譜方程模型在設(shè)計(jì)波要素計(jì)算中的應(yīng)用

袁 華,賈 曉,萬(wàn)遠(yuǎn)揚(yáng)

（1.河海大學(xué),南京210098;2.中國(guó)人民解放軍東海艦隊(duì)后勤部,寧波315040; 3.上海河口海岸科學(xué)研究中心,上海201201）

譜方程模型在設(shè)計(jì)波要素計(jì)算中的應(yīng)用

袁 華1,2,賈 曉3,萬(wàn)遠(yuǎn)揚(yáng)3

（1.河海大學(xué),南京210098;2.中國(guó)人民解放軍東海艦隊(duì)后勤部,寧波315040; 3.上海河口海岸科學(xué)研究中心,上海201201）

為分析譜方程模型在設(shè)計(jì)波要素計(jì)算中的適用性，以長(zhǎng)江口口內(nèi)水域的設(shè)計(jì)波要素推算為例，首先利用海圖數(shù)據(jù)及長(zhǎng)江口河口段地形數(shù)據(jù)構(gòu)建波浪數(shù)學(xué)模型（MIKE21-SW模塊），并驗(yàn)證了寒潮期間南槽東測(cè)站的風(fēng)浪過程。然后對(duì)長(zhǎng)江口附近氣象站風(fēng)速資料進(jìn)行分析，確定計(jì)算水域的設(shè)計(jì)風(fēng)速。最后在驗(yàn)證模型適用性的基礎(chǔ)上，計(jì)算得到特定水域的設(shè)計(jì)波浪要素。

設(shè)計(jì)波要素;譜方程模型;數(shù)值模型;SW模塊

設(shè)計(jì)波浪要素推算方法經(jīng)歷了一系列的發(fā)展過程，從最初根據(jù)工程周邊測(cè)點(diǎn)采用概率分布方法估算波要素［1-2］，到采用經(jīng)驗(yàn)型風(fēng)浪公式估算及采用規(guī)范及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式查驗(yàn)［3-4］。在20世紀(jì)90年代初期，波浪數(shù)值模型得到長(zhǎng)足發(fā)展，國(guó)內(nèi)普遍開始采用拋物型或橢圓型緩坡方程建立的折射繞射模型計(jì)算設(shè)計(jì)波要素［5-8］。自21世紀(jì)以來(lái)，部分學(xué)者嘗試采用其他方法估算設(shè)計(jì)波要素［9］。

近年來(lái)，譜方程模型在國(guó)內(nèi)工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前常見的譜方程數(shù)值計(jì)算模型主要有SWAN（Simulating Wave Nearshore）模型及MIKE21（DHI Cop.）系列軟件的SW（Spectral Wave model）模塊2個(gè)。譜方程模型廣泛應(yīng)用于風(fēng)浪計(jì)算及海浪預(yù)報(bào)方面的計(jì)算研究［10-11］，在長(zhǎng)江口水域也有廣泛應(yīng)用［12］。近年來(lái)亦有部分研究人員嘗試采用該類模型推算開敞水域的深水波浪要素［13-15］。

每一種數(shù)值計(jì)算模型都有其特性的適用范圍及限制條件。長(zhǎng)江口口門內(nèi)河段（如南港河段）水域江面寬闊，同時(shí)受外海入射波及風(fēng)生浪的影響。筆者認(rèn)為譜方程模型可以較好地考慮風(fēng)能輸入及波浪在淺水水域的傳播，故為在該種計(jì)算條件下最為適用的計(jì)算模型。

本文以長(zhǎng)江口口門內(nèi)南港南槽河段某透空高樁碼頭前沿設(shè)計(jì)波要素計(jì)算為例，統(tǒng)計(jì)得到重現(xiàn)期風(fēng)速，采用MIKE21軟件的SW模塊計(jì)算得到設(shè)計(jì)波要素，并將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與規(guī)范規(guī)定及其他常用風(fēng)浪經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果做了對(duì)比，分析了譜方程模型在設(shè)計(jì)波要素計(jì)算中的應(yīng)用。

1 問題的引出

長(zhǎng)江口水域?qū)拸V，長(zhǎng)江口口外水域的波況已經(jīng)有眾多學(xué)者進(jìn)行了研究，長(zhǎng)江口口內(nèi)波況的研究相對(duì)較小，近年來(lái)隨著外高橋至上海南匯嘴沿江岸線資源的不斷開發(fā)，長(zhǎng)江南港及南槽內(nèi)工程水域的設(shè)計(jì)波要素成為設(shè)計(jì)的一個(gè)決定因素。

本文選取的碼頭工程位于長(zhǎng)江口南槽入口處，碼頭棧橋走向?yàn)镾W—NE向，碼頭前沿基本沿11m等深線（85基面）布置。工程西側(cè)與南側(cè)均為陸地，北向受橫沙島、長(zhǎng)興島、九段沙高灘地及長(zhǎng)江口深水航道相關(guān)工程掩護(hù)，工程?hào)|南側(cè)直面長(zhǎng)江口南槽出?？?。工程水域的地形圖見圖1。

圖1 工程水域地形圖Fig.1 Bathymetry of engineering waters

為了研究工程局部的設(shè)計(jì)波要素，故采用數(shù)學(xué)模型模擬該水域的波浪條件。并將數(shù)值模擬結(jié)果與規(guī)范規(guī)定的經(jīng)驗(yàn)風(fēng)浪公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步分析譜方程模型在設(shè)計(jì)波要素計(jì)算中的適用性。

2 模型簡(jiǎn)介及驗(yàn)證

本文采用DHI公司開發(fā)的Mike21-SW模塊構(gòu)建波浪數(shù)學(xué)模型，該模塊是基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的新一代譜波浪模型，能夠模擬河口、海岸地區(qū)大范圍的風(fēng)浪和涌浪的成長(zhǎng)、衰減及變形，可以求解準(zhǔn)定常和非定常波浪作用平衡方程的全譜公式和方向解耦參數(shù)公式，并可與2D/3D水流模型完全耦合，代表著目前的波浪模擬技術(shù)水平。

模型基本方程是波作用力守恒方程

方程左邊第一項(xiàng)代表波能；第二項(xiàng)代表波能隨地理空間的變化；第三項(xiàng)代表波能沿方向的變化；第四項(xiàng)代表波能隨頻率的變化；右邊項(xiàng)代表源函數(shù)（能量的輸入輸出，包括波浪的成長(zhǎng)與消散、白帽破碎效應(yīng)、波-波非線性作用、底床摩擦以及波浪破碎等）。

SW模塊計(jì)算穩(wěn)定性及普遍適用性在世界各地的工程實(shí)踐應(yīng)用計(jì)算中得到了充分驗(yàn)證。為了驗(yàn)證模型輸入?yún)?shù)的準(zhǔn)確性，本文對(duì)2010年典型寒潮期間和臺(tái)風(fēng)期間南槽東測(cè)站風(fēng)浪過程進(jìn)行了驗(yàn)證。

2010年10 月下旬，長(zhǎng)江下游地區(qū)出現(xiàn)時(shí)間較長(zhǎng)的寒潮天氣，期間風(fēng)速在8～16 m/s，風(fēng)向穩(wěn)定在N—NE向。驗(yàn)證計(jì)算首先分析了長(zhǎng)江口周邊的氣象站風(fēng)速資料，通過差值得到長(zhǎng)江口段的風(fēng)場(chǎng)。然后利用Mike-SW模型（耦合SWEM模擬的潮位和流速影響），計(jì)算所得到的南槽東站有效波高過程線見圖2，驗(yàn)證效果較好，尤其是從10月24日～10月27日風(fēng)速較大的時(shí)刻，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本吻合。

圖2 寒潮期南槽東測(cè)站風(fēng)浪過程Fig.2 Wind wave process at ESP station during cold spell

3 風(fēng)速資料分析

本次風(fēng)速資料分析基于寶山氣象站、浦東機(jī)場(chǎng)風(fēng)速、嵊泗站等風(fēng)速，并適當(dāng)參考周邊其他氣象站的資料。

根據(jù)工程具體情況，本次研究中工程水域的偏北向50 a一遇設(shè)計(jì)風(fēng)速依據(jù)寶山站風(fēng)速，偏北向2 a一遇設(shè)計(jì)風(fēng)速主要依據(jù)浦東機(jī)場(chǎng)站風(fēng)速；偏東方向的風(fēng)速依據(jù)嵊泗站、大戢山站和蘆潮港站的重現(xiàn)期風(fēng)速。最終確定的工程水域的各方向的重現(xiàn)期風(fēng)速（海面10 m高度），如表1所示。

表1 工程水域江面重現(xiàn)期風(fēng)速（海面10m）Tab.1 Wind speed of return period near engineering waters

4 波浪計(jì)算及波浪場(chǎng)的給出

根據(jù)圖1地形圖可以看出，計(jì)算水域位于長(zhǎng)江口口門內(nèi)，水域明顯地受到周邊島嶼的掩護(hù)，橫沙東灘圈圍工程、橫沙大道等人工建筑物亦對(duì)工程水域有一定的掩護(hù)作用；水域東南側(cè)雖然直面長(zhǎng)江出?？冢瑫r(shí)也受到南槽口攔門沙淺灘的掩護(hù)。

以設(shè)計(jì)高水位情況下N向及E向波況為例計(jì)算表明，本次擬計(jì)算工程水域受北向來(lái)風(fēng)控制時(shí)，水域僅受風(fēng)生浪控制；受東向來(lái)風(fēng)控制時(shí)，同時(shí)受風(fēng)生浪及外海涌浪影響。但受南槽出口處攔門沙的影響，涌浪對(duì)該水域的影響作用不強(qiáng)烈。工程水域偏東向波高和周期均略大于偏北向波高和周期。

需要指出的是，本文計(jì)算岸線邊界為兩級(jí)平臺(tái)三級(jí)斜坡的海堤，消波作用明顯，故本文計(jì)算中未引入邊界反射。當(dāng)存在直立式岸壁結(jié)構(gòu)時(shí)，需要人為在譜方程模型中設(shè)置反射建筑物。

5 結(jié)果分析及對(duì)比

以N向及E向?yàn)槔?，將設(shè)計(jì)高水位條件下50 a一遇風(fēng)浪數(shù)模計(jì)算結(jié)果與常用的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果做比較，其中風(fēng)區(qū)的計(jì)算采用有效風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度，計(jì)算方法見相關(guān)規(guī)范。比較點(diǎn)位置見圖1-b，比較結(jié)果見表2。

通過對(duì)比可以看出，N向波要素計(jì)算結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)風(fēng)浪公式基本接近，E向波要素因?yàn)槭芡夂Ｓ坷擞绊懀?jì)算結(jié)果明顯大于經(jīng)驗(yàn)風(fēng)浪公式。

表2 工程前沿水域數(shù)值計(jì)算結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)果比較Tab.2 Comparison between numerical results and empirical formula results

6 結(jié)論

本文研究表明，利用工程水域附近氣象站多年實(shí)測(cè)風(fēng)速資料分析得到的分方向重現(xiàn)期設(shè)計(jì)風(fēng)速，利用譜方程模型計(jì)算風(fēng)浪成長(zhǎng)以及波浪的傳播變形，是河口水域相關(guān)工程設(shè)計(jì)波浪要素推算的一種較為有效的方法。

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Application of spectral wave model on design wave parameter calculation

YUAN Hua1,2,JIA Xiao3,WAN Yuan-yang3
（1.Hohai University,Nanjing 210098,China;2.PLA Navy East China Sea Fleet,Ningbo 315040,China;3. Shanghai Estuarine&Coastal Science Research Center,Shanghai201201,China）

In order to analyze the applicability of the spectral wave model used in the design wave parameters calculation,the calculation of design wave parameter on Yangtze River estuary was taken as an example in this paper.Firstly,chart data and the Yangtze Delta estuary terrain data were used to establish a numerical wave model(MIKE21-SW module),and the model was verified by the real-time field data process at ESP(East of South Passage)marine station during cold spell.Then wind data at weather station near the Yangtze Estuary was analyzed,and design wave velocity on chosen waters was selected.At last,on the basis of model feasibility,design wave parameters were calculated on specific waters.

design wave parameter;spectral wave model;numerical model;SW module

TV 139.2；O 242.1

A

1005-8443（2013）04-0293-04

2012-09-07；

2012-11-12

袁華（1977-），男，碩士研究生，主要從事港口、海岸工程研究。

Biography：YUAN Hua（1977-），male，master student.