SWAN模型在硇洲漁港波浪要素推算中的應(yīng)用

雷鵬　張建僑

摘 要：利用SWAN模型模擬硇洲漁港附近海域的波浪場，推算外海-10 m水深處重現(xiàn)期波浪要素結(jié)果和實測值基本一致，進(jìn)而推算得到北港區(qū)邊界不同水位不同重現(xiàn)期條件下的波浪要素，可為工程設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：SWAN模型;硇洲漁港;波浪要素

湛江經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)硇洲島是我國第一大火山島，是廣州、湛江、海南島之間的海運交通要沖（圖1）。硇洲島岸線長47 km，陸域面積56 km2，有自然港灣11處，附近海域漁業(yè)資源豐富，發(fā)展?jié)O業(yè)具有得天獨厚的自然優(yōu)勢。

現(xiàn)有的硇洲漁港有兩個港區(qū)（圖2）——南港區(qū)和北港區(qū)。南港區(qū)位于硇洲島鎮(zhèn)區(qū)，北港區(qū)位于硇洲鎮(zhèn)港頭村的東部，距南港約6 km。兩個港區(qū)的口門都向西，面對雷州半島和東海島，港灣呈狹長形，掩護(hù)條件良好，水深條件優(yōu)越。經(jīng)過多年的建設(shè)，硇洲漁港已具備國家中心漁港的規(guī)模和功能，碼頭、防波堤和護(hù)岸及配套設(shè)施逐步完善，防災(zāi)減災(zāi)能力大幅提高，同時漁港管理與服務(wù)體系逐步健全，有力地保障了漁民的生命財產(chǎn)安全，促進(jìn)了漁區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，推動了硇洲港鎮(zhèn)一體化建設(shè)進(jìn)程。

近年來，湛江地區(qū)漁業(yè)發(fā)展迅速，漁船向大型化發(fā)展，現(xiàn)有的碼頭、防波堤和護(hù)岸等基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)無法滿足漁業(yè)生產(chǎn)需要。同時，湛江市的發(fā)展吸引了更多的人流、物流和資金流集聚，附近地區(qū)的捕撈漁船更多地向郊區(qū)如硇洲島、徐聞等地停泊、避風(fēng)和交易，硇洲島將成為承接湛江市產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移和現(xiàn)代漁業(yè)發(fā)展的重要基地。為滿足漁業(yè)生產(chǎn)的需要，保障漁業(yè)生產(chǎn)的正常秩序，服務(wù)湛江市城市發(fā)展，當(dāng)?shù)卣疀Q定對硇洲漁港進(jìn)行擴(kuò)建，主要包括新建碼頭、護(hù)岸和防波堤及對現(xiàn)有防波堤和護(hù)岸改造。

為滿足碼頭等水工建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計需求，需要推算附近海域邊界波浪要素來確定港域波浪要素，本文采用第三代淺海海浪數(shù)值模式——SWAN模型。SWAN模型自發(fā)布以來，得到了十分廣泛的應(yīng)用。Gorman等[1]采用SWAN模型模擬了河口淺水風(fēng)浪的生成與傳播過程。Wornom等[2]利用SWAN模型模擬了Luis颶風(fēng)。陳希等[3]利用SWAN模型模擬了臺灣島海域的臺風(fēng)浪。徐福敏等[4]利用SWAN模型計算了不同水深時流場對波浪場的影響。

1 工程所在地海域情況

硇洲漁港所處湛江地區(qū)季節(jié)風(fēng)明顯，每年4-9月多為E-SE風(fēng)，10-翌年3月多為N-NE風(fēng)。5-11月為臺風(fēng)季節(jié)，其中7-9月較多，平均每年出現(xiàn)5～6次，最多達(dá)8次。常風(fēng)向為E向和ESE向，強(qiáng)風(fēng)向為E向。

硇洲漁港所處海域以風(fēng)浪為主，全年風(fēng)浪出現(xiàn)頻率為80%，涌浪為20%，常浪向為ENE向和SE向。硇洲漁港處于雷州灣內(nèi)，其四周有硇洲島、東海島及雷州半島的掩護(hù)，不受外海波浪的直接襲擊。港域的南面還有南角河咀的掩護(hù)。

2 SWAN模型的基本方程

SWAN模型不僅可以模擬由風(fēng)產(chǎn)生的能量輸入、波與波非線性相互作用、深水波浪破碎耗散等深水波浪現(xiàn)象，而且可以模擬淺水中底摩擦耗散、波浪破碎、波浪繞射以及波浪折射等淺水波浪變形現(xiàn)象。SWAN模型基于波作用守恒方程[5]，采用波作用密度譜來描述波浪。波作用譜密度等于波能密度除以相對頻率：N（σ，θ）=E（σ，θ）/σ。

在笛卡爾系坐標(biāo)中，作用譜密度平衡方程如下：

式中：N為波作用譜密度;x，y為地理坐標(biāo);t為時間;為傳播方向;為相對頻率;Cx，Cy，Cσ，Cθ分別為波能量在地理空間和譜空間的傳播速度;S為能量源項，由幾個不同類型的源項組成：

3 模型驗證

3.1 模型計算范圍

模型計算范圍東起南海，西至湛江、硇洲島岸線，見圖3。模型采用笛卡爾坐標(biāo)系，劃分三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格最大邊長為4 000 m，最小邊長為20 m。

3.2 波浪破碎參數(shù)

對于破碎參數(shù)的選擇，在 Battjes and Janssen（1978）[6]發(fā)表的描述耗散模型的文章中，使用了基于Miche的標(biāo)準(zhǔn)的破碎參數(shù)，取0.8。Battjes and Stive（1985）[7]重新分析了實驗的波數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)破碎參數(shù)對于不同的地形（平面，障礙物-水槽，障礙物）在0.6到0.83之間變化，平均值0.73。對Kaminsky and Kraus（1993）[8]的大量實驗數(shù)據(jù)分析的結(jié)論是，破碎參數(shù)在0.6到1.59之間變化，平均值0.79。結(jié)合文獻(xiàn)[9]的討論，本文的破碎參數(shù)選擇為0.78。

3.3 底摩阻系數(shù)

在波浪折繞射變形數(shù)值計算中，底摩阻系數(shù)是一個重要的計算參數(shù)，一般的取值范圍為0005～0.02。針對硇洲島海域的海底物質(zhì)組成，經(jīng)分析采用底摩阻系數(shù)0.01進(jìn)行計算。

3.4 邊界條件

SWAN模型認(rèn)為陸邊界能將入射波能吸收而不產(chǎn)生反射，波能交換量為0，水邊界需要給出波能交換量。對于硇洲漁港附近海域西邊界為陸邊界，而在北、東、南3個方向皆有水邊界，因此，計算時均要考慮邊界波能的輸入。

3.5 驗證結(jié)果

應(yīng)用SWAN模型對硇洲漁港附近海域的波浪場分布進(jìn)行模擬。計算重現(xiàn)期為50年，海上10 m高程處50年一遇的風(fēng)速如表1所示。計算時在水域上方施加風(fēng)并在外邊界上聯(lián)合施加50年一遇的深水波要素，進(jìn)行全場波浪計算，得到外海-10 m水深處重現(xiàn)期波浪要素，與廣東沿海硇洲站-10 m水深的設(shè)計波要素[10]進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，在NE向和E向上，模型推算的波高值相較實測波高值的偏大;在SE向和S向上，模型推算的波高值相較實測波高值的偏小。考慮到本文所采用的風(fēng)場為一個簡單均勻的風(fēng)場，存在一定的誤差，同時硇洲島對SE向和S向波浪的掩護(hù)，模型推算結(jié)果是基本合理的。模型推算波浪要素與實測波浪要素的對比，見表2。

4 模型邊界波浪要素推算

利用模型計算北港區(qū)港域邊界波浪要素，結(jié)果見表3和表4。

5 結(jié)語

利用SWAN模型模擬硇洲漁港附近海域的波浪場，并與附近海洋站的實測波浪進(jìn)行對比分析，模擬結(jié)果與實測波浪的結(jié)果比較接近，進(jìn)而推算北港區(qū)邊界波浪要素，可作為工程設(shè)計的參考。

參考文獻(xiàn)：

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[10] 王占行，張建僑，王剛.硇洲漁港南港海域波浪場數(shù)值模擬研究[J].中國水運，2015，15（2）：69-84.

Application of SWAN model in wave parameters calculation for

Naozhou Fishing Port

LEI Peng，ZHANG Jianqiao

（Fishery Engineering Research Institute of Chinese Academy of Fishery Sciences， Beijing 100141，China

）

Abstract：The wave field near the Naozhou fishing port is simulated by using the SWAN model. The wave parameters in a certain recurrence interval，where the water depth is -10 meter offshore， that are induced by using the SWAN model agree with those observed. Based on that， the boundary wave parameters of North Area are calculated under different water levels and different recurrence intervals， which will provide a reference for the project design.

Key words：SWAN model;Naozhou fishing port; wave parameters

（收稿日期：2019-11-19）

基金項目：中國水產(chǎn)科學(xué)研究院院本級基本科研業(yè)務(wù)費專項基金資助項目（項目編號：2016HY-ZC11-3）。

作者簡介：雷鵬（1988-），男，碩士，工程師，主要從事漁港相關(guān)工程的設(shè)計與研究。E-mail：leipeng131488@126.com。