应用MIKE 21 BW模型分析航道对波浪传播的影响

徐俊锋，方春明，黄烈敏，凃 洋

（中国水利水电科学研究院 泥沙研究所，北京 100048）

波浪是海洋中最常见的现象之一，是影响港口结构物安全的主要因素。波浪在传播过程中遇到结构物、变化的地形会发生反射、折射、绕射等现象。港口工程中，通常建造防波堤来掩护港池内部不受波浪的直接作用，并开挖港池和航道以满足船舶的通行和使用要求。由于开挖航道处的水深突然发生变化，波浪传播到此处时发生明显的折射现象。在不同的条件下，航道对波浪的折射作用不同，航道内外波高变化也不同。比如，在波浪入射方向与航道方向平行时，直接传播进入港池内部的波浪发生明显衰减，这对港内泊稳是有利的，但是被航道折射出去的波浪和航道外的波浪叠加，发生波能集聚，使某些区域的波高增大而发生结构物被破坏的现象；当波浪与航道成一定角度入射时，航道外的波能集聚现象会减弱，但航道对航道内部波浪的衰减作用会减弱，通过航道进入港池内的波能会增大。因此在港口工程中必须考虑航道对波浪传播的影响。

近些年来，中国的港口工程建设在蓬勃发展，越来越多的港口在扩建，已有的航道和港池都需要加深开挖，因此航道对波浪传播的影响引起了越来越多专家学者的重视。航道对波浪传播影响的研究通常采用数值模型的方法，例如基于抛物线缓坡方程的方法［1］，基于Boussinesq方程的方法［2］以及物理模型和数学模型相结合的方法［3］，同样成熟的数学模型软件在研究中也发挥了很大的作用，例如赵海涛等人采用SWAN模型分析航道对波浪传播的影响［4］，赵智帮等人采用MIKE 21模型进行了初步研究［3］。由于缺乏航道和港池的详细资料本文采用了概化的航道和港池，研究的重点是通过改变航道参数进行各因素计算分析，这一概化模型在一定程度上可以反映出航道对波浪传播的影响。

MIKE 21 BW波浪模型由丹麦DHI开发，模型基于Madsen和Sørensen［5］提出的改进的Boussinesq方程数值解，经过多年的验证和比较，BW模块可以很好的计算和分析港口、码头等小面积波浪场中的中短、长周期波的相互作用，浅水变形、折射、绕射和反射等各种波浪现象。由于BW模型的精确性高，被广泛的应用在港口泊稳的数值计算上，模型控制方程见文献［6］。

航道内外水深比的变化一般由两个原因造成的，一种是人工改变开挖航道的水深，另一种是水位的变化。一般情况下，在工程建好后不会人工改变航道的开挖深度，因此最主要的影响水深比变化的因素就是水位的变化。水位升高使航道内外水深比减小，水位降低使水深比增大。模型设置为：航道宽280m，航道边坡1∶32，设计波高Hs=3m，谱峰周期Tp=9s，工程区水深为10m，航道开挖水深为15m，计算域约5km×4km，计算网格尺寸为4m×4m。防波堤前反射系数设为0.5。入射波采用多向不规则波，分别从W向和WSW向入射，多向波与主波向的最大偏差为30°。造波线位置距离口门约3.2km。分别在距离造波线1km、2km、3km处以及港池内部靠近口门的位置各取一点作为测点，模拟地形及测点位置见图1。计算水位分别为0m、3m和5m，相应航道内外水深比分别为1.5、1.38和1.33。

图2、表1分别为不同工况下计算域内有效波高分布图以及航道内外不同水深比条件下测点的比波高值。从图2可以看出，随着水位的增加，水深比减小，航道对波浪的折射作用减弱，通过航道进入港池的波能逐渐增加。根据表1的结果，各测点的比波高随水深比的减小而增大。这说明航道内外水深比越大，航道对波浪的折射作用越强，航道内波能衰减越强，通过航道直接进入港池的波能就越少；相反，航道内外水深比越小，通过航道进入港池内的波能越多。

表1 不同航道内外水深比条件下的各测点比波高值

计算航道宽度对波浪传播的影响时模型的入射波浪和模型输入参数、计算域范围、入射和测点位置与上相同。图3、表2分别为不同工况下计算域内有效波高分布图以及航道不同宽度条件下测点的比波高值。从图3可以看出，由于航道宽度逐渐增加，航道对波浪的折射作用减弱，通过航道进入港池的波能逐渐增加。根据表2的结果，各测点的比波高随航道宽度的增大而增大。这说明航道越宽，航道对波浪的折射作用越弱，通过航道直接进入港池的波能就越多；相反，航道越窄，航道对波浪的折射作用越强，通过航道进入港池内的波能越少。

表2 不同航道宽度条件下的各测点比波高值

计算航道边坡坡度对波浪传播的影响时模型的主要设置同上，航道边坡坡度分别为1∶5、1∶30、1∶50和1∶100。波浪从W向入射。图4、表3分别为不同工况下计算域内有效波高分布图以及航道不同边坡坡度条件下各测点的比波高值。从结果上看，航道边坡坡度越缓，航道内比波高值越大，这说明随着边坡坡度的减缓，航道对波浪的折射作用减弱，通过航道直接进入港池的波能就越多。特别是在坡度小于1∶30后，航道坡度越缓，航道对波能的衰减作用减弱的越明显。

计算波浪入射角对波浪在航道区域传播的影响时波浪分别从0°、10°、30°和45°向入射。图5、表4分别为不同工况下计算域内有效波高分布图以及不同波浪入射角条件下各测点的比波高值。从图5和表4中P4点的比波高可以看出，由于入射方向的不同，波浪进入港池内部后的传播现象也变得复杂，由于波浪传播方向的不同，以及绕射、反射等波浪现象的混合作用，港内波高分布呈明显的差异。总体来说，波浪入射方向与航道之间的夹角越大，穿过航道的波能就越多，航道内比波高就越大，当波浪入射方向与航道方向平行时（0°夹角），航道内波能衰减现象最为明显。波浪斜向入射时迎浪侧的比波高最大，航道内次之，背浪侧最小。

表3 不同航道边坡坡度条件下各测点比波高值

表4 不同波浪入射角条件下的各测点比波高值

本文通过采用MIKE 21 BW模型模拟不同条件下航道对波浪传播的影响，得到如下几点结论：

（1）因波浪的绕射和反射作用较折射作用不明显，航道内外水深比与航道对波浪的折射作用近似成正比关系。水深比越大，波浪的折射作用越强，进入航道内波浪从航道两侧折射出去的波能越多，这对港池两侧的防波堤的安全不利，而对港池内泊稳有利。

（2）同样，因波浪的绕射和反射作用较折射作用不明显，航道宽度与航道对波浪的折射作用近似成反比关系。航道越宽，航道对进入航道内波浪的衰减作用越弱，折射出航道的波能越少，这对防波堤的安全有利，而对港池泊稳不利。

（3）航道边坡坡度也影响航道对波浪的作用，坡度越小，航道内比波高值越大，航道对波浪的折射作用减弱，特别是在坡度小于1∶30后，航道坡度越小，航道对波能的衰减作用减弱的越明显。

（4）波浪传播方向与航道走向的夹角越小，航道内波浪衰减越剧烈，通过航道直接进入港池内的波能就越小，对港池的影响也就越小，从而有利于泊稳条件。与其他传播方向相比，当波浪传播方向与航道走向平行时，航道对直接进入航道内的波浪的衰减作用是最强的，对泊稳是最有利的。波浪斜向入射时迎浪侧的比波高最大，航道内次之，背浪侧最小。因此，波浪斜向入射时应重视迎浪侧波能集中区防波堤堤头高度和强度的设计。

［1］左其华，杨正已.航槽对不同入射角波浪传播的影响［J］.水运工程，1996（1）：1-8.

［2］李思源，白志刚，王广聚.减少航道外波浪集聚对策研究［J］.海洋技术，2002，21（3）：56-61.

［3］赵智帮，刘子琪，孙精石.深水航道对波浪传播影响规律的研究［J］.中国港湾建设，2001（6）：9-15.

［4］赵海涛，张亦飞.应用SWAN模型分析航道对波浪传播的影响［J］.海洋学研究，2008，26（3）：44-52.

［5］Madsen P A，Sørensen O R.A new form of the boussinesq equations with improved linear dispersion characteris⁃tics［J］.Part 2：A Slowly-varying Bathymetry.Coastal Eng.1992，18：183-204.

［6］MIKE 21 BW Scientific documentation［M］.Denmark：DHI，2007.