杭州湾秦山水域设计波浪数值模拟

胡金春,杨 群,黄世昌,吴修广

(1.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020;2.浙江省钱塘江安全应急中心,浙江 杭州 310020)

1 问题的提出

波浪是河(海)岸工程设计中重要环境条件之一,工程建设中推求设计波浪的基本途径有2种,一是利用工程附近水文观测台、站处的实测波浪资料进行推算,此途径要求波浪资料要有一定的年限,同时台、站处波浪资料有良好的代表性;二是利用当地气象台、站历年风况资料间接推求设计波浪,此途径除对风况资料的年限和代表性有一定的要求外,一般仅适用于受外海浪影响较小的封闭或半封闭水域。

根据杭州湾地理、波浪特点及测站布置情况,同时采用上述2种途径,结合SWAN波浪传播模型,进行秦山水域设计波浪的数值模拟和分析,并对计算方法适用性进行了探讨,得到的计算成果可作为秦山水域工程设计波浪取值的参考,所用计算方法和模型可供类似计算借鉴。

2 研究区域

秦山位于杭州湾北岸的海盐县,平面位置上靠近湾顶附近,此区域分布有秦山核电海堤、电厂取排水口、码头等重要涉水工程。杭州湾系钱塘江入海的河口湾,湾口南汇至镇海宽达100 km,湾顶澉浦至西三宽约20 km,总水域面积约5000 km2,平均水深8～10 m。杭州湾口外舟山群岛密布,对湾内水域形成掩蔽作用 (见图1)。杭州湾北岸深槽东起金山,西至秦山—杨柳山,全长54 km。沿程水深变化较大,最浅处在海盐附近约6 m,最深处在乍浦深潭可达50 m以上,平均水深约10 m,秦山水域位于北岸深槽的末端,局部地形较为复杂。

图1 研究区域示意图

杭州湾内有乍浦、庵东、海盐等气象站,根据乍浦气象站多年实测风资料统计:①该区域全年常风向为E-SE,强风向和常风向基本一致,为ENE-ESE;②海区具有明显的季风气候特点,11月至次年2月以NW-N风向为主,3月至8月以E-SE风向为主;③实测风速不大,多年平均风速为3.4 m/s,实测最大风速不论定时还是自记最大风速均发生在台风过程中,其中定时最大风速为20.0 m/s,发生于1956年8月2日的 “5612” 台风过程中[1]。

杭州湾内长期波浪观测站有乍浦、滩浒和海盐3处。秦山水域近岸处于1995年7至10月也曾设过临时波浪观测站,根据这几天2站同步资料,秦山近岸常浪向和强浪向与下游21 km乍浦站基本一致[2]。据乍浦站1991年至1997年实测资料统计,全年常浪向为E和NW,强浪向为E和ESE;1.5 m以上波高仅占0.6%,多年最大波高＞2.5 m的方位在E-ESE,出现在夏季1997年11号台风过程中,8月18日实测最大波高3.5 m,对应周期7.2 s,波向ESE;从类型上看,测站附近水域的波浪基本上为风浪,涌浪所占比例仅1.4%。

3 计算方法和模型

3.1 计算方法

综合波浪测站地理位置和资料的代表性,以乍浦站的实测资料通过波浪变形计算来推求秦山水域设计波要素是一个较为可靠的方案;同时,由于口外舟山群岛掩蔽作用,杭州湾内以局地风浪为主,外海涌浪难以传入,故研究区域也适用以当地丰富的风速资料进行风浪计算的方法。考虑采用上述2种途径进行计算,即:

(1)秦山水域局部范围建立波浪传播数学模型,利用乍浦站实测波浪资料的统计值作为边界波要素,再经过波浪传播变形计算至近岸区(以下简称方法1);

(2)在整个杭州湾水域建立大范围风浪成长传播数学模型,利用杭州湾设计风速直接推求近岸设计波要素(以下简称方法2)。

3.2 数学模型

采用SWAN模型建立风浪成长传播模型,该模型是TU Delft大学推出的第3代浅水波浪成长数学模型,基于波作用量守衡方程(无流时简化为谱能量平衡方程),可以用来计算近岸海域风浪的产生、成长以及传播,在国内外得到了广泛应用。

SWAN模型中,采用二维波作用量 N(σ,θ)来描述波浪性质,其作用量平衡方程为:

式中:左起第1项为波作用量随时间的变化项;第2、3项为波作用量的空间对流项;第4项为由于水深变化和水流作用造成的波作用量在频域上的变化;第5项为折射项;Cx、Cy、Cσ、Cθ分别为 x、y、σ、θ空间上的群速,S 为源项;S=SW+Sn+Sd+Sf,Sw、Sn、Sd和Sf分别代表由风产生的能量输入、波— 波间非线性相互作用、破波耗散、床底损失;N(σ,θ)=E(σ,θ)/σ,E(σ,θ)-能量密度谱,σ为相对频率(Hz),θ为波向角(°)。

3.3 计算条件和模式设置

根据研究区浪向特点,选取乍浦站1967—1997年实测资料中ENE-E、E-ESE、ESE-SE三个波向组资料,经频率分析后得到该站各向设计波要素(见表1)。风速站中由于滩浒站位于杭州湾中部,较好地代表了杭州湾大面风场特点,对该站建站起至1999年共22 a资料进行频率分析后,确定该站重现期设计风速值作为研究区风浪计算的输入值 (见表1)。

表1 计算边界条件 (100 a一遇)表

方法1中的局部模型计算范围见图2,入射边界东边界通过乍浦波浪站,基本沿等深线方向布置,网格步长为50 m;方法2大范围模型计算范围基本包括整个杭州湾水域,该范围Y方向为正北向,粗网格步长为300 m,近岸区局部范围加密至50m。

图2 方法1波浪传播模型计算范围图

4 计算结果分析

方法2计算范围较大,可以反映研究区域设计波浪整体分布情况,部分方向计算结果见图3。杭州湾风浪呈现出较明显的成长过程,100 a一遇H13%的4 m等值线贴近北岸乍浦—秦山一线,近岸后由于局部地形的影响,波浪开始衰减,且波向在堤前有一定的偏转。

乍浦波浪站位于方法2计算范围内,在乍浦站测波浮筒位置处自大范围风浪数模中取值与该站根据实测波要素统计结果进行对比,结果表明,数模计算值与实测波要素统计值符合良好,各方向二者H13%之差仅为0.1～0.2 m,在一定程度上反映出边界风、浪资料的取值较为合理,具有良好的代表性,同时也表明SWAN模型在杭州湾适用性较好,能有效模拟风浪成长特性。

图3 方法2100 a一遇设计波要素分布图(H13%)

在秦山沿岸海堤前沿自南向北取A、B、C三个计算点,2种方法所推算堤前滩地波要素的对比见表2。由表2可见,秦山沿岸堤前各向100 a一遇 H13%大致为1.6～3.2 m,2种方法推算的结果总体上较为接近。二者的相互校验结果也体现了秦山水域设计波要素计算中方法1和方法2的适用性。

表2 2种方法推算的堤前波要素对比表 (100 a一遇)

5 结 语

根据研究结果,以乍浦站波浪资料通过波浪变形计算和以风速资料进行风浪成长、传播计算的方法均能较好地适用于杭州湾秦山水域设计波浪的计算,该例中由于乍浦波浪站离研究区较近,因此以方法1“浪推浪”的方式得到的设计波要素理应更为可靠,但在波浪测站资料无法延续或较难取得的情况下,方法2就体现出其应用价值。

[1]唐子文.浙江省历史台风资料分析专题报告[R].杭州:浙江省水利河口研究院,2006.

[2]伍冬领.秦山核电扩建项目方家山厂址海洋水文分析研究[R].杭州:浙江省水利河口研究院,2004.