山東半島設(shè)計(jì)波要素研究

石小翠，范 飛，梁丙臣

（中國(guó)海洋大學(xué)海岸工程系，青島266100）

山東半島設(shè)計(jì)波要素研究

石小翠，范 飛，梁丙臣

（中國(guó)海洋大學(xué)海岸工程系，青島266100）

文章主要對(duì)山東半島的設(shè)計(jì)波浪要素進(jìn)行了模擬研究。首先，運(yùn)用第三代波浪模型SWAN模型，對(duì)山東半島1996～2011年的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了波浪模擬，并與觀測(cè)值進(jìn)行了比較，擬合結(jié)果良好，表明了模型的準(zhǔn)確性。然后再根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)山東半島波浪分布情況進(jìn)行了研究，運(yùn)用P-III型曲線對(duì)黃河三角洲、成山頭、青島的齋堂島這3處進(jìn)行極值統(tǒng)計(jì)，得到不同重現(xiàn)期條件下的波浪要素。研究結(jié)果表明山東半島波浪最大處在成山頭。

海岸工程；波浪后報(bào)；極值分布

波浪是影響近海工程和海岸工程中主要因素之一。由于波浪每年都會(huì)造成我國(guó)財(cái)產(chǎn)和人員的損失，因此對(duì)波浪的研究變得十分有意義［1］。山東半島被渤海黃海環(huán)繞，具有人口密度廣，海岸線長(zhǎng)等特點(diǎn)，因此對(duì)山東半島波浪進(jìn)行研究，對(duì)這一地區(qū)的工程建設(shè)有著一定的應(yīng)用價(jià)值。為了研究山東半島的波浪要素分布情況［2］，本文運(yùn)用第三代波浪模型SWAN模型對(duì)山東半島的波浪進(jìn)行了模擬研究，本文大體主要可分為3個(gè)部分：首先，以1996-1～2011-12的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)，運(yùn)用波浪模型SWAN對(duì)東中國(guó)海的波浪進(jìn)行了模擬，再對(duì)山東半島地區(qū)進(jìn)行了嵌套，然后與黃河口、鰲山灣和千里巖這3個(gè)測(cè)站處的波高和周期進(jìn)行了驗(yàn)證，以確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性；最后，利用P-III曲線對(duì)黃河口、成山頭、青島海域淺水區(qū)各重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)波浪要素進(jìn)行了研究［3］，研究結(jié)果表明山東半島波浪分布特點(diǎn)是波高由東往西，由南往北遞減［4］，成山頭附近50 a一遇波高能達(dá)到12.5m，齋堂島附近50 a一遇波高能達(dá)到9.9m。

1 理論介紹

1.1 波浪模型理論

第三代波浪模型SWAN主要是基于能量守恒的一種波浪譜模型。在直角坐標(biāo)系統(tǒng)中，SWAN模型的主導(dǎo)方程可表示為［5］

式中：N為波浪作用譜密度（action density），即N（σ，θ）=E（σ，θ），E（σ，θ）為波浪密度譜函數(shù)，cx、cy分別為波σ浪在x、y方向上的傳播速度的分量分別是速度σ、θ向的分量。

能量輸入輸出項(xiàng)

其中式（2）的右邊的五項(xiàng)分別代表風(fēng)能的輸入，三波和四波相互之間的非線性作用，白帽現(xiàn)象導(dǎo)致的能量損失，底部摩擦導(dǎo)致的波能損失以及水深地形變淺導(dǎo)致波浪破碎引起的能量損失。

1.2 波浪模型參數(shù)設(shè)定

模擬過(guò)程中所采用的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)是基于大氣模型WRF計(jì)算出來(lái)的，它的覆蓋范圍為117°E～131°E、24°N～41°N，空間步長(zhǎng)是0.1°×0.1°，時(shí)間步長(zhǎng)是3 h，時(shí)間計(jì)算范圍是從1996-1-1～2011-12-31。整個(gè)波浪模擬過(guò)程可分為兩步：首先是以風(fēng)場(chǎng)為驅(qū)動(dòng)條件對(duì)整個(gè)東中國(guó)海的波浪進(jìn)行了模擬，然后再對(duì)山東半島地區(qū)進(jìn)行了嵌套。在對(duì)東中國(guó)海波浪進(jìn)行模擬時(shí)，計(jì)算空間范圍為117°E～128.01°E，28°N～41°N，空間步長(zhǎng)取為0.056°×0.068°，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)是1 h，輸出時(shí)間步長(zhǎng)是3 h。在對(duì)山東半島進(jìn)行嵌套時(shí)的空間計(jì)算范圍是117.5°E～124.01°E，35°N～38.51°N，空間步長(zhǎng)為0.018 6°×0.013 5°，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為1 h波浪場(chǎng)輸出時(shí)間步長(zhǎng)為3 h。圖1顯示了山東半島水深地形圖，圖中符號(hào)*1、*2、*3分別標(biāo)識(shí)了本次計(jì)算統(tǒng)計(jì)點(diǎn)的位置，圖中#1、#2、#3處分別代表了測(cè)站的位置。

1.3 波浪驗(yàn)證

為確保波浪模擬的精度，本文利用黃河口、鰲山灣和千里巖這3個(gè)測(cè)站處的波高和周期結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證［6］。如圖2所示，下圖中左圖分別是是黃河口、鰲山灣和千里巖三處觀測(cè)的有效波高值與模擬值的比較，右邊分別是這三處周期比較圖。從整體看，觀測(cè)值與模擬值擬合的很好，不僅變化趨勢(shì)相一致，而且最大值也很相近；但也稍微有些局部差異，這主要是由于水深地形和風(fēng)場(chǎng)的精確度造成的。

2 波浪分布研究

圖3是山東半島16 a的最大波高和平均波高圖，從圖中可以看出最大波高是由陸地到海洋呈遞增的趨勢(shì)，其中在山東半島的成山頭站點(diǎn)有效波高最大，大約是6.1m。平均波高也是從離岸到近岸有遞減趨勢(shì)，其中也是成山頭的平均有效波高最大，大約是1m，這主要是由于水深的分布特點(diǎn)是由東往西遞減，由南往北遞減，在日照東側(cè)最大水深處達(dá)到70 m左右，而在黃河口附件水深最大處只有20 m左右，這是由于波浪來(lái)自于大洋，并且由黃海傳進(jìn)山東，黃海的波高要普遍高于渤海內(nèi)的波高［7］。

為研究黃河三角洲、成山頭和齋堂島三處的波浪設(shè)計(jì)要素，分別選取了這三處附近20m水深處的點(diǎn)進(jìn)行了研究。首先1996～2011年16 a的模擬結(jié)果中分別提取出年最大波高和最大周期。通過(guò)極值的P-III曲線擬合，得出這3個(gè)點(diǎn)的波浪要素。

圖4是所繪出的黃河口的16 a最大波高和周期的P-III曲線［8］，表1顯示黃河口100 a、50 a、20 a、10 a、5 a一遇的各累計(jì)頻率波高分布情況，其中可以得到黃河三角洲100 a一遇的波高達(dá)8.6m。

圖5是所繪出的成山頭的16 a最大波高和周期的P-III曲線，并且通過(guò)計(jì)算得到成山頭100 a、50 a、20 a、10 a、5 a一遇的各累計(jì)頻率波高，表2顯示成山頭100 a、50 a、20 a、10 a、5 a一遇的各累計(jì)頻率波高分布情況，其中可以得到成山頭100 a一遇的H1%波高可達(dá)13.3m。

圖6是所繪出的青島的齋堂島的16 a最大波高和周期的P-III曲線，并且通過(guò)計(jì)算得到青島100 a、50 a、20 a、10 a、5 a一遇的各累計(jì)頻率波高，表3顯示青島100 a、50 a、20 a、10 a、5 a一遇的各累計(jì)頻率波高分布情況，其中可以得到齋堂島100 a一遇的波高達(dá)10.6 m。

3 結(jié)論

波浪是海岸帶最重要的動(dòng)力因素之一，準(zhǔn)確模擬近岸波浪要素具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。經(jīng)過(guò)上面的計(jì)算和分析，可以得知山東半島波浪分布特點(diǎn)是：由東往西遞減，由南往北遞減。利用SWAN模型對(duì)山東半島的波浪進(jìn)行模擬，通過(guò)驗(yàn)證后表明模擬結(jié)果良好。并且對(duì)山東半島的波浪分布情況做了進(jìn)一步研究，選取黃河三角洲、成山頭、青島的齋堂島三處進(jìn)行了極值波要素推算。結(jié)果數(shù)據(jù)可作為山東半島附近實(shí)際工程的參考。

［1］JTJ213-98，海港水文規(guī)范［S］.

［2］谷漢斌，孫精石，鄭寶友，等.近岸波浪數(shù)學(xué)模型的發(fā)展［J］.水道港口，2004（6）：1-6. GU H B，SUN JS，ZHENG B Y，et al.Developments of Near-shoreWave Numerical Models［J］.Journal of Waterway and Harbour，2004（6）：1-6.

［3］邱大洪.工程水文學(xué)［M］.北京：人民交通出版社，1995.

［4］吳宋仁.海岸動(dòng)力學(xué)［M］.北京：人民交通出版社，1999.

［5］李紹武，梁超，莊茜，等.SWAN風(fēng)浪成長(zhǎng)模型在近海設(shè)計(jì)波浪要素推算中的應(yīng)用［J］.港工技術(shù)，2012（2）：5-7.

［6］李繁華.山東近海水文狀況［M］.山東：山東地圖出版社，1989.

［7］Ris R C，Booij N，Holthuijsen L H.A third-generation wave model for coastal regions［J］.Journal of geophysical research，1999，104（4）：7 667-7 681.

［8］Wood D J，Muttray M，Oumeraci H.The SWAN Model Used to Study Wave Evolution in a Flume［J］.Ocean Engineering，2001，28（7）：805-823.

Study of wave climate of Shandong peninsula

SHIXiao-cui,FAN Fei,LIANG Bing-chen
(Ocean engineering college,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

In this paper,the wave climate of Shandong peninsula was mainly studied,which could be divided into two parts.First,wave climate of Shandong peninsula was simulated by SWAN model,which was driven by wind fields from 1996 to 2011.After comparison,the results show that the buoy data are validated with measured data.Then,the P-III curve was used to calculate the extreme value of the Yellow River Delta, Chengshan headland and Zhaitang island.The research results show that the maximum value of wave height of Shandong peninsula occurs in Chengshan headland.

coastal engineering;wave hindcasting;extreme value distribution

TV 139.2；TV 142

A

1005-8443（2013）05-0376-05

2012-12-10；

2013-01-09

山東省優(yōu)秀中青年科學(xué)家科研獎(jiǎng)勵(lì)基金（BS2011HZ016）；國(guó)家自然科學(xué)基金（51179178）

石小翠（1987-），女，山東省青州人，碩士研究生，主要從事水利環(huán)境數(shù)值模擬。

Biography：SHIXiao-cui（1987-），female，master student.