南匯東灘促淤工程南區(qū)設(shè)計波浪要素研究

李 杰

（上?？睖y設(shè)計研究院，上海 200434）

南匯東灘促淤工程南區(qū)設(shè)計波浪要素研究

李 杰

（上?？睖y設(shè)計研究院，上海 200434）

針對南匯東灘促淤工程所處的位置，選用基于波能平衡方程和波作用守恒方程的近岸風(fēng)浪譜模型建立波浪傳播計算數(shù)值模型，對非線性效應(yīng)影響條件下的波浪要素進行計算研究。研究結(jié)果表明，波浪在遠距離的傳播過程中，受到沿程的風(fēng)的影響，組成波之間能量交換轉(zhuǎn)移和耗散等非線性效應(yīng)的影響不可忽略，在南匯東灘海域采用近岸風(fēng)浪譜數(shù)值模型對波浪的傳播變形計算較為合適。

設(shè)計波浪要素；風(fēng)浪譜模型；南匯東灘

Biography：LI Jie（1980-），male，engineer.

南匯東灘是長江口不斷淤漲的岸段，是長江口高含沙量區(qū)域之一，緊鄰上海東南沿海的重點開發(fā)區(qū)域南匯及濱海新城臨港開發(fā)區(qū)，其獨特的區(qū)位優(yōu)勢和土地開發(fā)利用價值，一直是上海市灘涂資源開發(fā)利用的重點區(qū)域。

南匯東灘促淤工程的范圍為浦東機場外側(cè)促淤區(qū)以南的沒冒沙水域，以及大治河延伸段以南的-2～-3 m高程以上的南匯東灘灘地，南側(cè)邊界以臨港新城大堤與原南匯東灘四期大堤交匯點為界。南匯東灘促淤工程南區(qū)位于南匯東灘大治河出口的南側(cè)，南區(qū)內(nèi)、外兩側(cè)促淤面積分別為44 km2，各分三個圍區(qū)分二期完成，工程位置和范圍見圖1。根據(jù)總體布置，外側(cè)圈圍大堤防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇標(biāo)準(zhǔn)，堤防級別為1級，內(nèi)側(cè)促淤工程將作為大堤的堤前保灘工程或大堤的組成部分。

圖1 南匯東灘促淤工程位置示意圖Fig.1 Location of siltation promotion project of East Nanhui Beach

1 模型的選擇分析

目前較為常用的近岸波浪數(shù)值模式大致可分為以下四類［1］：一是基于射線理論的折射淺水?dāng)?shù)值模型［2-3］；二是基于Boussinesq方程的數(shù)值模型［4-5］；三是基于緩坡方程的數(shù)值模型［6-8］；四是基于波能平衡方程和波作用守恒方程的數(shù)值模型［9-11］。

上述幾個模型都可應(yīng)用于海岸工程的波浪計算，但是由于各自控制方程對波浪物理過程的描述角度不同，應(yīng)用領(lǐng)域也有所不同。第二類和第三類模型是基于波浪流體動力模型，在經(jīng)過了不斷的改進和發(fā)展后，目前能在一定程度上模擬波浪近岸傳播過程中的淺水變形、折射、繞射、破碎和底摩阻耗散等物理過程。第四類模型基于能量平衡方程模型，能夠充分考慮波浪傳播過程中由于風(fēng)能輸入、白浪耗散和波波相互作用等引起的能量的輸入和轉(zhuǎn)移的物理過程。在開敞海域，波浪傳播的距離較大時，傳播過程中的風(fēng)能輸入、白浪耗散和波—波相互作用等物理過程不可忽略，用此類模型進行波浪傳播計算具有一定的優(yōu)勢。由于本工程位于開敞海域，區(qū)域內(nèi)并沒有明顯的島嶼掩護現(xiàn)象，符合第四類模型的應(yīng)用領(lǐng)域。因此，在本研究中選用Spectral Wave模型（SW）進行近岸波浪傳播變形計算。

2 模型原理

采用近岸風(fēng)浪譜數(shù)值模型SW進行淺水區(qū)波浪數(shù)值計算，SW為無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型，能較為高效和精確地模擬工程中岸線曲折多邊和島嶼眾多的特殊地形。模型根據(jù)波作用守恒原理進行波浪傳播變形計算，基本方程如下

式中：E（σ，θ）為能量密度譜；σ為相對頻率；θ為波向角。模式不是以二維能譜密度而是以二維動譜密度表示隨機波，因為在流場中，動譜密度守恒，而能譜密度不守恒。式（1）中左端第1項為波作用量隨時間的變化項，第2、3項為波作用量的空間對流項，第4項為由于水深變化和水流作用造成的波作用量在頻域上的變化，第 5 項為折射項，Cx、Cy、Cσ、Cθ分別為 x、y、σ、θ空間上的群速，s為源項，s=sw+sn+sd+sf，sw、sn、sd和 sf分別代表由風(fēng)產(chǎn)生的能量輸入、波—波間非線性相互作用、破波耗散和床底損失。近岸風(fēng)浪譜數(shù)值模型對風(fēng)能輸入項、波波非線性相互作用、白帽耗散和底摩阻等都采用國際上最新的先進的理論成果。

3 模型建立

3.1 模型范圍及地形

本次研究對長江口外水深15～25 m等深線與南匯東灘促淤工程附近的大部分水域進行波浪傳播變形計算。采用無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對模型區(qū)域進行剖分，準(zhǔn)確貼合復(fù)雜多變的岸線、島嶼及工程方案平面布置，南匯邊灘區(qū)域局部加密網(wǎng)格，最小網(wǎng)格邊長約15 m。模型的東邊界位于東經(jīng)122.5o附近，北邊界位于崇明東灘附近，南邊界位于南匯邊灘以南的杭州灣海域。模型的計算范圍、水下地形和網(wǎng)格示意圖如圖2所示。

3.2 深水波要素

由于長江口沒有長期固定的波浪測站，外海邊界的深水波要素采用有關(guān)的分析成果［12］，利用大戢山站的重現(xiàn)期風(fēng)速資料推算出模型的入射邊界處的重現(xiàn)期風(fēng)速，采用莆田試驗站方法間接推算求得模型入射邊界上的深水波浪要素。根據(jù)工程建筑物的設(shè)計需求，選取百年一遇深水波要素作為入射邊界的輸入?yún)?shù)進行計算，其中百年一遇的深水波要素如表1所示。

4 計算成果及分析

圖2 模型的計算范圍和網(wǎng)格示意圖Fig.2 Calculation range and grid of the model

受橫沙東灘、長江口深水航道導(dǎo)堤和九段沙等水深較淺區(qū)域的掩護，本工程南區(qū)的主要由NE—SE向的波浪起控制作用。因此，為了研究3個不同來襲方向下的波浪在工程海域內(nèi)的傳播過程，確定工程外側(cè)大堤的設(shè)計波浪要素，分別對3個方向的不考慮波波相互作用、底摩阻和白帽耗散等非線性效應(yīng)影響和考慮了波波相互作用、底摩阻和白帽耗散等非線性效應(yīng)影響條件下的波浪要素進行計算研究。

選取外側(cè)大堤上段、中段和下段（圓弧段）作為代表點，3個方向上的堤前的設(shè)計波要素如表2所示，不考慮非線性效應(yīng)影響下的波高和波周期明顯大于考慮了非線性效應(yīng)影響下的波高和波周期，其中波高大4%～8%，波周期大7%～10%，說明波浪在傳播過程中，組成波之間能量交換轉(zhuǎn)移和耗散等非線性效應(yīng)的影響不可忽略，組成波之間的相互作用和底摩阻、白帽耗散等的非線性效應(yīng)影響導(dǎo)致的能量交換和轉(zhuǎn)移，是波高和波周期在沿程傳播中變化的重要因素，近岸風(fēng)浪譜數(shù)值模型在本工程海域?qū)Σɡ说膫鞑ビ嬎憔哂忻黠@的優(yōu)勢。

表1 百年一遇的深水波要素表Tab.1 Deep water wave elements under 100-year return period

表2 工程區(qū)域的百年一遇潮位和同頻率風(fēng)速條件下的設(shè)計波要素表Tab.2 Design wave elements under 100-year return period of tidal level and wind speed in project area

圖3 百年一遇潮位和同頻率風(fēng)組合有效波高等值線和波矢量圖Fig.3 Significant wave height and wave vectors under 100-year return period of tidal level and wind speed

5 結(jié)語

南匯東灘促淤工程區(qū)域位于開敞式海域，波浪傳播區(qū)域內(nèi)沒有明顯的島嶼掩護現(xiàn)象，本文選用了基于第三代海浪預(yù)報模型的Spectral Wave模型對工程海域的波浪傳播過程進行了模擬，在波浪傳播過程中充分考慮了風(fēng)能輸入、波—波非線性相互作用、底摩阻耗散和波浪破碎等物理過程，較為全面的模擬了波浪在傳播過程中發(fā)生的風(fēng)浪成長、淺水變形、折射和破碎等現(xiàn)象。從計算的結(jié)果來看，外海的涌浪在傳播至海岸處時，受水下地形的影響，波浪衰減較為明顯，其中不考慮非線性效應(yīng)影響下的波高和波周期明顯大于考慮了非線性效應(yīng)影響下的波高和波周期，說明在波浪的傳播過程中，組成波之間能量交換轉(zhuǎn)移和耗散等非線性效應(yīng)的影響不可忽略，采用近岸風(fēng)浪譜數(shù)值模型在本工程海域?qū)Σɡ说膫鞑ビ嬎爿^為合適。

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Research on design waves elements of siltation promotion project in south region of East Nanhui Beach

LI Jie
（Shanghai Investigation Design and Research Institute,Shanghai200434，China）

In view of the location of siltation promotion project in East Nanhui Beach，a wave propagation numerical model was built on the basis of the wave energy balance equation and wave action conservation equation.The wave elements affected by nonlinear effect were calculated.The results show that,in the long wave propagation process,due to the effects of wind，the nonlinear effects including the energy exchange between wave components and the energy dissipation should not be neglected，and the wave spectrum model is suitable for wave propagation calculation in East Nanhui Beach.

design wave elements；wave spectrum model；East Nanhui Beach

TV 139.2；O 242.1

A

1005-8443（2012）03-0208-04

2011-10-26；

2011-12-26

李杰（1980-），男，浙江省舟山市人，工程師，主要從事河口海岸的水動力數(shù)值模擬研究。