設(shè)計(jì)風(fēng)速

模型主要模擬萊州灣海域50a一遇高水位（即極端高水位）下的波浪要素，因此采用萊州灣海上10m高度，重現(xiàn)期為50a的設(shè)計(jì)風(fēng)速，見表1。

2.2深水設(shè)計(jì)波要素

根據(jù)SL 435-2008《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，采用莆田海堤試驗(yàn)站公式，計(jì)算確定重現(xiàn)期為50a的NW、N、NE等方向的外海30m等深線附近的深水波浪要素，見表2。

3模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型參數(shù)設(shè)置的準(zhǔn)確性，采用模型內(nèi)海上測(cè)風(fēng)塔作為驗(yàn)證點(diǎn)，所處位置見圖2和坐標(biāo)見表3。

以2017年7月1日00：00至5日04：00的實(shí)測(cè)波浪資料對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行率定，率定因素為有效波高、平均周期、平均波向。通過模型反演上述時(shí)段的波浪場(chǎng)后發(fā)現(xiàn)，該站模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)的各項(xiàng)波浪要素資料之間擬合較好，見圖3。

通過對(duì)驗(yàn)證點(diǎn)的數(shù)據(jù)分析可知，有效波高、平均周期的模擬值與實(shí)測(cè)值基本一致，平均波向的模擬值與實(shí)測(cè)值偏差較小，整體變化趨勢(shì)接近，偏差精度滿足要求。該風(fēng)浪數(shù)值模型能較好地反映萊州灣海域的波浪特性，亦可用于推算不同工況下的設(shè)計(jì)波要素。

4計(jì)算結(jié)果

在模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，對(duì)極端高水位隋況下NW、N、NE向的波浪場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，選取N向有效波高、最大波高和平均周期的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，見圖4～6。

波浪數(shù)值模型結(jié)果表明：萊州灣外海海域極端天氣下的有效波高達(dá)到5.0m左右，最大波高達(dá)到10-2m左右，平均周期達(dá)到9.0s以上;近岸海域有效波高和平均周期受水深、地形影響，有效波高只有0.8m，最大波高只有1.8m，平均周期只有3.5s甚至更小，反映出波浪由灣外向近海傳播，受海底地形、岸線走向、風(fēng)速風(fēng)向的影響，波浪發(fā)生一定折減、繞射等衰減現(xiàn)象，海域波浪場(chǎng)的分布特征與風(fēng)速風(fēng)向、水深、地形等密切相關(guān)。波浪場(chǎng)在平面上的分布以及波浪在傳播過程中的波向隨著水下地形改變的趨勢(shì)顯著。越靠近岸線水深變化顯著的海域，等波高線越密集，島嶼鏈對(duì)波浪的掩蔽作用越明顯，在崎嶇列島波浪傳播的后方形成波浪的掩蔽區(qū)，波高較同一緯度偏小。

5結(jié)語(yǔ)

本文利用MIKE21Sw對(duì)萊州灣海域在極端天氣條件下的波浪場(chǎng)進(jìn)行模擬，得出萊州灣海域波浪的復(fù)雜分布特征。將該模型的設(shè)計(jì)波浪計(jì)算成果與海上測(cè)風(fēng)塔的短期實(shí)測(cè)波浪數(shù)據(jù)相結(jié)合，可供海上風(fēng)電領(lǐng)域設(shè)計(jì)施工參考借鑒，為風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)、海上升壓站等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供可靠的參數(shù)。

目前，我國(guó)海上風(fēng)電開發(fā)多處于外海海域，設(shè)計(jì)波浪所需的觀測(cè)資料匱乏。本文采用的設(shè)計(jì)方案符合規(guī)范要求，可為缺乏長(zhǎng)期波浪觀測(cè)資料的海域用電場(chǎng)址設(shè)計(jì)波浪參數(shù)計(jì)算提供了切實(shí)可行的計(jì)算方法，研究成果具有良好的應(yīng)用價(jià)值。