谱方程模型在设计波要素计算中的应用

袁 华,贾 晓,万远扬

（1.河海大学,南京210098;2.中国人民解放军东海舰队后勤部,宁波315040; 3.上海河口海岸科学研究中心,上海201201）

谱方程模型在设计波要素计算中的应用

袁 华1,2,贾 晓3,万远扬3

（1.河海大学,南京210098;2.中国人民解放军东海舰队后勤部,宁波315040; 3.上海河口海岸科学研究中心,上海201201）

为分析谱方程模型在设计波要素计算中的适用性，以长江口口内水域的设计波要素推算为例，首先利用海图数据及长江口河口段地形数据构建波浪数学模型（MIKE21-SW模块），并验证了寒潮期间南槽东测站的风浪过程。然后对长江口附近气象站风速资料进行分析，确定计算水域的设计风速。最后在验证模型适用性的基础上，计算得到特定水域的设计波浪要素。

设计波要素;谱方程模型;数值模型;SW模块

设计波浪要素推算方法经历了一系列的发展过程，从最初根据工程周边测点采用概率分布方法估算波要素［1-2］，到采用经验型风浪公式估算及采用规范及相关经验公式查验［3-4］。在20世纪90年代初期，波浪数值模型得到长足发展，国内普遍开始采用抛物型或椭圆型缓坡方程建立的折射绕射模型计算设计波要素［5-8］。自21世纪以来，部分学者尝试采用其他方法估算设计波要素［9］。

近年来，谱方程模型在国内工程领域得到广泛应用。目前常见的谱方程数值计算模型主要有SWAN（Simulating Wave Nearshore）模型及MIKE21（DHI Cop.）系列软件的SW（Spectral Wave model）模块2个。谱方程模型广泛应用于风浪计算及海浪预报方面的计算研究［10-11］，在长江口水域也有广泛应用［12］。近年来亦有部分研究人员尝试采用该类模型推算开敞水域的深水波浪要素［13-15］。

每一种数值计算模型都有其特性的适用范围及限制条件。长江口口门内河段（如南港河段）水域江面宽阔，同时受外海入射波及风生浪的影响。笔者认为谱方程模型可以较好地考虑风能输入及波浪在浅水水域的传播，故为在该种计算条件下最为适用的计算模型。

本文以长江口口门内南港南槽河段某透空高桩码头前沿设计波要素计算为例，统计得到重现期风速，采用MIKE21软件的SW模块计算得到设计波要素，并将数值计算结果与规范规定及其他常用风浪经验公式计算结果做了对比，分析了谱方程模型在设计波要素计算中的应用。

1 问题的引出

长江口水域宽广，长江口口外水域的波况已经有众多学者进行了研究，长江口口内波况的研究相对较小，近年来随着外高桥至上海南汇嘴沿江岸线资源的不断开发，长江南港及南槽内工程水域的设计波要素成为设计的一个决定因素。

本文选取的码头工程位于长江口南槽入口处，码头栈桥走向为SW—NE向，码头前沿基本沿11m等深线（85基面）布置。工程西侧与南侧均为陆地，北向受横沙岛、长兴岛、九段沙高滩地及长江口深水航道相关工程掩护，工程东南侧直面长江口南槽出海口。工程水域的地形图见图1。

图1 工程水域地形图Fig.1 Bathymetry of engineering waters

为了研究工程局部的设计波要素，故采用数学模型模拟该水域的波浪条件。并将数值模拟结果与规范规定的经验风浪公式计算结果进行对比，进一步分析谱方程模型在设计波要素计算中的适用性。

2 模型简介及验证

本文采用DHI公司开发的Mike21-SW模块构建波浪数学模型，该模块是基于非结构网格的新一代谱波浪模型，能够模拟河口、海岸地区大范围的风浪和涌浪的成长、衰减及变形，可以求解准定常和非定常波浪作用平衡方程的全谱公式和方向解耦参数公式，并可与2D/3D水流模型完全耦合，代表着目前的波浪模拟技术水平。

模型基本方程是波作用力守恒方程

方程左边第一项代表波能；第二项代表波能随地理空间的变化；第三项代表波能沿方向的变化；第四项代表波能随频率的变化；右边项代表源函数（能量的输入输出，包括波浪的成长与消散、白帽破碎效应、波-波非线性作用、底床摩擦以及波浪破碎等）。

SW模块计算稳定性及普遍适用性在世界各地的工程实践应用计算中得到了充分验证。为了验证模型输入参数的准确性，本文对2010年典型寒潮期间和台风期间南槽东测站风浪过程进行了验证。

2010年10 月下旬，长江下游地区出现时间较长的寒潮天气，期间风速在8～16 m/s，风向稳定在N—NE向。验证计算首先分析了长江口周边的气象站风速资料，通过差值得到长江口段的风场。然后利用Mike-SW模型（耦合SWEM模拟的潮位和流速影响），计算所得到的南槽东站有效波高过程线见图2，验证效果较好，尤其是从10月24日～10月27日风速较大的时刻，计算值与实测值基本吻合。

图2 寒潮期南槽东测站风浪过程Fig.2 Wind wave process at ESP station during cold spell

3 风速资料分析

本次风速资料分析基于宝山气象站、浦东机场风速、嵊泗站等风速，并适当参考周边其他气象站的资料。

根据工程具体情况，本次研究中工程水域的偏北向50 a一遇设计风速依据宝山站风速，偏北向2 a一遇设计风速主要依据浦东机场站风速；偏东方向的风速依据嵊泗站、大戢山站和芦潮港站的重现期风速。最终确定的工程水域的各方向的重现期风速（海面10 m高度），如表1所示。

表1 工程水域江面重现期风速（海面10m）Tab.1 Wind speed of return period near engineering waters

4 波浪计算及波浪场的给出

根据图1地形图可以看出，计算水域位于长江口口门内，水域明显地受到周边岛屿的掩护，横沙东滩圈围工程、横沙大道等人工建筑物亦对工程水域有一定的掩护作用；水域东南侧虽然直面长江出海口，但同时也受到南槽口拦门沙浅滩的掩护。

以设计高水位情况下N向及E向波况为例计算表明，本次拟计算工程水域受北向来风控制时，水域仅受风生浪控制；受东向来风控制时，同时受风生浪及外海涌浪影响。但受南槽出口处拦门沙的影响，涌浪对该水域的影响作用不强烈。工程水域偏东向波高和周期均略大于偏北向波高和周期。

需要指出的是，本文计算岸线边界为两级平台三级斜坡的海堤，消波作用明显，故本文计算中未引入边界反射。当存在直立式岸壁结构时，需要人为在谱方程模型中设置反射建筑物。

5 结果分析及对比

以N向及E向为例，将设计高水位条件下50 a一遇风浪数模计算结果与常用的经验公式计算结果做比较，其中风区的计算采用有效风区长度，计算方法见相关规范。比较点位置见图1-b，比较结果见表2。

通过对比可以看出，N向波要素计算结果与经验风浪公式基本接近，E向波要素因为受外海涌浪影响，计算结果明显大于经验风浪公式。

表2 工程前沿水域数值计算结果与经验公式结果比较Tab.2 Comparison between numerical results and empirical formula results

6 结论

本文研究表明，利用工程水域附近气象站多年实测风速资料分析得到的分方向重现期设计风速，利用谱方程模型计算风浪成长以及波浪的传播变形，是河口水域相关工程设计波浪要素推算的一种较为有效的方法。

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Application of spectral wave model on design wave parameter calculation

YUAN Hua1,2,JIA Xiao3,WAN Yuan-yang3
（1.Hohai University,Nanjing 210098,China;2.PLA Navy East China Sea Fleet,Ningbo 315040,China;3. Shanghai Estuarine&Coastal Science Research Center,Shanghai201201,China）

In order to analyze the applicability of the spectral wave model used in the design wave parameters calculation,the calculation of design wave parameter on Yangtze River estuary was taken as an example in this paper.Firstly,chart data and the Yangtze Delta estuary terrain data were used to establish a numerical wave model(MIKE21-SW module),and the model was verified by the real-time field data process at ESP(East of South Passage)marine station during cold spell.Then wind data at weather station near the Yangtze Estuary was analyzed,and design wave velocity on chosen waters was selected.At last,on the basis of model feasibility,design wave parameters were calculated on specific waters.

design wave parameter;spectral wave model;numerical model;SW module

TV 139.2；O 242.1

A

1005-8443（2013）04-0293-04

2012-09-07；

2012-11-12

袁华（1977-），男，硕士研究生，主要从事港口、海岸工程研究。

Biography：YUAN Hua（1977-），male，master student.