基于第三代浅水波浪模型的海区泥沙骤淤数值预报及工程应用

在 Ｃ ｒ ｓ ｎ 坐标系下 ，动谱 平衡 方程形 式 为： ａｔ ｉ ｅａ
收稿 日期 ：２０ ．６１；修 改稿 日期 ：２０ ．１ ７ ０６０ ．２ ０６１－ ２ 基金项 目： 国家 自然 科学基 金资助 项 目 （０７０ ８ ０７ ００ ４３ ６２ ， ２ ９３ ） ５
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白玉川 ，田琦 ，张胤祺
（天津 大 学 建筑工 程学 院 河流海 岸 工程泥 沙研 究室 ，天津 ３０ ７ ） ００ ２
摘
要 ：在简 要介 绍现 有近 岸波浪 数值 模型 的基 础上 ，对 应用 了最 新波 浪研 究成果 、适 用于 海岸 、湖 泊和 河 口地 区 的第三 代浅水 波
浪数 值预 报模 型的研 究和 应用 进行 了详 细论述 。通过 该模 型数值 计算 得到 黄程 山局 部 区域不 同风 向的有 效波 高分 布 ，将 模 型与海 区
在 不足 。
Ｓ Ｎ ＷＡ
波 浪数值 模型 为适用 于近岸 、湖 泊 以及河 口地 区 的第 三代 浅水波 浪数值 预报模 型 ，其 可较
全 面合理地考 虑 了波浪 的传播过 程 ：多 向不规 则波 的传播 、波浪折 射和 反射作 用 、浅 水变形 、障碍物 的阻 挡或 部分传 播作用 。该模 型还可考 虑波 浪的成 长和 消减过程 ：风成 浪作用 、 白浪的消减 作用 、水深 引起 的 破碎 作用 、海 底摩擦 作用和 ３—４个波 一 波的 非线性相 互作用 。Ｓ Ｎ ＷＡ 波浪 数值模 型边 界条件给 定也 非常 灵活 ，只 要计算域 的边 界选择 合适 ，即使只 能确 定迎浪 边界条 件也可 获得较 准确 的计算 结果 ，其用 不规 定 谱 型 的方 向谱表 示 随机 波浪 ， 使得海 浪模 拟更加 真 实准确 。其局 限性表 现为 ： 波浪 反射和绕 射模拟 不佳 ， 对 不 适宜 于模拟 反射和绕 射效 果 明显 的近岸 波浪 。
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第 ２ 卷 ６
第 ４ 期
海
洋
通
报
、 ． ６，ＮＯ４ ｂＩ ２ ．
２０ 年 ０ 月 ０７ ８
Ｍ ＡＲＩ ＣＩ ＮＥ Ｓ ＥＮＣＥ ＢＵＬＬ ＴＩ Ｅ Ｎ
Ａｕ ． ０ ７ ｇ ２０
基于第三代 浅水波浪模型 的海 区泥沙骤淤 数值预报及工程应用
２ 数值模型中物理过程 的处理
２１ 风能输 入 ． 风 能输入项 根据 Ｃ ｖｌｉ和 Ｍａ ｎ ｔ—ｉｚｌ【 Ｋ ｍｅ Ｉ 等人 的研 究结果 ，分 为线性增 长和指 ａａ ｒ ｅ ｌ ｏｅＲｚｏｉⅢ， ｏ ｎ［ｌ ａ ｔ ｌ
４
海 洋 通 报
２ 卷 ６
－
Ｎ ＋
未ｘ 未 未ｏ吾 Ｃ＋ｃ＋ ｃ Ｃ＝ Ｎ Ⅳ Ｎ
㈩
方程左 边第 一项表示 动谱密 度随 时间 的变 化率 ；第二 和三项 表示 动谱密度 在地 理坐标 空 间上 的传播 ； 第四项表示由于水深和流场所导致的动谱密度随相对频率 的变化；第五项表示动谱密度随谱分布方 向 的变化 ，亦表 示 因水深和流 场产生 的波 浪折射 。方程 右边 的 为源汇项 ，表 示 因风 能输入 、底摩 擦 、 白浪 、波 浪破碎 等所产 生 的能量 损耗和 波与 波之 间所产 生 的非 线性相 互作 用影 响。
１ 波 浪模 型方 程
在 Ｓ Ｎ 波 浪 数 值 模 型 中 ， 以 二 维 动 谱 密 度 Ⅳ（ ） 表 示 随机 波 浪 。动 谱 密 度 为 能 谱 密 度 ＷＡ ，
Ｅ ａ， 与相对 频 率 （ ） 度 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 守恒 。 之 比， 为谱 分布 方 向空 间 。 因为考 虑 到水 流 作用 ，动谱 密度 守恒 ，而 能谱 密
中图分 类号 ：Ｔ ４ Ｖ１８
文献 标识码 ：Ａ
文章编 号 ：１０．９ ２２０ ）４００ ．００ ０ １６３ （０７０ ． ３０ １ ０
近岸波 浪对近 岸海 域工程 的建 设与规 划 、能源 开发 、海 岸地 形迁移 变化有 着重 大 的影 响 ，因此 确定近 岸 区域 波 浪场 是 十分 重要 的 。 目前 预报 波 浪 的近 岸海 浪 平 面二 维数 值 模 型主 要 分 为经典 的缓坡 方程 ［ ］ １ － ３ （椭 圆型 、抛物 型 、双 曲型 ） ｏ ｓｎｓ 方程 、Ｂ ｕｓ ｅｑ ｉ 和能量 平衡方 程 。 缓坡方程 是模拟 近岸 波浪传 播变 形的高 效数 学模型 ，可 以考 虑波 浪 由外海 向 内海传 播变形 过程 中所 发 生 的波 浪浅 水变形 、折射 、绕射 、反射等 效应 ，同时 也可 以考 虑底摩 擦和破 碎 引起 的能量损耗 。缓坡方 程 的局 限性表现 为 ：数值求 解相对 比较 复杂 ，计 算工 作量大 ，计 算效 率低 ；至少 要求给 定入射 和侧 边界条件 ， 否则将 导致计 算结果 不准确 ；未 能考 虑 白浪损 耗 、风 能摄 入等过 程 ；不 适用 于地形变 化 急剧 的复 杂区域 。 Ｂ ｕｓ ｅｑ 方程可 以考虑 波浪 浅水变 形 、折射 、绕射 和反射等 机理 ，其局 限性主要表 现 为 ：为二 维非线性 ｏ ｓｎｓ ｉ 浅水波方程 ，对水 深的适用 范 围有 所 限制 【；求解计 算量大 ，只适用 于小 范 围区域 ；要求给 定 闭合 边界条 ｏ Ｊ 件 ，而实 际工程 中很难完全 做 到，因此 极易 导致计算 失真 ；在波 能损 耗和 波与波 之 间相互作用 的处 理上存
泥沙骤 淤 机理相 结合 ，进 而得 到整 个区 域平均 含 沙量 的分 布，并 数值 预报近 岸 区域骤 淤 量随 时间 的变化 ，研 究成果 可 为海 区大风 浪 情况下 骤淤 预报提 供理 论指 导 ，本 文最后 讨论 了泥 沙骤淤 计算 模型未 来发 展的趋 势 。
关键词 ：Ｂ ｕｓ ｅｑ方程 ：缓坡 方程 ；第三 代浅水 波浪 数值 预报模 型 ；骤淤 ｏｓｉ ｓ ｎ