南通港洋口港区防波挡沙堤波浪场数值模拟及波浪要素推算

吴福林，李 艳

(中设设计集团股份有限公司， 南京 210000)

南通港洋口港区15万t航道工程位于如东人工岛的东侧，南侧为南航道及如东县临港工业区围海造陆区域。15万t级航道设计底标高为-15.8 m，满足LNG全潮通航，疏浚段长度约18 km，航道疏浚土吹填至烂沙洋南水道南侧边滩的临港工业围填区，根据需要，在临港工业围填区前沿浅滩区开辟施工期临时航道，并建设防波挡沙堤对临时航道形成掩护，为了分析防波挡沙堤建设位置的波浪传播情况，给防波挡沙堤设计提供合理的设计波浪要素。本文拟借助丹麦DHI公司开发的MIKE 21工程软件包，选择NSW模块建立三维波浪场数学模型，研究主要风向(N～NNE)下，不同波浪重现期与设计水位组合情况下工程附近海域的波浪场，并给出防波挡沙堤附近计算控制点的设计波浪要素。

图1 工程地理位置

1 波浪传播模型建立

根据工程区域四周为辐射沙脊群海域、水沙情况复杂[1～2]、研究海域广泛的特性，及以往类似工程经验，采用考虑底摩阻的缓变水深水域定常波浪变形计算数学模型[3～5]，对工程海域的波浪场及防波挡沙堤附近的设计波浪要素进行推算。

1.1 控制方程

考虑底摩阻的缓变水深水域定常波浪变形计算数学模型的控制方程[6-7]为：

1) 波周期守恒方程

(1)

2) 波数矢无旋性方程

(2)

3) 光程函数方程

(3)

4) 波作用守恒方程：

(4)

1.2 初始条件

1) 初始条件

(5)

2) 外海入射边界

φ0(x,y,t)e-iωt

(6)

3) 统一边界条件

∂Φ/∂n+BΦ=0

(7)

B=B1+iB2=

(8)

∂Φ/∂n=0

(9)

当R=0则为透射边界：

∂Φ/∂n+iksin(α*-a)Φ=0

(10)

在本文模型中，由于计算区域较大，开边界处当有波浪入射时设为入射边界，其余为透射边界，岸边界设为全吸收边界。

1.3 不规则波模拟

实际海浪包括不同频率、不同方向的组成波，基于线性随机波浪理论，不规则波可以表示成无数不同频率、不同方向组成波的线性叠加[8～9]:

kjy0sin(θp+θk)+2πfjt+εjk]

(11)

式中：ζ为波面，ajk为组成波振幅，fj为组成波圆频率，θk为组成波方向，θp为衍射波方向，εjk为服从均匀分布的随机相位。振幅ajk与波谱有如下关系。

(12)

对不规则波传播变形进行数值模拟时，将入射方向谱S(f,θ)进行频率分割与方向分割，对每个频率、每个方向的组成波分别进行模拟计算，得出该组成波在计算水域内任一点处的波高比Kfd，则水域内任意点的波高为：

(13)

式中H0为入射波高。

2 工程海域数学计算模型的建立

本工程位于南通港洋口港区，外侧为广阔的辐射沙脊群，根据工程所在海域的风况和波况特征，本次波浪数学模型研究的主要计算波向为N～NNE[10]，计算范围为171 km×135 km，外海最大水深20～25 m。其中，重现期50a、20a、10a的风浪要素[11]，如表1所示。

表1 工程区域各频率下风浪要素

根据计算需求以及以往模型计算经验，将计算工况列于表2。

3 工程海域数学模型验证

根据2008年4月到5月间在工程海域4个潮位站附近共18条垂线实测潮位、流速和流向对本文建立的工程海域三维波浪场数学模型进行率定和验证。潮位站及流速采样点见图2。

图2 潮位站及流速采样点布置图

波向工况波浪重现期设计水位计算内容N～NNE工况1工况2工况3工况450a一遇20a一遇10a一遇50a一遇高潮位设计高水位设计高水位设计高水位波高(H1%、H4%、H5%、H13%、平均波高)、波长、周期

3.1 潮位验证

对CW1至CW4共4个潮位站的潮位实测值与计算值进行比较(选择CW2为代表，其潮位验证结果见图3)，比较结果显示：

1) 每个潮位站实测28 h内的潮位波动，每小时测1个数据，每个潮位站测28个数据，共计112个数据。

2) 112个数据点中，最大潮位偏差为22 cm，平均潮位偏差为2.9 cm。误差值在5 cm范围内的数据点共有101组，占比为90.2%。误差值在3 cm范围内的数据点共有82组，占比为73.2%。

3) 在4个潮位站潮位过程的实测过程，与模拟过程中高、低潮位出现时刻最大偏差值为0.3 h，平均偏差仅0.05 h。

4) 从潮位值模拟及潮位过程模拟结果来看，计算值与实测值较为吻合，满足潮流数学模型验证的相似要求。

图3 工程海域CW2站潮位验证结果

3.2 流速、流向验证

对L1至L4共18个流速验证点的流速实测值与计算值进行比较(选择L2与L16为代表，其流速、流向验证结果分别见图4、5)，比较结果显示：

1) 每个流速验证点实测28 h内的流速、流向变化，每个小时测1个数据，每个流速验证点测28个流速数据、28个流向数据，共计504个流速数据、504个流向数据。

2) 504个流速数据中，最大流速差值比例为5.16%，平均流速差值比例为1.29%。误差比例在5%以内的数据点共有494个，占比为98.0%；误差比例在3%以内的数据点共有426个，占比为84.5%。

3) 504个流向数据中，最大流向差值比例为11.6%，平均流向差值比例为5.29%。误差比例在10%以内的数据点共有501个，占比为99.4%；误差比例在5%以内的数据点共有451个，占比为89.5%。

4) 从工程海域流速、流向模拟结果来看，计算值与实测值较为吻合，满足潮流数学模型验证的相似要求。

图4 工程海域L2测点流速、流向验证结果

图5 工程海域L16测点流速、流向验证结果

4 数学计算结果分析

将各工况下研究海域的H13%波高、波矢绘于图6，并选择若干个监测点，将各工况下设计波浪要素列于表3(由于篇幅关系，只列出5个特征点)。特征点布置见图7。

图6 各工况下H13%波高、波矢图

工况计算位置设 计 波 要 素H1%/mH4%/mH5%/mH13%/mH /mL/mT/sd/m工况1S013.17* 3.13 3.06 2.71 1.92 54.69 8.09 5.20 S033.85 3.41 3.33 2.92 2.03 59.68 8.09 6.35 S073.82* 3.49 3.40 3.00 2.09 59.33 8.09 6.26 S094.01* 3.57 3.48 3.06 2.13 60.59 8.09 6.58 S0113.66* 3.43 3.35 2.95 2.07 58.24 8.09 6.00 S0143.74* 3.36 3.27 2.88 2.00 58.82 8.09 6.14 工况2S011.76* 1.76* 1.76* 1.76* 1.29 41.79 8.09 2.89 S032.47* 2.47* 2.47* 2.27 1.63 48.82 8.09 4.04 S072.41* 2.41* 2.41* 2.38 1.74 48.34 8.09 3.96 S092.60* 2.60* 2.60* 2.45 1.77 50.06 8.09 4.27 S0112.25* 2.25* 2.25* 2.25* 1.65 46.84 8.09 3.69 S0142.34* 2.34* 2.34* 2.22 1.61 47.63 8.09 3.83 工况3S011.76* 1.76* 1.76* 1.76* 1.29 40.47 7.85 2.89 S032.47* 2.47* 2.46 2.19 1.56 47.24 7.85 4.04 S072.41* 2.41* 2.41* 2.29 1.66 46.78 7.85 3.96 S092.60* 2.60* 2.60* 2.35 1.69 48.43 7.85 4.27 S0112.25* 2.25* 2.25* 2.24 1.64 45.34 7.85 3.69 S0142.34* 2.34* 2.34* 2.14 1.54 46.10 7.85 3.83 工况4S011.76* 1.76* 1.76* 1.76* 1.29 39.59 7.69 2.89 S032.47* 2.42 2.36 2.09 1.48 46.19 7.69 4.04 S072.41* 2.41* 2.41* 2.19 1.57 45.74 7.69 3.96 S092.60* 2.60* 2.54 2.25 1.60 47.35 7.69 4.27 S0112.25* 2.25* 2.25* 2.15 1.56 44.34 7.69 3.69 S0142.34* 2.34* 2.31 2.05 1.46 45.08 7.69 3.83

注：*代表当地极限波高

分析图6及表3可知：

1) 波浪方向主要受风向及地形影响。在东北、东南等开阔海域，波浪方向基本与风向一致。在近海区域，波浪传输至固定边界后阻挡反射，并与后续传输波浪发生叠加、衍射，波浪场较为散乱。

2) 在各工况下，2.5、3、4、4.5 m等值线分布形状十分相似，范围大小有一定差异。极端组合下同一级等值线分布范围向近岸收缩。

3) 在50a一遇高潮位与50a一遇风浪组合情况下，工程区域N～NNE向H13%波高主要分布在2.5、3 m等值线范围之间，其他工况下则基本分布在2.5 m波高等值线范围内。

4) 在各工况下，防波挡沙堤的堤头位置附近波高较大；由于工程位置滩面较高，设计高水位时，各计算点处波浪基本以当地极限波高控制为主。

5) 各工况组合条件下，各向H1%最大波高均出现在S09点，在50a一遇高潮位与50a一遇风浪组合情况下， N～NNE向H1%波高约为4.01 m，对应的H13%波高为3.06 m。

6) 设计高水位与50a一遇风浪组合、设计高水位与20a一遇风浪组合及设计高水位与10a一遇风浪组合情况下，S09点H1%波高均达到当地极限波高2.60 m，而对应的H13%波高，分别为2.45 m、2.29 m和2.25 m。

图 7 特征点布设示意图

5 结论

本文建立了南通港洋口港区15万吨航道工程防波挡沙堤区域的三维波浪数值模型，分析各工况主要风向(N～NNE)下，不同波浪重现期与设计水位组合情况下工程附近海域的波浪场。分析结果显示：工程区域的波高极值为4.01 m，正常波高在1.45～1.92 m，极值风速为31.69 m/s，风浪条件较好，对防波挡沙堤堤顶要求较低。