海岸工程设计波要素推算方法探讨――以如东人工岛设计波要素推算为例

２０１０年３月第３期总第４３９期水运工程Ｐ０ｒｔ＆ＷａｔｅｒｗａｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭａｒ．２０１０Ｎｏ．３ＳｅｒｉａｌＮｏ．４３９海岸工程设计波要素推算方法探讨毒——以如东人工岛设计波要素推算为例付桂ｕ，杨春平２（１．交通运输部长江口航道管理局，上海２００００３；２．丹华水利环境技术（上海）有限公司，上海２０００３２）摘要：以如东人工岛设计渡要素推算为例，分别利用历史台风天气图推算法和设计风速推算法推求不同重现期设计波要素并进行对比分析。结果表明，两种方法各有优劣，但历史台风天气图推算法的计算精度比设计风速推算法的精度差。为了安全起见，建议采用设计风速推算法。关键词：海岸工程；设计波要素；历史台风天气图；设计风速；如东人工岛中图分类号：７ｒｖ１３９．２＋４文献标志码：Ａ文章编号：ｌ００２－４９７２（２０１０）０３＿００４２—０５ＡｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎｏｎｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｏｆｄｅｓｉｇｎｗａＶｅｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆｃｏ嬲ｔａｌｅｎ西ｎｅｅｒｉｎｇ：ＴａｋｉｎｇｔｈｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎｗａｖｅｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆＲｕｄｏｎｇａｒｔｉｆｉｃｉａｌｉｓｌａｎｄａｓａｎｅｘａｍｐｌｅＦｕＧｕｉｌｔ２，ＹＡＮＧＣｈｕｎ—ｐｉｎ矿（１．ＹａｎｇｔｚｅＥｓｔｕａｒｙｗａｔｅｎ旧ｙＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎＢｕｒｅａｕ，ＭＯＣ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００００３，ｃｈｉｎａ；２．ＤＨＩｃＨＩＮＡ，ｓｈａｎｇｈａｉ２０００３２，ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴａｋｉｎｇｔｈｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎｗａｖｅｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆＲｕｄｏｎｇａｒｔｉｆｉｃｉａｌｉｓｌａｎｄａｓａＩｌｅｘａｍｐｌｅ，ｗｅａｄｏｐｔｔｗＤｄｉｆｆ－ｅｒｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎｗａｖｅｅｌｅｍｅｎｔｓ“ｃｏａｓｔａｌｅｎ百ｎｅｅ—ｎｇ：ｏｎｅｉｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｗｉｎｄｓｐｅｅｄｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｏｔｈｅｒｉｓｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｗａｙｏｆｔｙｐｈｏｏｎｗｅａｔｈｅｒｃｈａｒｔｓｏｆｈｉｓｔｏｒｙ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｂｏｔｈｍｅｔｈｏｄｓｈａｖｅａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅ８．Ｂｕｔｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｅｃｕｒａｃｙｏｆｔｈｅｈｉｓｔｏｒｙｔｙｐｈｏｏｎｗｅａｔｈｅｒｃｈａｎｓｍｅｔｈｏｄｉｓｗｏｒｓｅｔｌｌａｎｔｈａｔｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎｗｉｎｄｓｐｅｅｄｍｅｔｈｏｄ．ＦｏｒｔｈｅｐｕＩｐｏｓｅｏｆｓａｆｂｔｙ，ｔｌｌｅｄｅｓｉｇｎｗｉｎｄｓｐｅｅｄｍｅｔｈｏｄｉｓｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏａｓｔａｌｅｎ舀ｎｅｅｒｉｎｇ；ｄｅｓｉｇｎｗａｖｅｅｌｅｍｅｎｔｓ；ｔｙｐｈｏｏｎｗｅａｔｈｅｒｃｈａｒｔｓｏｆｈｉｓｔｏＩｙ；ｄｅｓｉｇｎｗｉｎｄｓｐｅｅｄ；Ｒｕｄｏｎｇａｒｔｉｆｉｃｉａｌｉｓｌａｎｄ海岸工程设计波要素推算方法大致有相关分析法【瑚、经验公式法【３ｌ及数学模型计算㈣等方法。本文利用２种不同的方法推算海岸工程设计波要素。方法ｌ为历史台风天气图推算法：利用历史天气图，摘取２０年以上的台风资料，利用ＭＩＫＥ２１Ｓｗ模型推算出台风期最大波高序列，采用极值分析的方法【９ｌ推求设计波要素；方法２为设计风速推算法：依据气象站多年风速、风向实测资料进行频率分析推求各方向不同重现期的外海深水波要素，其次建立复杂地形条件下考虑底摩阻及局部风影响的浅水波浪变形数学模型，计算各种工况下不同重现期的设计波浪要素。本文主要以如东人工岛丁程设计波要素推算为例，应用上述２种方法进行计算并比较分析，探讨适合海岸工程地区设计波要素的推算方法。如东人工岛工程位于江苏省如东县海滨，所在海域属于苏北辐射沙洲群，拟建人工岛设计建筑位于烂沙洋水道两端南侧的西太阳沙中部的浅滩上，其北侧深水区为拟建码头工程。工程区西距小洋港约３０ｋｍ，东南距吕四港约５０ｋｍ，西南收稿日期：２００９埘一１８作者简介：付桂（１９８ｌ一），男，硕士，工程师，从事港口航道及海岸工程预可行性研究。万方数据第３期付桂，杨春平：海岸工程设计波要素推算方法探讨’・４３・距如东县城约３２ｋｍ（图１）。工程区水域潮型属于规则的半日潮，最大潮差８．０８ｍ，最小潮差１．７９ｍ。该海区为不规则的半日潮流海区，涨落潮流速和历时均不相同，落潮流速大于涨潮流速，落潮历时大于涨潮历时。同时，本海区为强潮区，实测最大流速为落潮流，流速可达１．９５Ⅱ以。该区常风向为ｓＥ向，次常风向为ＮＥ向，强风向为Ｎｗ向。该海域常浪向为Ｎ向，次常浪向为ＮＮｗ向，强浪向为ＮＥ，实测最大波高６．９ｍ，次强浪向为Ｅ和ＥＮＥ，实测最大波高分别为５．３ｍ和５．１ｍ。人工岛工程建设在西太阳沙中部（图２），直接受波浪、潮流的袭击，因此需要进行工程区设计波要素的计算和研究。图ｌ苏北辐射沙洲示意图图２拟建人工岛及其附近波浪采样点位置图由于如东县西太阳沙人工岛附近只有完整１年（１９９６１０—１９９７１０）的现场波浪观测资料，不足以可靠推算重现期波浪要素，因此波浪计算只能采用风场资料间接推算的方法。而西太阳沙人工岛附近又缺少长期的风况观测资料。为此，风浪计算的风场资料只能通过以下２种方法解决：一是采用历史台风天气图，摘取２０年以上的台风资料，利用风场及气压场模型确定风场；二是利用距离人工岛最近的如东县气象站风速观测资料，并进行内陆—海岸—海洋风速订正，确定海上设计风速。最终利用这２种方法获得的风数据推算人工岛设计波要素。１历史台风天气图推算法１．１技术路线１）地面天气图的选择。由于缺乏实测大范围风场数据，从如东气象台收集了１９５卜２００３年共５３年间影响该海区台风的历史地面天气图，包括各个台风的路经图，台风临近该海区时每隔６ｈ的中心气压、台风中心附近最大风速半径处的最大风速和等气压线的分布。对台风历史天气图进行筛选，最终选择路由该区域２１场极端台风作为计算台风。２）风场及气压场计算。海面的风场是海浪数值计算的重要组成部分，选择科学合理的风场计算模式睁１２ｌ十分重要。本文计算中以梯度风模式为主并采用《海港水文规范》等对气压类型、大气稳定度、近海面垫层摩阻等的相关修正规定，先计算出梯度风，再换算海面上ｌＯｍ高程处的风速风向值。利用上述方法计算２ｌ场台风风场，依据气象台提供的地面天气图和各地面测站的实测气压、风速风向值，进行风场修正，最终获得２１场极端台风的气压场及速度场。３）波浪场计算模型【堋。苏北辐射沙洲滩槽相间，水下地形变化较为剧烈，波浪自深水进入浅水的过程中由于受到辐射沙洲复杂水下地形的影响。发生了明显的折射绕射变形，另外波浪经过人工岛岛壁的反射、绕射及水下地形引起的折射综合作用，在岛壁前发万方数据・４４・水运工程２０１０年生复杂的波一波干涉作用。根据方案比选，模型需要综合考虑波浪折射、绕射、反射、浅水变形、底摩阻及风能输入在内的模型，本文选择ＭｌＫＥ２１Ｓｗ模型作为波浪场计算模型。ＭＩＫＥ２ｌＳｗ基于波作用守恒方程１１４ｌ，采用波作用密度谱Ⅳ（盯，口）来描述波浪，其中模型的自变量为相对波频率盯和波向口。４）计算原则及方法。利用ＭＩＫＥ２ｌＨＤ＆Ｓｗ模型建立东中国海水动力学模型及波浪模型。计算域采用不规则三角形网格剖分计算域，深海最大三角形网格边长为１５ｋｍ，近海网格边长约ｌｋｍ，重点对工程区进行局部加密，最小网格边长３００ｍ（图３）。波浪模型计算采用大小网格嵌套的方法，利用大网格计算各种工况条件下的大区域波浪场，为小区域模型（图３，右下）提供边界条件。模型验证采用１９９７年８月台风Ｗｉｎｎｉｅ过境期间西太阳沙的实测资料（１９９７年８月１７日０：００至８月２１日０：００水位、波浪过程）对模型进行了潮位、波浪过程的验证。潮位、波浪验证结果见图４。模型验证均符合波浪模型规范的规定和要求。利用率定好的水动力及波浪参数进行方案计算。通过输入２１场极端台风地面天气图海面风场计算最终得到２１组台风的波浪场。１．２计算结果统计上述波浪场工程区采样点历年最大波高序列，采用极值分析的方法推求工程区各采样点的设计波要素。下面仅列出工程区采样点５０年一遇的设计波要素（表１）。图３计算网格图（左：大模型网格：右上：工程区局部加密网格：右下：小模型网格）００：００１２：００∞一１９时问００：００１２：∞０８＿２０１９９７埘一１８傩一１９时间啡如图４西太阳沙潮位、波浪验证（左上：潮位验证；左下：波高验证；右上：波周期验证；右下：波向验证）表ｌ工程区采样点设计波要素（５０年一遇情况）２设计风速推算法２．１技术路线１）岸台气象站实测资料统计分析。主要通过各风向出现频率及其平均风速、最大风速的统计，获得丁程海域的常风向、强风向以及各风向的风速大小，对工程海域的风场特性有一个比较全面的了解。２）确定不同重现期海上设计风速。按年最大风速采样法，对岸台气象站１０分钟万方数据第３期付桂，杨春平：海岸工程设计波要素推算方法探讨’・４５・平均的最大风速进行频率分析，得到各个方向的不同重现期设计风速值，再进行内陆一海岸一海上风速订正，最终确定海上深水区域各方向不同重现期设计风速。３）海上设计风速的合理性分析。为了验证推算的不同重现期风速的可靠性，要引用了相关海洋水文站、相关已建工程的设计风速资料与之比较，分析各方向不同重现期设计风速的合理性、可靠性。４）深水区域风浪要素计算。这部分工作最为重要，就目前国内外常用的定常风浪计算公式有好多种，必须经过验证计算一些风、浪同步资料，有针对性的选择工程海域风浪特性的计算公式。在本文中仅选择海港水文规范公式（青岛海洋大学公式）旧、国家提防工程规范（ＧＢ一５０２８６—９８）公式（莆田试验站公式）【峋、美国ＳＭＢ公式（美国海岸工程防护手册）１１７１３种方法来推算深水波浪要素。计算结果表明，在深水区域我国的海港水文规范公式（青岛海洋大学公式）较为合适，相对误差较小。５）浅水区域波要素计算陋嘲。目前进行波浪浅水传播变形计算的方法归纳起来大致有两类：其一为不规则波方法，代表性的模式有青岛海洋大学等提出的新型混合型海浪数值模式、荷兰ＤｅＩｆｔ大学３一Ｄ中的ｗＡＭ型海浪数值预报模式；其二为代表波（如有效波或者平均波等规则波）方法，常用的有缓变水流水深中波浪绕射折射数学模型、特征线（波向线）理论—数值模式。每种模式都有自身的优缺点和适用范围，经过相关研究及验证，Ｍｉｋｅ２ｌＳｗ模型综合考虑了上述两种计算方法，并且考虑了近岸区波浪的浅水变形，折射、绕射、反射及波浪破碎等因素。所以本文采用Ｍｉｋｅ２ｌＳｗ模型进行计算。６）计算原则及方法。苏北辐射沙洲的中心区域，距离受地形影响较小的深水边界有百余公里，而欲计算工程前沿设计波浪要素，必须从该深水边界起算，因此计算范围将达到近万平方公里。为了充分反应工程附近水域的局部地形变化，又要适当节省计算工作量，所以在进行地形概化和数值差分计算中采用工程区网格局部加密的方法。按上述确定的步骤及计算处理原则，分别就不同重现期、不同潮位、不同波浪方向进行波浪传播变形计算。计算中对于各个波浪方向采取各自主方向的左右２２．５ｏ范嗣内每隔７．５０多方位入射计算，以寻找最不利波浪入射方向，波高采用平均波高，底摩阻系数取为０．０ｌ，风能输人时相关系数按“海大”方法确定，如果出现波浪破碎，则按破波波高计算。２．２计算结果计算结果表明，波浪自深水进入浅水的过程中由于受到辐射沙洲复杂水下地形的影响，发生了明显的折射绕射变形，部分区域的波向与原入射波向差别很大，进一步说明在该地区不考虑波浪的折绕射影响是不合适的，波向在传播过程中的变化顺应水下地形的变化趋势，波高在空间上的分布变化较大，总的来说波动能量向浅水区域集中，由于沿程风能的继续输入，浅水水域的波高也有所增加，但当潮位较低时，浅水区的波高受到水深的限制。通过计算对拟建工程后的人工岛各采样点波要素进行汇总。拟建工程各点上基本偏北向至东南向为主要控制方向，为了便于比较分析，仅列出５０年一遇最不利情况下的设计波要素，即在极端高水位９．２ｍ及向岸风向情况下人Ｔ岛附近采样点的波要素特征值（表２）。表２如东人工岛工程区采样点设计波要素（５０年一遇。极端高水位９．２０ｍ）采样点而面而鬻麓。ｌ６．０４５．１４４．１９２．６８１２７．５４９．７５．２５．９５５．２４４．４５３．０４９３．６４９．８７弓５．４４．７６４．０５２．７８８９．０２９．８７．４５．１１４．５３．８２２．６１６９．５８８．０９笃５．５９４．９５４．２４２．９４８６．５９９．７５艳６．２５５．５ｌ４．６８３．２９４．０９９．７５夏丙鬲原始波向４６．１ＮＥ—ＥＮＥ６５．４Ｅ—ＥＳＥ７４Ｅ—ＥＳＥ５．３Ｎ—ＮＮＥ４０．１ＮＥ—ＥＮＥ３５．２ＮＥ—ＩｃＮＥ３工程设计波要素推算方法综合分析与比较采用以上２种方法（历史台风天气图推算法和设计风速推算法）分别得到了不同重现期的人Ｔ岛区域设计波浪要素。下面仅对５０年一遇的设计波要素进行比较分析。从表３中，首先可以看出：在。ｌ，趁，勺点，利用历史台风天气图推算法的有效波高结果很明显大于设计风速推算法结果。特别是。ｌ点差别达１．５ｍ，而。１点水深大约２０ｍ，按照青岛海洋大学深水波要素计算公式推求约４．３ｍ，结果和设计风速推算法基本一致。在＃５，万方数据・４６・水运工程２０１０年埯点，利用历史台风天气图推算法的有效波高结果小于设计风速推算法结果，主要原因是受人工岛西侧栈桥的影响（图２）。其次，利用历史台风天气图推算法的波周期结果很明显小于设计风速推算法结果。一般来说波高波周期正比例相关的，可见利用历史台风天气图推算法获得的设计波周期结果精度要差一些。最后，对于设计波向，除＃４，＃５点外，差别不是很大。综合分析认为：２种方法各有优劣，两种方法计算出来的差别主要是由于历史台风天气图推算法为不分方向的计算所致，二者统计的代表性不同，相对而言，历史天气图的精度要比岸站实测风速的精度差一些。为了安全起见，个人建议采用设计风速推算法较为合理可靠。表３两种不同推算方法获得如东人工岛采样点设计波要素比较（５０年一遇）注：计算方法Ｉ为历史台风天气图推算法，计算方法Ⅱ为设计风速推算法。４结论对于海岸工程设计波要素，可以应用多种方法进行推算。本文通过两种不同的方法推算海岸工程设计波要素。方法Ｉ为历史天气图推算法：利用历史天气图，摘取２０年以上的台风资料，利用ＭＩＫＥ２ｌＳｗ模型推算出台风期最大波高序列，采用极值分析的方法推求设计波要素。方法Ⅱ为设计风速推算法：依据离海岸工程最近气象站多年风速、风向实测资料进行频率分析，推求各方向不同重现期的设计风速，并进行内陆一海岸一海上风速订正，获得海上深水区域各方向不同重现期设计风速，再利用深水区风浪要素计算公式确定深水区波要素。之后把推求获得的多年一遇设计波浪要素作为浅水波浪变形数学模型的起始边界波要素，进行浅水波要素推算。最后应用极值统计方法确定近海结构物设计波浪。在进行海岸工程结构物设计波要素计算时，个人建议采用设计风速推算法进行推算，使其能够满足工程设计安全需要。参考文献：【ｌ】滕学春，吴秀杰．北部湾年极值波浪与设计波浪估算的研究阴．黄渤海海洋，１９９８，ｌＯ（１）：２７—３５．【２】滕学春，吴秀杰．莱州湾口设计波要素估算方法的研究【Ｊ】－海洋通报，１９９２，１１（２）：５８—６３．【３】张赛生．长江口地区设计波浪要素推算方法探讨Ｕ】．上海水务，２００６，２２（１）：ｌ一３．【４】王中起，刘针．秦皇岛港山海关港区３．５万ｔ级通用泊位续建Ｔ程设计波要素分析ｆＪｌ．港工技术，２００８，（３）：ｌ一３．【５】司广成，周良明，朱庆林，等．利用波浪折绕射模型和风浪成长公式计算临港重现期波要素【Ｊ】．海洋湖沼通