孟加拉灣東海岸筑港波浪條件分析及應(yīng)用

張亞敬，徐亞男，陳漢寶，譚忠華

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院，港口水工建筑技術(shù)國家工程實驗室&工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456）

0 引言

孟加拉灣位于印度洋北部，西臨印度半島，東臨中南半島，北臨緬甸和孟加拉國，南在斯里蘭卡至蘇門答臘島一線與印度洋本體相交，經(jīng)馬六甲海峽與泰國灣和南海相連，海灣為倒U形，面積217萬km2，平均水深為2 586 m。孟加拉灣是熱帶氣旋的多發(fā)海域，其中登陸東岸的臺風(fēng)約占40%，并且該區(qū)域岸灘地勢低洼，因此成為世界上受風(fēng)暴潮浪災(zāi)害最為嚴(yán)重的地方。在這種復(fù)雜浪、潮、沙綜合作用的海域，港口建設(shè)成為難題。伴隨孟加拉國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對電力、港口等需求迫切，深入研究孟加拉灣東岸近岸波浪特征，不僅可以為港口及電站工程平面布置、水工結(jié)構(gòu)設(shè)計和今后運(yùn)營管理提供可靠依據(jù)，還可為21世紀(jì)海上絲綢之路的筑港技術(shù)提供參考。

針對孟加拉灣風(fēng)浪特征的研究，李培[1]、劉金芳[2]等利用多年的北印度洋的氣象船舶資料分析北印度洋的氣象特點，發(fā)現(xiàn)了孟加拉灣風(fēng)場的分布特點及年際變化特征以及在季風(fēng)期間風(fēng)向與波向基本一致。袁俊鵬[3]等人根據(jù)1981—2010年NECP的風(fēng)場資料和JTWC的北印度洋熱帶氣旋路徑資料對北印度洋熱帶氣旋活動的時空分布特征進(jìn)行統(tǒng)計分析，表明孟加拉灣的熱帶氣旋以偏西方向的路徑居多。李汀等[4]分析了孟加拉灣盛行西南季風(fēng)時間及強(qiáng)度大于南海盛行西南季風(fēng)的時間的規(guī)律。徐亞男等[5]統(tǒng)計分析了多年孟加拉灣波浪場、海面風(fēng)場的特征以及海灣內(nèi)3個代表性港口的風(fēng)浪特征。目前多數(shù)研究針對于北印度洋或者孟加拉灣整體海域的波浪特征進(jìn)行了分析研究，而尚未發(fā)現(xiàn)針對孟加拉灣東岸淺灘地形波浪傳播特征的分析研究。本研究基于實測數(shù)據(jù)及再分析數(shù)據(jù)對孟加拉灣風(fēng)浪特征進(jìn)行綜合特征研究，并重點通過建立數(shù)學(xué)模型對臺風(fēng)浪及近岸筑港海區(qū)波浪傳播特性進(jìn)行細(xì)致分析，同時選擇3個代表性位置的港口工程進(jìn)行筑港平面特征與水動力環(huán)境的適應(yīng)性分析。

1 孟加拉灣的波浪特征

從ECWMF（2016—2018年）后報統(tǒng)計數(shù)據(jù)來分析，數(shù)據(jù)提取點坐標(biāo)22.25N，91.625E，位置示意圖見圖1。非季風(fēng)期（1—5月，10—12月），盛行東北季風(fēng)，孟加拉海域波浪集中于SW—S向，常浪向與強(qiáng)浪向均為SSW向，平均有效波高0.55 m。季風(fēng)期（6—9月），受印度洋西南季風(fēng)的影響，盛行西南風(fēng)，孟加拉海域波浪集中于SW—S向，常浪向與強(qiáng)浪向均為SSW向，SSW向浪的發(fā)生頻率為90.8%。平均有效波高1.03 m。

圖1 實測點位置示意圖Fig.1 The position ofmeasuring points

東海岸近岸實測波浪數(shù)據(jù)測點1位于灣頂處，測量時間2019年4月1日—9月30日，測量水深10 m，地理坐標(biāo) 91°28'34.01″E，22°42'3.71″N，見圖1。測量期間最大有效波高為1.99 m，平均有效波高為0.53 m。波浪方向主要集中于SSW—SW向，主浪向是SW向。波高玫瑰圖如圖2所示。

圖2 測點波高玫瑰圖Fig.2 Wave height rose ofmeasuring points

測點2位于Kudubdia島（簡稱K島）的南側(cè)深水槽中，測量時間2017年8月16日—11月10日，測量水深27 m，地理坐標(biāo)為91°48'11.18″E，21°34'50.47″N，見圖1。測量期間最大有效波高為2.57 m，平均有效波高0.75 m，最大譜峰周期為19 s，平均譜峰波周期為11 s。波浪方向主要集中于S—SW向，主浪向為SSW向。波高玫瑰圖如圖2所示。

2 孟加拉灣東岸海域波浪傳播特征

2.1 臺風(fēng)浪在孟加拉灣的模擬

根據(jù)美國大氣海洋局提供的熱帶氣旋資料，1977—2017年孟加拉灣海域生成的熱帶氣旋共151個，平均每年生成3.68個熱帶氣旋。在151場熱帶氣旋中，其中有57場臺風(fēng)對孟加拉灣東海岸產(chǎn)生影響，約占總數(shù)的38%。對孟加拉灣波浪傳播進(jìn)行研究，首先對臺風(fēng)浪進(jìn)行模擬。模擬采用理論風(fēng)場、背景風(fēng)場兩者的合成風(fēng)場作為SWAN模型的驅(qū)動風(fēng)場，模型范圍及地形見圖3。采用0602號熱帶氣旋“馬拉”期間Jason-1衛(wèi)星經(jīng)過孟加拉灣海域的軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，衛(wèi)星軌道如圖4。衛(wèi)星的有效波高數(shù)據(jù)與SWAN波浪數(shù)學(xué)模型模擬的有效波高比較見圖5。

圖3 模型地形圖Fig.3 Modeltopographic map

圖4 衛(wèi)星軌道Fig.4 Satellite orbit

圖5 不同軌道有效波高對比Fig.5 Comparison ofsignificantwave heights in different orbits

分析SWAN模型模擬的有效波高結(jié)果與衛(wèi)星觀測的有效波高誤差見表1，總體趨勢符合，SWAN模型能夠較好地模擬“馬拉”期間孟加拉灣海域有效波高的平均變化。根據(jù)臺風(fēng)風(fēng)場分布和對應(yīng)時刻的有效波高分布可以看出，臺風(fēng)風(fēng)場分布和有效波高分布具有相似的分布趨勢，即存在明顯的低值中心同時圍繞中心呈現(xiàn)環(huán)狀的分布特征氣旋過程風(fēng)場（見圖6），臺風(fēng)浪場見圖7。“馬拉”期間引起的最大有效波高為9 m，最大值位于低值中心的右側(cè)。受熱帶氣旋的影響往往伴隨著當(dāng)?shù)睾Ｓ虻娘L(fēng)暴潮及臺風(fēng)浪，強(qiáng)臺風(fēng)影響風(fēng)暴增水最大高達(dá)6 m，旋轉(zhuǎn)的臺風(fēng)引起的臺風(fēng)浪方向表現(xiàn)為多樣性，模型分析臺風(fēng)浪最大可達(dá)9 m以上，臺風(fēng)浪及風(fēng)暴潮傳播到近岸會沖跨或摧毀堤岸、池塘、港口碼頭以及一些近岸的海上建筑物，臺風(fēng)浪來臨的同時還伴隨著風(fēng)暴潮使船只沉沒、席卷人畜，給人類造成巨大的損失。

表1 誤差分析Table 1 Error analysis

圖6 0602號熱帶氣旋過程風(fēng)場Fig.6 Wind field of tropicalcyclone No.0602

圖7 0602號熱帶氣旋過程臺風(fēng)浪場Fig.7 Wave field oftropicalcyclone No.0602

2.2 近岸海浪傳播模擬分析

孟加拉灣北部及東部近岸區(qū)域的水下等深線呈現(xiàn)NW—SE走向，近岸海域岸灘平緩，平均水深約10 m，東岸海側(cè)存在少量的島嶼。同時本灣區(qū)受印度洋洋流作用明顯，平均流速是0.8 m/s，季風(fēng)期平均浪高達(dá)1 m，受恒河及布拉馬普特拉河影響，多年平均徑流量為13 000億m3，并攜帶大量泥沙，因此在浪、流、沙綜合作用下，岸灘及水下地形復(fù)雜，普遍存在水下沙壩及溝槽。波浪從深水傳播至淺水區(qū)域，會出現(xiàn)波浪的折射及波-波非線性相互作用[6]。

研究采用第三代海浪模式SWAN計算工程區(qū)外海域的波浪傳播過程。模型采用波浪實測點2數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。利用經(jīng)過驗證后的模型，計算了1981—2010年的波浪極值，采用P-Ⅲ曲線對工程外海重現(xiàn)期波浪要素條件進(jìn)行計算和分析，得到外海的水深-15 m極值波浪要素條件，見表2，-15 m水深位置示意圖見圖1。受臺風(fēng)影響及季風(fēng)的強(qiáng)浪影響，在外海域-15 m處，50 a一遇最大的波高出現(xiàn)在SSW向，H13%為7.7 m，其次是SW向，H13%為7.2 m。

SSW、SW向波浪場分布見圖8。

表2 有效波高極值及平均周期計算結(jié)果Table 2 Results ofsignificantwave heightand average period

圖8 重現(xiàn)期50 a極端高水位波浪場分布Fig.8 Distribution ofwave fields in extreme high water levelwith 50 a return periods

對于工程近岸波浪的傳播特征，考慮了淺水引起的波浪折射、淺水變形引起的波浪破碎、海底地形的摩擦阻力等耗散項。從計算結(jié)果看，外海SSW向為該海域的強(qiáng)浪向與常浪向，波浪傳播至K島南側(cè)-30 m水深處有效波高為11.2 m，波浪傳播至北側(cè)-10 m水深處有效波高是4.8 m，波向表現(xiàn)為210°。吉大港河口附近有效波高為4.5 m，吉大港以北區(qū)域受恒河及布拉馬普特河泥沙堆積影響，水深逐漸變淺，波能衰減的速度增加，當(dāng)水深在-7 m時，波高發(fā)生破碎，同時受地形折射影響波浪的方向轉(zhuǎn)變?yōu)镾W。

當(dāng)外海作用波浪為SW向時，波浪傳播方向與岸線的角度將近45°，當(dāng)傳播至K島南側(cè)-30 m深槽處有效波高為10.3 m，波浪傳播至北側(cè)-10 m水深處有效波高為4.7 m，波向表現(xiàn)為220°，受入射方向影響，SW向浪條件下K島對北側(cè)的掩護(hù)區(qū)域減小，受繞射作用及折射作用波浪方向仍為SW向。吉大港河口附近的有效波高為4.2 m，波浪繼續(xù)傳播至灣區(qū)的北側(cè)水深在-7.0 m時，波高開始發(fā)生破碎現(xiàn)象，同時受地形折射影響波浪的方向轉(zhuǎn)變?yōu)閃SW向。

外海WSW向浪發(fā)生的頻率較少，波浪傳播至近岸時，與岸線的角度大約近80°，則波浪衰減速度較慢，波浪傳播至K島南側(cè)-30 m水深處有效波高為7.6 m，且K島的掩護(hù)作用不明顯。而波浪傳播至灣區(qū)的北端波浪受地形折射影響顯著，波浪方向仍為WSW，有效波高僅為3.3 m。

基于上述孟加拉灣波浪特征，在該海域進(jìn)行港口建設(shè)時，不同的海岸線段需考慮不同形式的平面布置方案[7-8]。

3 工程案例分析

孟加拉國東北及東部沿海，尚無建成的海港案例，孟加拉國最大的港口是吉大港為內(nèi)河港。受孟加拉灣復(fù)雜自然條件及電廠規(guī)劃、海域使用等綜合影響，孟加拉沿岸電廠工程的平面規(guī)劃呈現(xiàn)差異性，而波浪條件是其重要的影響因素之一。受涌浪及港口管理條件的影響，該水域的過駁效率比較低，極大影響港口的運(yùn)營效率。研究從波浪角度分析孟加拉灣沿海電廠工程的工程平面方案特征。

EZ電廠項目位于孟加拉灣東側(cè)的頂部，孟加拉第二大城市吉大港以北約70 km的達(dá)卡—吉大港工業(yè)走廊帶，西側(cè)為Sandwip Channel，北側(cè)為Feni河。S.ALAM電廠項目位于孟加拉吉大港南側(cè)，工程所在地正對孟加拉灣，距吉大港市中心約45 km，距離孟加拉首都達(dá)卡約250 km。能源島電廠項目距吉大港直線距離100 km，位于K島水道南側(cè)的孟斯哈里半島。3個電廠項目擬裝機(jī)容量均為2×660 MW，因地理位置不同，所在的水動力條件不同，配套港口項目平面布置存在差異，研究就波浪條件與工程的適應(yīng)性進(jìn)行說明。

孟加拉灣沿海岸灘較緩，水深較淺，破碎帶范圍較寬，且外海強(qiáng)浪向及常浪向均與海岸走向角度較小，因此，在3個工程海域波浪的折射及淺水引起的波浪破碎現(xiàn)象顯著。一方面，波浪破碎形成的破碎波浪力是造成近岸工程建筑物的主要破壞因素：另一方面，地形折射引起外海波向在向近岸傳播時波浪方向發(fā)生改變，影響港區(qū)口門及航道的走向。因此波浪對沿岸建港工程的平面布置及結(jié)構(gòu)形式選擇有顯著的影響。本文選擇孟加拉灣不同位置的3個典型工程分析波浪對碼頭布置形式的影響（表3），工程位置示意圖見圖1。

表3 電廠項目不同等深線波高波向分布Table 3 Wave heightand wave direction distribution in differentisobath in power plant projects

EZ電廠項目位于灣頂部，潮差大，50 a一遇高水位超過8 m，灣頂處海底平緩，近岸為緩且寬的淺灘，波浪由外海傳至工程附近受島嶼掩護(hù)波高較小，最大波高為3.4 m，可不必采用防波堤的防護(hù)形式。碼頭平面布置采用棧橋式，節(jié)省投資且施工方便，該項目棧橋與岸相連的離岸碼頭設(shè)置在水深-5 m處，滿足船舶乘潮進(jìn)出港。

S.ALAM電廠項目西側(cè)面臨孟加拉灣，南邊為K島，直接受孟加拉灣強(qiáng)浪影響，從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來分析，工程海域波浪集中于SW—S向，常浪向與強(qiáng)浪向均為SSW向，SSW向浪的發(fā)生頻率為79%。平均有效波高0.9 m，如采用離岸棧橋式碼頭布置，船舶泊穩(wěn)無法保證。工程采用雙堤環(huán)抱式平面布置，堤頭位于水深-5.5 m處，航道疏浚至-6.4 m，滿足碼頭使用要求[10]。

能源島電廠項目位置不同于以上2個項目，碼頭位于潮汐通道內(nèi)，潮汐通道內(nèi)水深條件良好，使得該項目成為目前孟加拉灣在建的為數(shù)不多的大泊位碼頭。外側(cè)海域有2條天然沙壩和遍地的紅樹林對港區(qū)形成有效掩護(hù)，外海強(qiáng)浪傳至港區(qū)，波能大大減弱。采用高樁碼頭及棧橋與后方陸域相連，航道疏浚至-18 m，在潮汐岔道入?？谔幵O(shè)置允許淹沒的南、北擋沙堤，保證通航安全。

4 結(jié)語

1）孟加拉灣波浪具有明顯的季風(fēng)期特征，每年6月中旬—10月中旬，受印度洋西南季風(fēng)的影響，盛行西南風(fēng)，1—5月和10—12月盛行東北季風(fēng)，全年波浪集中于SW—S向，常浪向與強(qiáng)浪向均為SSW向。

2）該海域常年受熱帶氣旋影響，平均每年生成3.68個熱帶氣旋。采用合成風(fēng)場作為SWAN模型的驅(qū)動風(fēng)場對臺風(fēng)浪進(jìn)行了模擬。利用ECMWF長期再分析風(fēng)速數(shù)據(jù)及臺風(fēng)過程計算波浪過程，得到孟加拉灣外海的深水（-15 m）極值波浪要素條件，在外海域-15 m處，50 a一遇最大的波高出現(xiàn)在SSW向H13%為7.7 m，其次是SW向H13%為7.2 m。傳播至工程近岸區(qū)域波浪地形折射影響波浪破碎現(xiàn)象顯著，SSW向在近岸表現(xiàn)為SW向，有效波高4.5 m。SW向在近岸為WSW向，有效波高為4.2 m。

3）孟加拉灣沿海岸灘較緩，且水深較淺，破碎帶范圍較寬，在孟加拉灣東海岸選取3個典型位置的電廠工程，從波浪角度分析了3個工程碼頭平面布置方案的合理性。EZ電廠項目位于孟加拉灣東側(cè)的頂部，近岸為緩且寬的淺灘，碼頭平面布置形式采用棧橋式，節(jié)省投資且施工方便；S.ALAM電廠項目位于孟加拉吉大港南側(cè)，直接受孟加拉灣強(qiáng)浪影響，工程采用雙堤環(huán)抱式平面布置，滿足碼頭使用要求；能源島電廠項目位于潮汐通道內(nèi)，水深條件良好，且有紅樹林掩護(hù)，采用高樁碼頭及棧橋與后方陸域相連，該項目為孟加拉灣在建的為數(shù)不多的大泊位碼頭。

本研究從波浪角度探討了孟加拉灣東海岸因地制宜的筑港平面布置型式，為“一帶一路”近岸港口、電廠以及島橋建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及研究新經(jīng)驗，對孟加拉灣近岸工程規(guī)劃、立項、實施有借鑒意義。