以长周期涌浪影响为主的海域近岸极值波浪推算方法

王科华，张军（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东　广州　510230）

以长周期涌浪影响为主的海域近岸极值波浪推算方法

王科华，张军
（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东广州510230）

西非的几内亚湾属长周期涌浪作用为主的海湾，与国内沿海极值大浪受控于台风浪的情况不同，几内亚湾的极值大浪同样为长周期涌浪。在对此类海域进行近岸极值波要素推算时，国内普遍采用的台风浪的计算模式并不适用。为给长周期涌浪影响为主海域近岸极值波要素的推算提供方法参考，依据DHI公司在西非区域开展过的若干码头项目波浪整体数学模型试验报告，归纳总结出其近岸极值波要素推算最常采用的两种方法，并建议取该两种方法计算结果的平均值作为设计值。

长周期涌浪；极值波浪；近岸；波要素；推算方法

0　引言

西非的几内亚湾属于长周期涌浪影响为主的海湾，该海湾西起利比里亚的帕尔马斯角，东止加蓬的洛佩斯角，几内亚湾沿岸国家分布及大范围水深地形图见图1[1]。

几内亚湾虽存在“飑线”这样的极端天气现象，但并没有台风。“飑线”是指排列成带状的雷暴群，亦称“不稳定线”或“气压涌升线”，是一种范围较小、生命史较短、气压和风的不连续线，属中尺度天气系统之一，其宽度由几百米至几十公里，过境时间由几分钟至2 h[2]。几内亚湾“飑线”瞬时最大风速超过25 m/s，在开阔海域由“飑线”产生的小风区浪100 a一遇有效波高Hs约为1.5～2.0 m。

源自南大西洋高纬度地带（主要为南纬40°～60°范围）的温带气旋产生的经长距离传播的偏S—SW向长周期涌浪控制着整个几内亚湾海域，南大西洋波浪传播示意图见图2。

1　波浪特征分析

以尼日利亚拉各斯离岸35km处（水深：-686m）WANE波浪后报数据（1985—1999年3 h间隔连续波浪时间序列）为代表来分析几内亚湾波浪特征。WANE是Oceanweather公司WAX（West Africa Extremes）西非海岸联合工业项目的后续研究单位，主要提供风和波浪等气象水文数据。WANE包括15 a的连续后报资料，模型精度为0.312 5°N× 0.625°E（36 km×70 km），覆盖整个南大西洋[3]。

该站年平均有效波高 Hs为 1.2～1.3 m， 1985—1999年有效波高Hs的变化幅度在0.5～3.2 m之间，波向集中分布在S-SSW向，谱峰周期Tp分布在6～22 s之间，如图3、图4所示[3]。

图1　几内亚湾沿岸国家分布及大范围水深地形图Fig.1　Countries along the Gulf of Guinea and large-scale bathymetry of the Gulf

图2　南大西洋波浪传播示意图Fig.2　Schematic diagram of wave propagation in South Atlantic Ocean

图3　WANE数据有效波高（Hs）波玫瑰图Fig.3　Wave rose of significant wave heights Hsin WANE data

2　近岸极值波浪推算

国内东南沿海的极值大浪基本为台风浪，在进行近岸极值波要素推算时，普遍采用以下方法：

1）模拟最近30 a以上对工程区域影响较大的每场台风产生的台风浪。

2）根据每场台风产生的台风浪在外海选取若干个代表点（外海代表点水深一般取-20～-30 m）。

3）分方向提取并统计该代表点位置的最大有效波高及其对应周期、波向样本。

图4　WANE数据有效波高与谱峰周期散点分布Fig.4　Scatter diagram of significant wave height Hsvs.peak wave period Tpin WANE data

4）基于该样本，采用频率统计法统计外海各方向、各重现期波要素。

5）将统计得到的外海波要素作为边界条件组合同频率的“风能输入”及“水位”通过数学模型的方式推算到工程位置。

对于几内亚湾这样不受台风影响且以长周期涌浪作用为主的海域，上述方法并不适用。本文基于DHI公司为我院承担的西非区域若干码头项目波浪整体数学模型试验研究成果，对其近岸极值波要素的推算方法进行简要总结。

2.1深水波要素的获取

由于涌浪从其发源地到影响区域，传播距离有数千公里，在缺乏长期波浪观测资料的前提下，如果针对某一特定的项目建立一个大范围的波浪数学模型，在时间费用上不划算，同时验证困难、成果可信度低。目前一般采用的方法是从已经建立好的、经充分验证并广泛应用于工程实例的全球波浪模型数据库中提取或者购买长序列波浪资料（比如：20 a以上3 h间隔有效波高Hs、谱峰周期Tp、平均波向Dir等连续时间序列）。知名度比较高的有Oceanweather Inc.、ECMWF（European CentreforMedium-Range WeatherForecasts）、NOAA’s CFSR（Climate Forecast System Reanalysis）model、GWM（DHI’s Global Wave Model）等，河海大学也建立了HHU南大西洋海浪后报模型。

由于全球波浪模型采用的计算网格普遍较大，外海深水波要素的提取点离岸一般有数十公里，水深可达几十米甚至数百米。

2.2深水到近岸极值波要素的推算

近岸水工建筑物（防波堤、护岸等）前的设计波浪要素推算，DHI主要采用两种不同的方法进行。结合该两种方法的优缺点来减小计算成果的不确定性，从而给出合适的结果。

方法一，分为3步：

1）基于全球波浪模型数据库提取的外海长期波浪连续时间序列数据（比如：20 a以上3 h间隔有效波高Hs、谱峰周期Tp、平均波向Dir以及同步的风速、风向等），采用频率统计的方法得到外海不同方向、不同重现期极值波浪要素。

2）用大范围粗网格波浪传播模型将外海的极值波浪要素（例如100 a一遇波浪要素）模拟计算到近岸（比如：-15～-20 m水深）位置。

3）将该近岸位置波浪要素作为精细网格局部波浪模型的边界条件，再用精细网格局部波浪传播模型将极值波浪要素模拟计算到水工建筑物前。

该方法组合的“风能输入”需要通过相关分析来选取，如果波浪与风的相关性好，宜采用同频率的风速及其对应风向来组合；如果波浪与风相关性差，一般采用年平均风速及其风向。这样可以避免人为地提高“波浪+风”联合事件的重现期。同样地，与“水位”的组合也需要通过相关分析，处理方法与处理“风能输入”相同。图5[4]为DHI采用本方法计算得到的阿比让港近岸SSW向100 a一遇重现期Hs波高等值线图。

图5　阿比让港近岸100 a一遇SSW向（有效波高Hs）波高等值线图Fig.5　Isogram of significant wave height Hswith a return period of 100 years for Abidjan Port(wave direction:SSW)

方法二，分为4步：

1）用大范围粗网格波浪传播模型将外海长期波浪连续时间序列数据直接作为边界条件逐一计算传播到近岸，得到近岸（比如：-15～-20 m水深位置）对应的长期波浪连续时间序列数据。该方法组合的风速、风向及水位为每个时间间隔点与波浪同步的风速、风向及水位。

2）从近岸长期波浪连续时间序列数据中挑选出一系列“峰值”（“峰值”为某个时间段内的最大值，以下命名为“events”），图6[4]标识的粗黑点为从时间序列中挑选出的events。

图6　阿比让港近岸有效波高Hs连续时间序列Fig.6　Continuous time series of significant wave height Hsat nearshore of Abidjan Port

3）将挑选的events作为精细网格局部波浪模型的边界条件，再用精细网格局部波浪传播模型将每个event计算传播到水工建筑物前。在进行events波浪要素计算时，组合的风速、风向及水位为每个event同步的风速、风向、水位。

4）基于每个event计算的波浪场，提取水工建筑物前对应位置的波要素作为统计样本，最后采用频率统计的方法得到水工建筑物前不同重现期、不同方向极值波要素。

2.3推荐取值及优缺点对比

上述两种方法最终得到的成果均为近岸水工建筑物前极值波要素，计算结果往往会存在差异。

比如DHI在进行阿比让港波浪数模计算时，采用上述两种方法计算得到的防波堤堤头位置设计波要素就不同。采用方法一计算得到的西防波堤堤头位置（堤头位置见图7[4]）100 a一遇有效波高Hs=5.7 m，谱峰周期Tp=18.3 s；采用方法二计算得到的西防波堤堤头位置100 a一遇有效波高Hs=5.0 m，谱峰周期Tp=19.8 s[4]。最后波高推荐采用两种方法计算结果的平均值，周期采用方法二的计算结果。

对于方法一，主要优点是计算工作量少，但存在以下风险点：

1）最开始就采用频率统计的方法求出极值波浪要素，而极值波要素是个“理论值”，而不是“实际值”，极值大波在近岸传播过程中，某类地形会使其加大明显于平常浪，而其他类地形会使其衰减明显于平常浪。该法一开始就统计出极值大波，推算到建筑物前易出现偏离真实值的情况。

2）组合“风能输入”与“水位”时，需要进行相关分析。自然情况往往是波浪与风、波浪与水位既不完全相关，也不完全独立，很难给出能真实反映实际情况的组合，这样就会存在人为降低或者加大重现期的风险。

对于方法二，近岸波浪推算直接采用的连续时间序列数据及“events”均为“实际值”，最为真实的反映自然情况，而将按频率统计求出极值波要素这一步放到最后，这样就可以避免方法一的第一条风险。方法二组合的“风能输入”及“水位”均为同步数据，无需相关分析，反映的是自然组合，这样可以避免方法一的第二条风险。

方法二的缺点就是计算工作量大，但随着计算机计算能力的提高，可以逐渐克服。

对于工程设计的取值，既要真实反映实际情况，又要留有一定的富余，一般建议采用上述两种方法计算结果的平均值。

3　结语

图7　阿比让港近岸水深地形图Fig.7　Nearshore bathymetry of Abidjan Port

在进行近岸水工建筑物前设计波要素推算时，首先须分析工程海域波浪特征及相关自然条件，了解极值波浪产生原因，不同成因宜采用不同的计算方法。对于长周期涌浪影响为主海域，极值大波并不由台风产生，条件允许可同时采用本文总结的两种方法，最后推荐取两种方法计算结果的平均值作为设计值。

[1]河海大学.加纳2x350 MW超临界燃煤机组电厂码头波浪整体数学模型计算研究[R].南京：河海大学，2015.

Hohai University.Wave mathematical model study for Ghana-2x350 MW supercritical coal-fired power plant terminal[R].Nanjing:Hohai University,2015.

[2]DHI.Evaluation of wave conditions at deep water port of Kribi, Cameron[R].Denmark:Danish Hydraulic Institute,2011.

[3]DHI.Port of Lekki-Evaluation and assessment of wave conditions [R].Denmark:Danish Hydraulic Institute,2014.

[4]DHI.Abidjan port expansion,Côte d′Ivoire wave modelling[R]. Denmark:Danish Hydraulic Institute,2014.

Methods for determination of Nearshore extreme wave for sea areas dominated by long period swells

WANG Ke-hua,ZHANG Jun
（CCCC-FHDI Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510230,China）

The Gulf of Guinea in West Africa is dominated by swells,extreme waves are also characterized by this kind of wave,and it is different from that along the China coast for which extreme waves are induced by typhoon.When determining the design wave parameters for such sea areas that dominated by swells,study approaches for the typhoon waves are not suitable.In order to provide methods as reference for the calculation of nearshore extreme wave along swell-dominated coasts,two of the most used methods are summarized according to the wave study reports performed by DHI for ports in West Africa,and then finally the average of the calculated values from these two methods is recommended for designs.

long period swell;extreme waves;nearshore;wave parameters;calculation method

U652.3；P731.22

A

2095-7874（2016）08-0011-05

10.7640/zggwjs201608003

2016-02-03

2016-04-25

王科华（1982— ），男，湖南衡阳人，工程师，水文与水资源工程专业，主要从事海岸工程水文泥沙研究。E-mail：wangkh@fhdigz.com