江苏沿海滩涂围垦对近岸风浪场的影响

王晴, 李熙, 黄惠明, 王义刚

(河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室,江苏南京210098)

江苏沿海滩涂围垦对近岸风浪场的影响

王晴, 李熙*, 黄惠明, 王义刚

(河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室,江苏南京210098)

利用江苏沿海近期水深数据以及西连岛风测站1981—1998年风况资料,采用P-III曲线计算重现期风速并推求外海深水波要素,对江苏海域50年一遇设计风浪场进行了模拟计算。在模型验证的基础上,模拟计算了江苏沿海滩涂围垦规划(2010—2020年)后江苏近岸风浪场,探讨了江苏近岸50年一遇风浪场的分布特征,同时对比分析江苏近岸8个采样点工程前后50年一遇设计波要素的变化。结果表明:江苏围垦规划实施后,江苏近岸50年一遇设计波要素有减小趋势;北部近岸海域的有效波高和平均波周期基本不变,而南部近岸海域变化较大。其中,南部海域采样点有效波高最大降幅0.62 m,位于洋口港-吕四港近岸区域,采样点平均波周期最大降幅1 s,位于东沙围垦区东部;水深地貌形态和风区长度是影响江苏近岸重现期波浪的重要因素。

风浪;辐射沙脊群;波谱模型;数值模拟;滩涂围垦工程

江苏沿海海区北起苏鲁交界绣针河口,南至长 江口北支寅阳角,东临黄海。其中,辐射沙脊群特殊地貌区位于江苏沿海海域中部,沙脊呈摺扇状向海面辐射,脊槽相间分布,地形条件复杂[1-3]。该海域拥有丰富的滩涂资源,是江苏海岸最重要的自然资源之一。为了发挥江苏沿海滩涂资源丰富的优势,形成大规模的土地后备资源,江苏省发展改革委员会和江苏省沿海办联合编制《江苏沿海滩涂围垦开发利用规划纲要》,提出2010—2020年,江苏沿海滩涂规划围垦180 000 hm2[4]。

大规模滩涂围垦工程的实施,将改变江苏沿海海岸地貌(包括海岸线轮廓的改变),引起沿海水动力和海岸冲淤总体格局的变化,同时对海岸带环境产生一定的影响[5-6],因此近岸的风浪场在一定程度上也会受到影响;此外,围垦区的建立将改变周边海域的重现期设计波高值,致使其周边海域水工建筑物的安全性受到威胁;再者,对拟建围垦区实施后,江苏沿海海域波高的推算也能够为该海域后期水工建筑物的设计提供参考,因此对江苏沿海滩涂围垦规划工程实施后引起的近岸风浪场改变进行相应研究十分有必要。

文中采用MIKE 21 SW模型建立了江苏近岸风浪场,对滩涂围垦规划前后风浪场进行数值模拟,重点研究规划工程实施前后近岸区域50年一遇设计有效波高和平均波周期的变化情况,分析围垦规划工程对近岸风浪场的影响。

1 控制方程

MIKE 21 SW模块基于波作用量守恒方程,采用动谱密度N(σ,θ)描述波浪[7]。模型的自变量为相对频率σ和波向θ,动谱密度N(σ,θ)与能谱密度E(σ,θ)的关系为

在笛卡尔坐标系下,MIKE 21 SW的控制方程,即波作用守恒方程可以表示为

其中,第1项为随N时间的变化率;第2项和第3项表示N在x,y方向上的传播;第4项为由于流场和水深所引起的N在相对频率σ空间的变化;第5项为N在谱分布方向θ空间的传播;S为以能谱密度表示的源汇项,包括风能的输入、非线性波波相互作用和由于底摩擦、白浪、破碎引起的能量损耗;cx, cy,cσ和cθ分别表示在x,y,σ和θ空间的波浪传播速度,表达式分别为

式中:d为水深;U=(Ux,Uy)为流速;k=(kx,ky)为波数;s为θ向的空间坐标;m为垂直于s的坐标。

MIKE 21 SW模型中的源函数项是描述各种物理现象的源函数的叠加形式,即

其中,Sin为风能的输入;Snl为非线性波之间的相互作用;Sds为由于白帽作用引起的能量损耗;Sbot为底摩擦引起的能量损耗;Ssurf为由于水深变化引起的波浪破碎导致的能量损耗。方程采用有限体积法进行离散。

模拟过程不考虑流的作用,物理过程包括浅水破碎、底部耗散、风能持续输入下波浪的折射和绕射等。其中,SW模型的绕射作用采用Holthuijsen等[8]提出的方法。

2 MIKE 21 SW模型建立与验证

2.1 计算区域和模型地形

为了确保江苏海域风浪场的计算精度,计算范围(东经(E)119.14°～123.0°,北纬(N)30.918°～36.00°)覆盖了整个江苏沿海水域。模型采用以近岸研究区域为中心由外海向近岸逐步加密的非结构化计算网格,对于远离研究区域的外海边界区域,网格的边长约为8 000 m,近岸辐射沙脊群区域处的网格边长约为1 000 m(见图1),充分反映了江苏近岸辐射沙脊群区域的地形变化情况。该海域水深数据(85高程基准面)如图2所示,滩涂围垦规划实施后岸线和验证点(西连岛和吕四)位置如图3所示,图中1～8号点为江苏近岸风浪场主要比较分析采样点。

图1 工程前后模型计算范围及网格Fig.1 Calculation area and grid of Jiangsu nearshore before and after p roject

图2 江苏近岸海域水深地形Fig.2 Bathymetry of Jiangsu Coast

图3 工程后岸线Fig.3 Coastline of Jiangsu after project

2.2 计算条件和参数选取

2.2.1 边界条件和参数的选取 计算区域为开敞海域,外海海洋边界主要为北、南、东三侧。将等深线30 m处确定为外海边界。为减少误差保证计算精度,各个开边界均设有深水波要素参数,模型底摩阻0.01,由于计算区域内风的作用显著,故波浪破碎指标取γ=H/d=0.8,其他参数选择DHI推荐值,此种情况下验证效果最好。

2.2.2 水位条件 计算水域南、北侧设计高水位存在差距,模型的计算水位从连云港至吕四进行线性变化处理,计算水位采用50年一遇最高潮位。其中,连云港50年一遇设计最高潮位为4.05 m(废黄河口基面),吕四50年一遇设计最高潮位为5.0 m(废黄河口基面)[9],85高程基面至废黄河口基面高差为0.19 m。

2.2.3 风场条件 为了直观快速获取江苏近岸重现期风浪要素分布情况,风场输入为各方向重现期设计风速,为定常值,故模型采用定常风速。根据江苏西连岛测站1981—1998年18年风速资料,利用P-III曲线推求海上50年一遇设计风速作为江苏海上风场资料,其中,东北偏北向(NNE),东北向(NE),东向(E)和东南向(SE)海上50年一遇设计风速分别为38,41.27,41.09和32.61 m/s。

2.2.4 外海深水波要素 外海深水波要素采用与风场相同重现期有效波高以及平均波周期,利用莆田试验站公式[10]处理得到,其各方向外海深水波要素见表1(Hs为有效波高,约为H13%),与冯卫兵等[11]计算结果接近。

2.3 模型验证

根据连云港西连岛大西山海洋站(34°47′N, 119°26′E;测波浮筒处水深为平均海平面基面下8.9 m)1981—1997年实测波高(H1/10)资料以及吕四海洋站(北纬32°30′、东经121°37′,平均海平面下水深约13 m)1968—1990年实测波高(H1/10)资料,采用P-III曲线推算不同波向设计波高,并采用格鲁霍夫斯基波高经验分布换算公式[12]将H1/10(约为H4%)换算成H1/3(约为H13%),西连岛测站和吕四测站波要素,验证结果见表2、表3。

由表2、表3可知,计算得到的各个方向的波高均与实测统计值非常接近。结果表明:采用MIKE 21 SW模型建立的数学模型能够根据西连岛测站修正到江苏外海的海上设计风速推算江苏近岸风浪场,推算结果精度能够满足工程要求。

表1 江苏外海深水波要素Tab.1 W ave parameters offshore in deep water of Jiangsu

表2 西连岛波要素计算验证结果Tab.2 Verification results of waves in Xilian Island单位:m

表3 吕四波要素计算验证结果Tab.3 VerificationresultsofwavesinLvSi单位:m

3 江苏近岸风浪场模拟

根据西连岛测站实测统计风速资料,该水域强风、浪向为NNE向、NE向以及E向,故文中模型主要模拟NNE向、NE向以及E向江苏近岸50年一遇设计风浪场,其中,设计风速及设计水位均采用50年一遇值。为了便于描述围垦工程对江苏近岸风浪场的影响,文中在江苏近岸研究区域选取38个代表采样点,采样点分布位置如图3所示,具体经纬度、水深(85高程基准面)以及围垦规划实施前后的50年一遇设计波要素见表4。图4为江苏近岸采样点各方向50年一遇设计有效波高工程前后对比情况,图5为工程前各向50年一遇有效波高的分布。

表4 江苏近岸50年一遇设计波要素Tab.4 50-year return design wave param eters of Jiangsu near shore

图4 江苏近岸采样点各方向50年一遇设计有效波高工程前后的对比Fig.4 Com parison of 50-year return design significant wave height w ith sam p ling points in Jiangsu coast before and after project

图5 工程前各向50年一遇有效波高分布Fig.5 Distribution of 50-year return significant wave height of all directions in Jiangsu before project

由图5可以看出,江苏各向南北海域的风浪场分布有所不同。分析原因可知,由于江苏沿海南北海域岸线和地貌地形不同,尤其是具有特殊地貌形态的辐射沙脊群区域为波浪产生大量复杂破碎、折射的集中区域,从而导致风浪场分布南北海域差异较大。此外,由图5中工程前各向风浪场分布特征可知,北部海域风浪场等值线几乎与等深线平行,而南部海域风浪场等值线错综复杂,分布情况在一定程度下能够反映水下地形。波浪到近岸后大量破碎,从12 m等深线(85高程基准面)处的4 m左右的有效波高急速减小2 m左右。在同一风向和波浪向作用下,南、北侧近岸有效波高存在差异,在NNE向、NE向以及E向风浪作用下,西连岛海洋站附近水深小于吕四海洋站区域,而50年一遇设计有效波高却高于吕四海洋站;由表4同样可以看出,对比位于辐射沙脊群区域的6号采样点与位于北部海域的1号采样点,6号点水深明显大于1号点,而各方向50年一遇设计有效波高却小了1 m左右,因此工程点附近的水深地貌形态是影响重现期波高的主要因素之一。

比较图5中的E向与NE向风浪场分布情况,发现NE向与E向江苏近岸有效波高值存在差异;由表4可知,近岸处NE向50年一遇有效波高比E向高0.1～0.4m左右,且两个海洋测站NE向50年一遇有效波高值均最大。究其原因,不同风向波浪从江苏外海向近岸传播过程中,由于摩擦、破碎、折射和非线性相互作用致使能量耗散和转换程度有所不同。进一步分析可知,E向与NE向设计风速值基本相同,而NE向有效波高却稍大于E向有效波高,说明在风速相当的情况下,拥有更长风区长度的NE向波浪可以得到更充分地成长,故风区长度对重现期风浪的影响也不容忽视。

4 江苏沿海滩涂围垦规划工程对近岸风浪场影响

图6 工程后各向50年一遇有效波高的分布Fig.6 Distribution m ap of 50-year return significant wave height of all directions in Jiangsu after p roject

4.1 江苏近岸有效波高变化

图6为工程后各向50年一遇有效波高的分布。

对比图5和图6各向风浪场分布可知,从大范围的有效波高等值线来看,围垦工程对江苏近岸海域50年一遇设计有效波高影响不大,该水域滩涂围垦规划实施前后50年一遇设计有效波高等值线几乎一致。

比较表4中工程前后各向有效波高数值可知,江苏南部规划围垦区海域有效波高变化较大,而北部沿海规划围垦区有效波高变化较小,其中,位于江苏北部近岸海域的1号和2号采样点各个方向50年一遇设计有效波高仅增大0.01～0.03m,几乎不变。而南部海域拟建围垦区较多,尤其是辐射沙脊群区域处条子泥、高泥、东沙等围垦区的存在,有效波高受到影响的范围较大。其中,位于辐射沙脊群区域的3,4和6号采样点均受到规划围垦区影响,4号和6号采样点各方向有效波高均减小0.1 m,3号采样点E向50年一遇设计有效波高减小0.15 m,说明辐射沙脊群区域围垦规划实施后近岸有效波高有所减小,但数值变化量级很小。此外,图4反映出南部海域近岸7号采样点所受影响最大,各方向有效波高减小0.38～0.62 m,而8号点有效波高未受到影响。

分析变化原因,3号采样点因受到东沙围垦区部分掩护,E向有效波高有所减小;同时滩涂围垦规划实施后岸线形态发生变化,尤其是江苏南部海域,随着岸线推进近岸处有效波高等值线也相应地向外海推进,整体有效波高有所减小。岸线形态的变化对位于洋口港-吕四港近岸区域的7号采样点有效波高影响最大,而北部海域由于围垦规划区域较少,且分布形态多为狭长区域,对江苏北部近岸50年一遇设计有效波高影响很小。

4.2 江苏近岸平均波周期变化

江苏近岸采样点工程前后各向50年一遇平均波周期对比情况如图7所示。

图7 江苏近岸采样点各方向50年一遇平均波周期工程前后的对比Fig.7 Com parison of 50-year return average wave period w ith sam p ling points in Jiangsu coast before and after

project

观察图7可知,与有效波高变化规律基本相同,江苏近岸海域50年一遇平均波周期有减小趋势。其中,江苏南部规划围垦区海域平均波周期变化较大,而北部沿海规划围垦区平均波周期基本不变。各采样点中,1,2,6号和8号各方向平均波周期受到规划围垦区的影响很小,而平均波周期受到影响较大的是3号点的NNE向、4号点的NNE向、5号点的NNE向以及7号点的E向,其中,位于东沙围垦区东部的5号点的NNE向平均波周期减小值达到1 s。故江苏沿海滩涂围垦规划实施后,江苏近岸50年一遇平均波周期变化最大区域位于辐射沙脊群区域,位于洋口港-吕四港近岸区域的7号采样点在一定程度也受到影响。

5 结 语

文中基于MIKE 21 SW波浪模型对滩涂围垦规划前后江苏近岸风浪场进行数值模拟,在模型验证的基础上,探讨了江苏近岸50年一遇风浪场的分布特征,分析了滩涂围垦规划工程对近岸50年一遇设计波要素的影响,并提供了江苏水域滩涂围垦规划实施前后50年一遇设计波要素。

水深地貌形态和风区长度是影响江苏近岸重现期波浪的重要因素。江苏南北海域风浪场分布有所不同,北部海域风浪场等值线几乎与等深线平行,而南部海域等值线错综复杂,其分布在一定程度下能够反映水下地形。

江苏沿海滩涂围垦规划工程实施后,江苏近岸50年一遇设计有效波高和平均波周期有减小趋势。江苏北部近岸海域50年一遇设计有效波高和平均波周期基本不变,而南部近岸海域有效波高和平均波周期变化较大。其中,南部海域采样点50年一遇设计有效波高最大降幅0.62 m,位于洋口港-吕四港近岸区域;南部海域采样点50年一遇平均波周期最大降幅1 s,位于东沙围垦区东部。

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(责任编辑:邢宝妹)

Analysis on Effects of Tidal Flat Reclamation on the W ind W ave′s Field in Jiangsu Coast

WANG Qing, LIXi*, HUANG Huiming, WANG Yigang
(Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence of Ministry of Education,Hohai University,Nanjing 210098,China)

According to the recent bathymetry data of Jiangsu coast and themeasured wind data from 1981 to 1998 of Xilian Island,50-year return design wind wave′s field of Jiangsu is simulated.The wave parameters at deep waters are calculated by design wind speed.Based on the validation by the measured data,the wind wave field of Jiangsu coast after reclamation(2010—2020)is also calculated to discuss the impact of tidal flat reclamation on wind wave field in Jiangsu.The feature of50-year return wind wave field in Jiangsu coast is discussed.Specifically,8 sampling points are selected tomake a comparison between waves before and after reclamation.Results show that 50-year return design waves in Jiangsu tend to decrease.The significantwave height and average wave period keep unchanged basically in the northern waterswhile those in the southern waters change a lot.The maximum decrease of significant wave height in sampling points is0.62m,which is located between Yangkou Harbour and LvsiHarbour near shore,and themaximum drop of average wave period in sampling points is 1s,which is at the east of Dongsha Reclamation area.Besides,the distribution of bathymetry and fetch length are important influence factors on return period waves of Jiangsu.

wind waves,radial sand ridges,SW,numerical simulation,tidal flat reclamation

Email:xili@hhu.edu.cn

P 751

A

1671-7147(2015)01-0090-07

book=96,ebook=99

2014-08-12;

2014-09-03。

“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAB03B01);江苏省自然科学基金青年基金项目(BK2012411)。

王 晴(1990—),女,江苏徐州人,港口、海岸与近海工程专业硕士研究生。

*通信作者:李 熙(1970—),男,江苏南京人,副教授,硕士生导师。主要从事海洋工程技术等研究。