防波堤對(duì)消減臺(tái)風(fēng)浪波高的影響

姬厚德 藍(lán)尹余 涂振順

摘要：本文以“尼伯特”臺(tái)風(fēng)為例，利用Holland經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)模型和SWAN波浪模型搭建臺(tái)風(fēng)浪場(chǎng)數(shù)值模型，計(jì)算不同設(shè)計(jì)工況下防波堤對(duì)消減臺(tái)風(fēng)浪波高的影響。結(jié)果表明防波堤長(zhǎng)度和走向是消減臺(tái)風(fēng)浪的重要因素，防波堤設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮臺(tái)風(fēng)特點(diǎn)、岸線(xiàn)走向、地形地貌等因素合理確定長(zhǎng)度和走向，最大程度提高臺(tái)風(fēng)浪消減率和避風(fēng)水域面積，同時(shí)也表明數(shù)值模擬是防波堤優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效手段之一，可為防臺(tái)減災(zāi)提供重要的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：臺(tái)風(fēng)浪;防波堤;SWAN模型;海洋災(zāi)害

中圖分類(lèi)號(hào)：P753文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006—7973（2022）05-0085-03

福建省地處臺(tái)灣海峽西側(cè)，海岸線(xiàn)蜿蜒曲折，每年受臺(tái)風(fēng)侵襲嚴(yán)重[1]，2006年-2019年影響福建省的臺(tái)風(fēng)有66個(gè)[2]，其中33個(gè)直接登陸福建地區(qū)，平均每年2.36個(gè)。臺(tái)風(fēng)每年對(duì)福建造成嚴(yán)重?fù)p害[3]，其造成的海洋災(zāi)害尤以臺(tái)風(fēng)浪威脅最大[4]，2016年-2020年造成63人的海洋災(zāi)害死亡事故全部是由臺(tái)風(fēng)浪災(zāi)害引起。福建省是全國(guó)典型的漁業(yè)大省，海洋災(zāi)害事故主要集中于漁業(yè)作業(yè)區(qū)，全省已建設(shè)漁港近300個(gè)，為沿海漁業(yè)生產(chǎn)、保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全提供保障。防波堤是消減臺(tái)風(fēng)浪波高最有效的措施，防波堤可以有效地阻擋海浪進(jìn)入掩護(hù)水域，為港池內(nèi)的漁船避臺(tái)提供掩護(hù)，但防波堤建設(shè)周期長(zhǎng)、耗費(fèi)成本高，如何利用有限的資金建設(shè)具有最佳消減臺(tái)風(fēng)浪波高效果的防波堤是漁港建設(shè)的重要問(wèn)題之一。本文在不同設(shè)計(jì)工況下分別模擬建設(shè)防波堤后東埔漁港附近海域臺(tái)風(fēng)浪場(chǎng)分布情況，分析防波堤在消減臺(tái)風(fēng)浪波高中的影響，為防臺(tái)消浪、防波堤優(yōu)化設(shè)計(jì)等提供技術(shù)支撐。

1研究概況

1.1區(qū)域概況及工況設(shè)計(jì)

東埔漁港處于福建省中部的泉州灣南部海域，東側(cè)直面臺(tái)灣海峽，該海域受臺(tái)風(fēng)侵襲嚴(yán)重。為研究防波堤對(duì)消減臺(tái)風(fēng)浪波高的影響，設(shè)計(jì)了分別建設(shè)不同長(zhǎng)度、不同走向防波堤的4種工況及未建設(shè)防波堤的工況，比較分析不同工況下臺(tái)風(fēng)浪場(chǎng)的分布情況及防波堤對(duì)消減臺(tái)風(fēng)浪波高的影響。工況設(shè)計(jì)說(shuō)明見(jiàn)表1，建設(shè)位置示意圖見(jiàn)圖1。

1.2臺(tái)風(fēng)概況

選取超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“尼伯特”（1601號(hào)）為例，該臺(tái)風(fēng)于2016年7月3日8時(shí)形成，60小時(shí)后加強(qiáng)形成超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，先后在臺(tái)灣省臺(tái)東縣和福建省石獅市登陸，對(duì)臺(tái)風(fēng)影響區(qū)域造成較大經(jīng)濟(jì)損失，并直接造成83人死亡。

1.3模型簡(jiǎn)介

臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的模擬對(duì)臺(tái)風(fēng)浪的模擬非常重要，本文選取Holland經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)[5-6]，該模型涉及臺(tái)風(fēng)中心氣壓，臺(tái)風(fēng)外圍氣壓，最大風(fēng)速、最大風(fēng)速半徑等參數(shù)，這些參數(shù)可以從網(wǎng)絡(luò)上獲取。

波浪場(chǎng)利用SWAN模型[7-8]進(jìn)行模擬，該模型基于波作用守恒方程，計(jì)算中包含了繞射、波浪破碎、白帽等波浪計(jì)算的大部分物理過(guò)程，是目前較為常用的模擬臺(tái)風(fēng)浪的數(shù)值模型。

2模型設(shè)置與驗(yàn)證

2.1模型設(shè)置

為減少模型計(jì)算量，本次模擬采用粗網(wǎng)格（大區(qū)域）、細(xì)網(wǎng)格（小區(qū)域）嵌套的方法進(jìn)行計(jì)算，粗網(wǎng)格計(jì)算邊界為經(jīng)度116°～124°，緯度19。～27°，網(wǎng)格邊長(zhǎng)約1000m，計(jì)算區(qū)域覆蓋整個(gè)臺(tái)灣海峽。細(xì)網(wǎng)格的計(jì)算邊界為經(jīng)度118°41′～118°52′，緯度24°36′～24°46′，網(wǎng)格最小邊長(zhǎng)約50m，由粗網(wǎng)格計(jì)算出小區(qū)域的邊界條件，不僅可以提高計(jì)算效率，還便于更為細(xì)致地刻畫(huà)近岸區(qū)域的波浪場(chǎng)分布特征。

為了保證計(jì)算模型的穩(wěn)定并覆蓋整個(gè)臺(tái)風(fēng)過(guò)程，計(jì)算時(shí)間從2016年7月3日8：00-7月10日11點(diǎn)，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為600s，頻率離散范圍為0.055～1.100Hz，方向離散數(shù)量為32。

2.2模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證SWAN模型的準(zhǔn)確性，選取位于福建省北部的北礵站實(shí)測(cè)資料進(jìn)行驗(yàn)證，有效波高對(duì)比圖見(jiàn)圖2。受經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)模型限制，當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，模擬風(fēng)速要比實(shí)際風(fēng)速小，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定值后，兩者相關(guān)性逐漸變好，進(jìn)而反映到波浪的模擬結(jié)果上。從圖2可以看出，當(dāng)模擬的有效波高大于1.5m時(shí)，計(jì)算值和實(shí)測(cè)值符合性較好，當(dāng)模擬的有效波高小于1.5m時(shí)，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的誤差明顯加大。總體上，有效波高平均相對(duì)誤差為11.7%，在有效波高大于1.5m期間平均相對(duì)誤差最大僅為7.0%，說(shuō)明建立的波浪場(chǎng)模型在“尼伯特”臺(tái)風(fēng)浪模擬中取得了較為可信的效果。

3結(jié)果分析與討論

3.1不同工況計(jì)算結(jié)果分析

選取附近海域2個(gè)特征點(diǎn)（見(jiàn)圖1）作為對(duì)比分析點(diǎn)，計(jì)算不同工況下所在位置波浪變化情況，分析防波堤消減臺(tái)風(fēng)浪波高的影響，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖中可以看出，在未建設(shè)防波堤時(shí)，臺(tái)風(fēng)期間1號(hào)點(diǎn)最大有效波高略大于2號(hào)點(diǎn)，這主要是受近岸反射波疊加影響所致，總體上兩個(gè)點(diǎn)波高相差不大。工況1的防波堤建設(shè)過(guò)短，僅能阻擋1號(hào)點(diǎn)附近少量的臺(tái)風(fēng)浪，對(duì)2號(hào)點(diǎn)基本無(wú)掩護(hù)作用;工況2相較于工況1防波堤向西南側(cè)延伸，對(duì)1號(hào)點(diǎn)附近臺(tái)風(fēng)浪消減明顯，有效波高最大消減率約50%，但仍有大量能量繞過(guò)防波堤進(jìn)入掩護(hù)水域，臺(tái)風(fēng)期間1號(hào)點(diǎn)最大有效波高仍有1.6m，難以起到足夠的防護(hù)效果，2號(hào)點(diǎn)處于工況2防波堤外側(cè)，附近海域臺(tái)風(fēng)浪消減效果甚微;工況3在工況2的基礎(chǔ)上繼續(xù)延伸防波堤，臺(tái)風(fēng)期間1號(hào)點(diǎn)和2號(hào)點(diǎn)的有效波高均在0.5m以下，有效波高最大消減率達(dá)80%，防波堤對(duì)掩護(hù)水域起到了極大的防護(hù)作用，防波堤內(nèi)側(cè)形成的掩護(hù)水域可達(dá)到避臺(tái)要求。由此說(shuō)明，防波堤長(zhǎng)度是影響消減臺(tái)風(fēng)浪波高的重要因素。

工況4雖然與工況3的防波堤長(zhǎng)度一致，但受防波堤走向影響，消減臺(tái)風(fēng)浪效果一般，對(duì)于1號(hào)點(diǎn)，工況4比工況2防波堤長(zhǎng)度長(zhǎng)約300m，但防護(hù)效果與其相當(dāng)，對(duì)于2號(hào)點(diǎn)，工況4對(duì)臺(tái)風(fēng)浪消減效果較差，說(shuō)明工況4形成的掩護(hù)水域面積較小。由此說(shuō)明，防波堤走向也是影響消減臺(tái)風(fēng)浪波高的重要因素。設(shè)計(jì)防波堤走向時(shí)應(yīng)充分考慮臺(tái)風(fēng)旋轉(zhuǎn)方向、海岸線(xiàn)走向，結(jié)合當(dāng)?shù)氐匦蔚孛玻M量減少波浪繞射進(jìn)入掩護(hù)水域的能量，并減小防波堤與波浪人射方向的夾角以提高防波堤防護(hù)效果。

3.2典型時(shí)刻臺(tái)風(fēng)浪場(chǎng)分布特征

選取臺(tái)風(fēng)靠近漁港附近海域時(shí)的典型時(shí)刻分析防波堤對(duì)消減臺(tái)風(fēng)浪波高的影響，以工況3下2016年7 月8日18：00的有效波高分布為例（見(jiàn)圖4）。從圖中可以看出，此時(shí)近岸海域有效波高均在2.0m以上，距離海岸2km以外較深處有效波高達(dá)4.0m以上，而此時(shí)受防波堤保護(hù)，東埔漁港內(nèi)側(cè)水域有效波高均在1.0m以下，漁港內(nèi)東北側(cè)海域掩護(hù)效果最好，有效波高在0.4m以下，計(jì)算結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方案下，防波堤對(duì)消減臺(tái)風(fēng)浪波高具有良好的效果。此外，還可根據(jù)波高分布情況安排不同類(lèi)型的船舶在不同區(qū)域合理避臺(tái)，使防臺(tái)資源得到最優(yōu)配置。

選取臺(tái)風(fēng)靠近漁港附近海域時(shí)的典型時(shí)刻分析防波堤對(duì)消減臺(tái)風(fēng)浪波高的影響，以工況3下2016年7月8 日18：00的有效波高分布為例（見(jiàn)圖4）。從圖中可以看出，此時(shí)近岸海域有效波高均在2.0m以上，距離海岸2km以外較深處有效波高達(dá)4.0m以上，而此時(shí)受防波堤保護(hù)，東埔漁港內(nèi)側(cè)水域有效波高均在1.0m以下，漁港內(nèi)東北側(cè)海域掩護(hù)效果最好，有效波高在0.4m以下，計(jì)算結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方案下，防波堤對(duì)消減臺(tái)風(fēng)浪波高具有良好的效果。此外，還可根據(jù)波高分布情況安排不同類(lèi)型的船舶在不同區(qū)域合理避臺(tái)，使防臺(tái)資源得到最優(yōu)配置。

4結(jié)語(yǔ)

利用搭建的數(shù)值模型模擬了“尼伯特”臺(tái)風(fēng)過(guò)境時(shí)不同長(zhǎng)度、不同朝向的防波堤下臺(tái)風(fēng)浪場(chǎng)的分布特征，進(jìn)而分析了防波堤對(duì)消減臺(tái)風(fēng)浪波高的影響，結(jié)果表明：

（1）利用模型計(jì)算的有效波高與北礵站實(shí)測(cè)資料符合性較好，總體上有效波高平均相對(duì)誤差為11.7%，在有效波高大于1.5m期間平均相對(duì)誤差最大僅為7.0%，建立的波浪數(shù)值模型可較為準(zhǔn)確的反映“尼伯特”期間的臺(tái)風(fēng)浪分布特征。

（2）隨著防波堤長(zhǎng)度的增加，臺(tái)風(fēng)浪消減率提高，避風(fēng)水域面積也有所擴(kuò)大，說(shuō)明防波堤長(zhǎng)度是消減臺(tái)風(fēng)浪波高的重要因素;防波堤合理的走向可有效阻擋波浪進(jìn)入掩護(hù)水域，也可以大大減少波浪繞射進(jìn)入掩護(hù)水域的能量，提高防波堤防護(hù)效率，因此防波堤走向也是消減臺(tái)風(fēng)浪波高的重要因素。

（3）利用建立的數(shù)值模型可直觀(guān)地反映臺(tái)風(fēng)期間波浪分布情況，今后可將臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)信息加入模型中進(jìn)而預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)期間避風(fēng)水域內(nèi)波浪分布情況，合理安排不同類(lèi)型船舶在不同區(qū)域避風(fēng)，為防臺(tái)減災(zāi)資源優(yōu)化配置提供技術(shù)支撐。

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