以長周期涌浪影響為主的海域近岸極值波浪推算方法

王科華，張軍（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東　廣州　510230）

以長周期涌浪影響為主的海域近岸極值波浪推算方法

王科華，張軍
（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州510230）

西非的幾內(nèi)亞灣屬長周期涌浪作用為主的海灣，與國內(nèi)沿海極值大浪受控于臺風(fēng)浪的情況不同，幾內(nèi)亞灣的極值大浪同樣為長周期涌浪。在對此類海域進(jìn)行近岸極值波要素推算時(shí)，國內(nèi)普遍采用的臺風(fēng)浪的計(jì)算模式并不適用。為給長周期涌浪影響為主海域近岸極值波要素的推算提供方法參考，依據(jù)DHI公司在西非區(qū)域開展過的若干碼頭項(xiàng)目波浪整體數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)報(bào)告，歸納總結(jié)出其近岸極值波要素推算最常采用的兩種方法，并建議取該兩種方法計(jì)算結(jié)果的平均值作為設(shè)計(jì)值。

長周期涌浪；極值波浪；近岸；波要素；推算方法

0　引言

西非的幾內(nèi)亞灣屬于長周期涌浪影響為主的海灣，該海灣西起利比里亞的帕爾馬斯角，東止加蓬的洛佩斯角，幾內(nèi)亞灣沿岸國家分布及大范圍水深地形圖見圖1[1]。

幾內(nèi)亞灣雖存在“颮線”這樣的極端天氣現(xiàn)象，但并沒有臺風(fēng)。“颮線”是指排列成帶狀的雷暴群，亦稱“不穩(wěn)定線”或“氣壓涌升線”，是一種范圍較小、生命史較短、氣壓和風(fēng)的不連續(xù)線，屬中尺度天氣系統(tǒng)之一，其寬度由幾百米至幾十公里，過境時(shí)間由幾分鐘至2 h[2]。幾內(nèi)亞灣“颮線”瞬時(shí)最大風(fēng)速超過25 m/s，在開闊海域由“颮線”產(chǎn)生的小風(fēng)區(qū)浪100 a一遇有效波高Hs約為1.5～2.0 m。

源自南大西洋高緯度地帶（主要為南緯40°～60°范圍）的溫帶氣旋產(chǎn)生的經(jīng)長距離傳播的偏S—SW向長周期涌浪控制著整個(gè)幾內(nèi)亞灣海域，南大西洋波浪傳播示意圖見圖2。

1　波浪特征分析

以尼日利亞拉各斯離岸35km處（水深：-686m）WANE波浪后報(bào)數(shù)據(jù)（1985—1999年3 h間隔連續(xù)波浪時(shí)間序列）為代表來分析幾內(nèi)亞灣波浪特征。WANE是Oceanweather公司W(wǎng)AX（West Africa Extremes）西非海岸聯(lián)合工業(yè)項(xiàng)目的后續(xù)研究單位，主要提供風(fēng)和波浪等氣象水文數(shù)據(jù)。WANE包括15 a的連續(xù)后報(bào)資料，模型精度為0.312 5°N× 0.625°E（36 km×70 km），覆蓋整個(gè)南大西洋[3]。

該站年平均有效波高 Hs為 1.2～1.3 m， 1985—1999年有效波高Hs的變化幅度在0.5～3.2 m之間，波向集中分布在S-SSW向，譜峰周期Tp分布在6～22 s之間，如圖3、圖4所示[3]。

圖1　幾內(nèi)亞灣沿岸國家分布及大范圍水深地形圖Fig.1　Countries along the Gulf of Guinea and large-scale bathymetry of the Gulf

圖2　南大西洋波浪傳播示意圖Fig.2　Schematic diagram of wave propagation in South Atlantic Ocean

圖3　WANE數(shù)據(jù)有效波高（Hs）波玫瑰圖Fig.3　Wave rose of significant wave heights Hsin WANE data

2　近岸極值波浪推算

國內(nèi)東南沿海的極值大浪基本為臺風(fēng)浪，在進(jìn)行近岸極值波要素推算時(shí)，普遍采用以下方法：

1）模擬最近30 a以上對工程區(qū)域影響較大的每場臺風(fēng)產(chǎn)生的臺風(fēng)浪。

2）根據(jù)每場臺風(fēng)產(chǎn)生的臺風(fēng)浪在外海選取若干個(gè)代表點(diǎn)（外海代表點(diǎn)水深一般取-20～-30 m）。

3）分方向提取并統(tǒng)計(jì)該代表點(diǎn)位置的最大有效波高及其對應(yīng)周期、波向樣本。

圖4　WANE數(shù)據(jù)有效波高與譜峰周期散點(diǎn)分布Fig.4　Scatter diagram of significant wave height Hsvs.peak wave period Tpin WANE data

4）基于該樣本，采用頻率統(tǒng)計(jì)法統(tǒng)計(jì)外海各方向、各重現(xiàn)期波要素。

5）將統(tǒng)計(jì)得到的外海波要素作為邊界條件組合同頻率的“風(fēng)能輸入”及“水位”通過數(shù)學(xué)模型的方式推算到工程位置。

對于幾內(nèi)亞灣這樣不受臺風(fēng)影響且以長周期涌浪作用為主的海域，上述方法并不適用。本文基于DHI公司為我院承擔(dān)的西非區(qū)域若干碼頭項(xiàng)目波浪整體數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)研究成果，對其近岸極值波要素的推算方法進(jìn)行簡要總結(jié)。

2.1深水波要素的獲取

由于涌浪從其發(fā)源地到影響區(qū)域，傳播距離有數(shù)千公里，在缺乏長期波浪觀測資料的前提下，如果針對某一特定的項(xiàng)目建立一個(gè)大范圍的波浪數(shù)學(xué)模型，在時(shí)間費(fèi)用上不劃算，同時(shí)驗(yàn)證困難、成果可信度低。目前一般采用的方法是從已經(jīng)建立好的、經(jīng)充分驗(yàn)證并廣泛應(yīng)用于工程實(shí)例的全球波浪模型數(shù)據(jù)庫中提取或者購買長序列波浪資料（比如：20 a以上3 h間隔有效波高Hs、譜峰周期Tp、平均波向Dir等連續(xù)時(shí)間序列）。知名度比較高的有Oceanweather Inc.、ECMWF（European CentreforMedium-Range WeatherForecasts）、NOAA’s CFSR（Climate Forecast System Reanalysis）model、GWM（DHI’s Global Wave Model）等，河海大學(xué)也建立了HHU南大西洋海浪后報(bào)模型。

由于全球波浪模型采用的計(jì)算網(wǎng)格普遍較大，外海深水波要素的提取點(diǎn)離岸一般有數(shù)十公里，水深可達(dá)幾十米甚至數(shù)百米。

2.2深水到近岸極值波要素的推算

近岸水工建筑物（防波堤、護(hù)岸等）前的設(shè)計(jì)波浪要素推算，DHI主要采用兩種不同的方法進(jìn)行。結(jié)合該兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)來減小計(jì)算成果的不確定性，從而給出合適的結(jié)果。

方法一，分為3步：

1）基于全球波浪模型數(shù)據(jù)庫提取的外海長期波浪連續(xù)時(shí)間序列數(shù)據(jù)（比如：20 a以上3 h間隔有效波高Hs、譜峰周期Tp、平均波向Dir以及同步的風(fēng)速、風(fēng)向等），采用頻率統(tǒng)計(jì)的方法得到外海不同方向、不同重現(xiàn)期極值波浪要素。

2）用大范圍粗網(wǎng)格波浪傳播模型將外海的極值波浪要素（例如100 a一遇波浪要素）模擬計(jì)算到近岸（比如：-15～-20 m水深）位置。

3）將該近岸位置波浪要素作為精細(xì)網(wǎng)格局部波浪模型的邊界條件，再用精細(xì)網(wǎng)格局部波浪傳播模型將極值波浪要素模擬計(jì)算到水工建筑物前。

該方法組合的“風(fēng)能輸入”需要通過相關(guān)分析來選取，如果波浪與風(fēng)的相關(guān)性好，宜采用同頻率的風(fēng)速及其對應(yīng)風(fēng)向來組合；如果波浪與風(fēng)相關(guān)性差，一般采用年平均風(fēng)速及其風(fēng)向。這樣可以避免人為地提高“波浪+風(fēng)”聯(lián)合事件的重現(xiàn)期。同樣地，與“水位”的組合也需要通過相關(guān)分析，處理方法與處理“風(fēng)能輸入”相同。圖5[4]為DHI采用本方法計(jì)算得到的阿比讓港近岸SSW向100 a一遇重現(xiàn)期Hs波高等值線圖。

圖5　阿比讓港近岸100 a一遇SSW向（有效波高Hs）波高等值線圖Fig.5　Isogram of significant wave height Hswith a return period of 100 years for Abidjan Port(wave direction:SSW)

方法二，分為4步：

1）用大范圍粗網(wǎng)格波浪傳播模型將外海長期波浪連續(xù)時(shí)間序列數(shù)據(jù)直接作為邊界條件逐一計(jì)算傳播到近岸，得到近岸（比如：-15～-20 m水深位置）對應(yīng)的長期波浪連續(xù)時(shí)間序列數(shù)據(jù)。該方法組合的風(fēng)速、風(fēng)向及水位為每個(gè)時(shí)間間隔點(diǎn)與波浪同步的風(fēng)速、風(fēng)向及水位。

2）從近岸長期波浪連續(xù)時(shí)間序列數(shù)據(jù)中挑選出一系列“峰值”（“峰值”為某個(gè)時(shí)間段內(nèi)的最大值，以下命名為“events”），圖6[4]標(biāo)識的粗黑點(diǎn)為從時(shí)間序列中挑選出的events。

圖6　阿比讓港近岸有效波高Hs連續(xù)時(shí)間序列Fig.6　Continuous time series of significant wave height Hsat nearshore of Abidjan Port

3）將挑選的events作為精細(xì)網(wǎng)格局部波浪模型的邊界條件，再用精細(xì)網(wǎng)格局部波浪傳播模型將每個(gè)event計(jì)算傳播到水工建筑物前。在進(jìn)行events波浪要素計(jì)算時(shí)，組合的風(fēng)速、風(fēng)向及水位為每個(gè)event同步的風(fēng)速、風(fēng)向、水位。

4）基于每個(gè)event計(jì)算的波浪場，提取水工建筑物前對應(yīng)位置的波要素作為統(tǒng)計(jì)樣本，最后采用頻率統(tǒng)計(jì)的方法得到水工建筑物前不同重現(xiàn)期、不同方向極值波要素。

2.3推薦取值及優(yōu)缺點(diǎn)對比

上述兩種方法最終得到的成果均為近岸水工建筑物前極值波要素，計(jì)算結(jié)果往往會存在差異。

比如DHI在進(jìn)行阿比讓港波浪數(shù)模計(jì)算時(shí)，采用上述兩種方法計(jì)算得到的防波堤堤頭位置設(shè)計(jì)波要素就不同。采用方法一計(jì)算得到的西防波堤堤頭位置（堤頭位置見圖7[4]）100 a一遇有效波高Hs=5.7 m，譜峰周期Tp=18.3 s；采用方法二計(jì)算得到的西防波堤堤頭位置100 a一遇有效波高Hs=5.0 m，譜峰周期Tp=19.8 s[4]。最后波高推薦采用兩種方法計(jì)算結(jié)果的平均值，周期采用方法二的計(jì)算結(jié)果。

對于方法一，主要優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算工作量少，但存在以下風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)：

1）最開始就采用頻率統(tǒng)計(jì)的方法求出極值波浪要素，而極值波要素是個(gè)“理論值”，而不是“實(shí)際值”，極值大波在近岸傳播過程中，某類地形會使其加大明顯于平常浪，而其他類地形會使其衰減明顯于平常浪。該法一開始就統(tǒng)計(jì)出極值大波，推算到建筑物前易出現(xiàn)偏離真實(shí)值的情況。

2）組合“風(fēng)能輸入”與“水位”時(shí)，需要進(jìn)行相關(guān)分析。自然情況往往是波浪與風(fēng)、波浪與水位既不完全相關(guān)，也不完全獨(dú)立，很難給出能真實(shí)反映實(shí)際情況的組合，這樣就會存在人為降低或者加大重現(xiàn)期的風(fēng)險(xiǎn)。

對于方法二，近岸波浪推算直接采用的連續(xù)時(shí)間序列數(shù)據(jù)及“events”均為“實(shí)際值”，最為真實(shí)的反映自然情況，而將按頻率統(tǒng)計(jì)求出極值波要素這一步放到最后，這樣就可以避免方法一的第一條風(fēng)險(xiǎn)。方法二組合的“風(fēng)能輸入”及“水位”均為同步數(shù)據(jù)，無需相關(guān)分析，反映的是自然組合，這樣可以避免方法一的第二條風(fēng)險(xiǎn)。

方法二的缺點(diǎn)就是計(jì)算工作量大，但隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的提高，可以逐漸克服。

對于工程設(shè)計(jì)的取值，既要真實(shí)反映實(shí)際情況，又要留有一定的富余，一般建議采用上述兩種方法計(jì)算結(jié)果的平均值。

3　結(jié)語

圖7　阿比讓港近岸水深地形圖Fig.7　Nearshore bathymetry of Abidjan Port

在進(jìn)行近岸水工建筑物前設(shè)計(jì)波要素推算時(shí)，首先須分析工程海域波浪特征及相關(guān)自然條件，了解極值波浪產(chǎn)生原因，不同成因宜采用不同的計(jì)算方法。對于長周期涌浪影響為主海域，極值大波并不由臺風(fēng)產(chǎn)生，條件允許可同時(shí)采用本文總結(jié)的兩種方法，最后推薦取兩種方法計(jì)算結(jié)果的平均值作為設(shè)計(jì)值。

[1]河海大學(xué).加納2x350 MW超臨界燃煤機(jī)組電廠碼頭波浪整體數(shù)學(xué)模型計(jì)算研究[R].南京：河海大學(xué)，2015.

Hohai University.Wave mathematical model study for Ghana-2x350 MW supercritical coal-fired power plant terminal[R].Nanjing:Hohai University,2015.

[2]DHI.Evaluation of wave conditions at deep water port of Kribi, Cameron[R].Denmark:Danish Hydraulic Institute,2011.

[3]DHI.Port of Lekki-Evaluation and assessment of wave conditions [R].Denmark:Danish Hydraulic Institute,2014.

[4]DHI.Abidjan port expansion,C?te d′Ivoire wave modelling[R]. Denmark:Danish Hydraulic Institute,2014.

Methods for determination of Nearshore extreme wave for sea areas dominated by long period swells

WANG Ke-hua,ZHANG Jun
（CCCC-FHDI Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510230,China）

The Gulf of Guinea in West Africa is dominated by swells,extreme waves are also characterized by this kind of wave,and it is different from that along the China coast for which extreme waves are induced by typhoon.When determining the design wave parameters for such sea areas that dominated by swells,study approaches for the typhoon waves are not suitable.In order to provide methods as reference for the calculation of nearshore extreme wave along swell-dominated coasts,two of the most used methods are summarized according to the wave study reports performed by DHI for ports in West Africa,and then finally the average of the calculated values from these two methods is recommended for designs.

long period swell;extreme waves;nearshore;wave parameters;calculation method

U652.3；P731.22

A

2095-7874（2016）08-0011-05

10.7640/zggwjs201608003

2016-02-03

2016-04-25

王科華（1982— ），男，湖南衡陽人，工程師，水文與水資源工程專業(yè)，主要從事海岸工程水文泥沙研究。E-mail：wangkh@fhdigz.com