防波堤對消減臺風浪波高的影響

姬厚德 藍尹余 涂振順

摘要：本文以“尼伯特”臺風為例，利用Holland經驗風場模型和SWAN波浪模型搭建臺風浪場數值模型，計算不同設計工況下防波堤對消減臺風浪波高的影響。結果表明防波堤長度和走向是消減臺風浪的重要因素，防波堤設計時應綜合考慮臺風特點、岸線走向、地形地貌等因素合理確定長度和走向，最大程度提高臺風浪消減率和避風水域面積，同時也表明數值模擬是防波堤優化設計的有效手段之一，可為防臺減災提供重要的技術支撐。

關鍵詞：臺風浪;防波堤;SWAN模型;海洋災害

中圖分類號：P753文獻標識碼：A文章編號：1006—7973（2022）05-0085-03

福建省地處臺灣海峽西側，海岸線蜿蜒曲折，每年受臺風侵襲嚴重[1]，2006年-2019年影響福建省的臺風有66個[2]，其中33個直接登陸福建地區，平均每年2.36個。臺風每年對福建造成嚴重損害[3]，其造成的海洋災害尤以臺風浪威脅最大[4]，2016年-2020年造成63人的海洋災害死亡事故全部是由臺風浪災害引起。福建省是全國典型的漁業大省，海洋災害事故主要集中于漁業作業區，全省已建設漁港近300個，為沿海漁業生產、保障人民生命財產安全提供保障。防波堤是消減臺風浪波高最有效的措施，防波堤可以有效地阻擋海浪進入掩護水域，為港池內的漁船避臺提供掩護，但防波堤建設周期長、耗費成本高，如何利用有限的資金建設具有最佳消減臺風浪波高效果的防波堤是漁港建設的重要問題之一。本文在不同設計工況下分別模擬建設防波堤后東埔漁港附近海域臺風浪場分布情況，分析防波堤在消減臺風浪波高中的影響，為防臺消浪、防波堤優化設計等提供技術支撐。

1研究概況

1.1區域概況及工況設計

東埔漁港處于福建省中部的泉州灣南部海域，東側直面臺灣海峽，該海域受臺風侵襲嚴重。為研究防波堤對消減臺風浪波高的影響，設計了分別建設不同長度、不同走向防波堤的4種工況及未建設防波堤的工況，比較分析不同工況下臺風浪場的分布情況及防波堤對消減臺風浪波高的影響。工況設計說明見表1，建設位置示意圖見圖1。

1.2臺風概況

選取超強臺風“尼伯特”（1601號）為例，該臺風于2016年7月3日8時形成，60小時后加強形成超強臺風，先后在臺灣省臺東縣和福建省石獅市登陸，對臺風影響區域造成較大經濟損失，并直接造成83人死亡。

1.3模型簡介

臺風風場的模擬對臺風浪的模擬非常重要，本文選取Holland經驗模型模擬臺風風場[5-6]，該模型涉及臺風中心氣壓，臺風外圍氣壓，最大風速、最大風速半徑等參數，這些參數可以從網絡上獲取。

波浪場利用SWAN模型[7-8]進行模擬，該模型基于波作用守恒方程，計算中包含了繞射、波浪破碎、白帽等波浪計算的大部分物理過程，是目前較為常用的模擬臺風浪的數值模型。

2模型設置與驗證

2.1模型設置

為減少模型計算量，本次模擬采用粗網格（大區域）、細網格（小區域）嵌套的方法進行計算，粗網格計算邊界為經度116°～124°，緯度19。～27°，網格邊長約1000m，計算區域覆蓋整個臺灣海峽。細網格的計算邊界為經度118°41′～118°52′，緯度24°36′～24°46′，網格最小邊長約50m，由粗網格計算出小區域的邊界條件，不僅可以提高計算效率，還便于更為細致地刻畫近岸區域的波浪場分布特征。

為了保證計算模型的穩定并覆蓋整個臺風過程，計算時間從2016年7月3日8：00-7月10日11點，時間步長設為600s，頻率離散范圍為0.055～1.100Hz，方向離散數量為32。

2.2模型驗證

為了驗證SWAN模型的準確性，選取位于福建省北部的北礵站實測資料進行驗證，有效波高對比圖見圖2。受經驗風場模型限制，當風速較小時，模擬風速要比實際風速小，當風速達到一定值后，兩者相關性逐漸變好，進而反映到波浪的模擬結果上。從圖2可以看出，當模擬的有效波高大于1.5m時，計算值和實測值符合性較好，當模擬的有效波高小于1.5m時，計算值與實測值的誤差明顯加大。總體上，有效波高平均相對誤差為11.7%，在有效波高大于1.5m期間平均相對誤差最大僅為7.0%，說明建立的波浪場模型在“尼伯特”臺風浪模擬中取得了較為可信的效果。

3結果分析與討論

3.1不同工況計算結果分析

選取附近海域2個特征點（見圖1）作為對比分析點，計算不同工況下所在位置波浪變化情況，分析防波堤消減臺風浪波高的影響，計算結果見圖3。從圖中可以看出，在未建設防波堤時，臺風期間1號點最大有效波高略大于2號點，這主要是受近岸反射波疊加影響所致，總體上兩個點波高相差不大。工況1的防波堤建設過短，僅能阻擋1號點附近少量的臺風浪，對2號點基本無掩護作用;工況2相較于工況1防波堤向西南側延伸，對1號點附近臺風浪消減明顯，有效波高最大消減率約50%，但仍有大量能量繞過防波堤進入掩護水域，臺風期間1號點最大有效波高仍有1.6m，難以起到足夠的防護效果，2號點處于工況2防波堤外側，附近海域臺風浪消減效果甚微;工況3在工況2的基礎上繼續延伸防波堤，臺風期間1號點和2號點的有效波高均在0.5m以下，有效波高最大消減率達80%，防波堤對掩護水域起到了極大的防護作用，防波堤內側形成的掩護水域可達到避臺要求。由此說明，防波堤長度是影響消減臺風浪波高的重要因素。

工況4雖然與工況3的防波堤長度一致，但受防波堤走向影響，消減臺風浪效果一般，對于1號點，工況4比工況2防波堤長度長約300m，但防護效果與其相當，對于2號點，工況4對臺風浪消減效果較差，說明工況4形成的掩護水域面積較小。由此說明，防波堤走向也是影響消減臺風浪波高的重要因素。設計防波堤走向時應充分考慮臺風旋轉方向、海岸線走向，結合當地地形地貌，盡量減少波浪繞射進入掩護水域的能量，并減小防波堤與波浪人射方向的夾角以提高防波堤防護效果。

3.2典型時刻臺風浪場分布特征

選取臺風靠近漁港附近海域時的典型時刻分析防波堤對消減臺風浪波高的影響，以工況3下2016年7 月8日18：00的有效波高分布為例（見圖4）。從圖中可以看出，此時近岸海域有效波高均在2.0m以上，距離海岸2km以外較深處有效波高達4.0m以上，而此時受防波堤保護，東埔漁港內側水域有效波高均在1.0m以下，漁港內東北側海域掩護效果最好，有效波高在0.4m以下，計算結果表明，該設計方案下，防波堤對消減臺風浪波高具有良好的效果。此外，還可根據波高分布情況安排不同類型的船舶在不同區域合理避臺，使防臺資源得到最優配置。

選取臺風靠近漁港附近海域時的典型時刻分析防波堤對消減臺風浪波高的影響，以工況3下2016年7月8 日18：00的有效波高分布為例（見圖4）。從圖中可以看出，此時近岸海域有效波高均在2.0m以上，距離海岸2km以外較深處有效波高達4.0m以上，而此時受防波堤保護，東埔漁港內側水域有效波高均在1.0m以下，漁港內東北側海域掩護效果最好，有效波高在0.4m以下，計算結果表明，該設計方案下，防波堤對消減臺風浪波高具有良好的效果。此外，還可根據波高分布情況安排不同類型的船舶在不同區域合理避臺，使防臺資源得到最優配置。

4結語

利用搭建的數值模型模擬了“尼伯特”臺風過境時不同長度、不同朝向的防波堤下臺風浪場的分布特征，進而分析了防波堤對消減臺風浪波高的影響，結果表明：

（1）利用模型計算的有效波高與北礵站實測資料符合性較好，總體上有效波高平均相對誤差為11.7%，在有效波高大于1.5m期間平均相對誤差最大僅為7.0%，建立的波浪數值模型可較為準確的反映“尼伯特”期間的臺風浪分布特征。

（2）隨著防波堤長度的增加，臺風浪消減率提高，避風水域面積也有所擴大，說明防波堤長度是消減臺風浪波高的重要因素;防波堤合理的走向可有效阻擋波浪進入掩護水域，也可以大大減少波浪繞射進入掩護水域的能量，提高防波堤防護效率，因此防波堤走向也是消減臺風浪波高的重要因素。

（3）利用建立的數值模型可直觀地反映臺風期間波浪分布情況，今后可將臺風預報信息加入模型中進而預報臺風期間避風水域內波浪分布情況，合理安排不同類型船舶在不同區域避風，為防臺減災資源優化配置提供技術支撐。

參考文獻：

[1]謝麗，張振克.近20年中國沿海風暴潮強度、時空分布與災害損失[J].海洋通報，2010，29（6）：690-696.

[2]鐘卓璇，林添水，陳臻皓.影響福建地區典型臺風天氣特征研究[J].農業開發與裝備，2021（08）：97-98.

[3]唐艷平，林祥.福建沿海臺風浪數值模擬及特性分析[J].水運工程，2017，（4）：53-93.

[4]于豐武.臺風浪特征分析及其對船舶安全影響探析[J].中國水運（下半月），2013，13（02）：31-32.

[5]楊萬康，尹寶樹，伊小飛，等.基于Holland風場的臺風浪數值計算[J].水利水運工程學報，2017（4）：28-34.

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[8]馮芒，沙文鈺，朱首賢.近岸海浪幾種數值計算模型的比較[J].海洋預報，2003，20（1）：52-53.