风暴潮对港口水陆域及航道安全影响研究

离岸深水港口建设关键技术研究课题之三

风暴潮对港口水陆域及航道安全影响研究

报告简本

1. 概述

风暴潮（Storm Surge）系指由于强烈的大气扰动（强风和气压骤变）引起的海面异常升降现象。风暴潮发生时除了强风浪破坏外，还会引起港域强烈的增、减水效应（潮位的大幅度升降）和强烈的水流、波浪和泥沙运动，同时泥沙运动会可能会引起港口、航道的泥沙骤淤。离岸深水港建设是我国“十一五”水运规划建设的重点课题之一。开发离岸深水港和人工岛建港是我国港口规划和建设的重要任务之一。港池、航道的开发是港口建设的重要环节，近几十年来除了少数天然深水港外，我国大部分港口、航道都采取浅水深用的办法，如天津港、唐山港京唐港区、黄骅港、连云港、汕头港、上海港、厦门港和广州港等，通过人工疏浚来维持港口港池、航道和外航道的通航水深，但通航水深的维护受到水文泥沙等自然条件的制约，特别是风暴潮引起的强烈泥沙骤淤及增、减水问题是我国港口深水航道通航安全中的极大隐患。

风暴潮引起的强烈的泥沙骤淤是我国港口深水航道通航安全中的一大隐患，进行风暴潮对港口水陆域安全影响课题的研究非常必要，许多科学问题需要解决，有待解决的技术问题：

(1) 风暴潮与波浪联合作用对离岸深水码头水陆域高程确定的影响。

(2) 典型海岸风暴潮和台风浪作用下泥沙悬浮、沉降过程，泥沙输移特性和输沙规律；典型港口、深水航道骤淤的形成条件。

(3) 风暴潮引起的深水港航道增、减水的数值模拟技术，风暴潮和台风浪联合作用下的泥沙数值模拟技术。

(4) 风暴潮作用下典型港口、航道泥沙骤淤的物理模型模拟技术及预报方法。

(5) 结合依托工程的深水港口、航道风暴潮骤淤的防淤与减淤措施。

2 主要研究内容

项目分五个课题进行研究，各专题研究内容见图3-1。

专题一：国内典型港口、航道增、减水及骤淤类型和骤淤特性的调查研究

专题二：风暴潮和台风浪联合作用对码头水陆域高程确定影响的研究专题三：风暴潮增、减水预测及风暴潮和台风浪联合作用下泥沙运动数值模拟的关键技术研究

专题四：风暴潮和台风浪联合作用下泥沙运动特性及骤淤规律的研究专题五：典型港口风暴潮骤淤物理模型模拟、预测及防淤、减淤措施的研究

3实施方案

(1) 通过实地调研、文献资料收集工作掌握大量一手、二手基础资料，进一步明确研究背景和研究基础，并提供部分验证资料。

(2) 采用系统分析方法，形成国内现有有关风暴潮骤淤和增、减水影响，以及减淤防灾对策最为完整系统的总结报告。

(3) 采用现场调查、码头断面波浪水槽的模型试验和理论分析相结合的技术路线研究风暴潮和台风浪联合作用对码头高程确定的影响（在现场调查时，注重进行地形和水文资料的收集与整理）。

(4) 采用中国近海风暴潮数学模型、渤海数学模型、研究区域的局部数学模型和依托工程的局部数学模型多重嵌套的方法实现依托工程的风暴潮增、减水模拟预测。结合相关课题的研究，建立依托工程海域风、浪、潮流作用下的泥沙数学模型，模拟风暴潮作用下的泥沙运动，对典型的泥沙骤淤过程进行验证。检验整治工程的整治效果，总结依托工程风暴潮骤淤的模拟原则及方法。

(5) 通过概化的水槽试验研究，研究细粉沙泥沙在波流共同作用下起动、悬浮过程及水体含沙量的分布特征，破波掀沙及其水体含水量的分布规律，探讨破波掀沙的特点，研究浪、流复杂动力特别是破波条件下，泥沙起动及其水体含沙量的分布规律。结合现场和物理模型试验资料，进一步分析风暴潮和台风浪的复杂动力条件与泥沙输移之间的关系。通过水槽试验研究，探讨风暴潮和台风浪的复杂动力条件下，典型港口、航道泥沙骤淤的规律。

(6) 重点研究粉沙质海岸的骤淤规律。根据上述各专题中对水动力和泥沙运动特性的研究成果，结合典型港口骤淤的实测资料，对骤淤形成的水动力条件、泥沙运动条件和港口工程布置等进行综合分析，探讨骤淤形成的规律。

(7) 根据淤泥和粉沙质两类海岸港口的骤淤规律，研究相应的骤淤预报方法及防淤、减淤的工程措施。其中对淤泥和淤泥粉沙质海岸

重点研究风暴潮（强潮大浪）作用下的破波含沙量的分析计算方法和回淤计算方法；对细沙粉沙质海岸重点研究破波带的复合沿岸输沙率（波生沿岸流和风暴潮潮流共同作用）的计算方法等。

(8) 根据淤泥粉沙质和细沙粉沙质海岸港口、航道的骤淤规律及预报方法，结合依托工程有针对性地对典型港口外航道预防和减少风暴潮骤淤的工程措施进行研究。其中淤泥粉沙质海岸港口以黄骅港为例，细沙粉沙质海岸港口以唐山港京唐港区为例。

5 依托工程

本项目的依托工程分别有神华黄骅港、京唐港、宁波港工程等。

6 主要研究成果

6.1 风暴潮和台风浪联合作用对码头水陆域高程确定影响的研究

1) 风暴潮发生期间往往出现水位抬高，伴随天文大潮和特大浪的出现，对离岸港口码头结构、海上石油平台等建筑物设计有着不可忽视的影响。本文以北仑海洋站台风期间实测潮位、波浪资料为基础，分析了台风期间风暴潮增水、波浪特性和统计规律，采用概率统计方法分析了风暴潮增水和波浪的相关性；建立风暴潮增水与波高的联合分布。

2) 结合已有研究成果提出了一种考虑台风导致的风暴增水和海浪波高两者之间的二维复合分布模式，该模式适用于描述台风暴潮过程中风暴潮增水极值和相应极大波高的联合概率。依据北仑海洋站多年的实测波浪和潮位资料利用该模式进行推算，分析得出了8310号台风和8615号在北仑地区产生的风暴潮（增水和波浪联合）灾害约

为30年一遇。

3) 通过风暴潮和台风浪联合作用下高桩码头波浪上托力试验研究，分别提出最大冲击压强和最大总上托力计算公式，利用总上托力计算值控制住局部最大冲击压强的分布宽度，得到对应的局部冲击型上托力和均布型总上托力计算方法。

4) 由于高桩码头面板下有纵横梁、桩帽和桩基结构等，波浪在板下变化非常复杂，本次研究将面板和上部结构受力分别考虑，分别对应于局部冲击型上托力和均布型上托力，具有较好的实用性。

5) 影响护岸越浪量的因素众多，防浪墙高度对越浪量影响较大，针对典型断面，通过系列物理模型试验分析影响越浪的各种参数。在此基础上，建立考虑防浪墙高度影响的适用于我国护岸结构型式的平均越浪量和最大单波越浪量计算公式，并且对肩宽、渗糙等影响因素进行了讨论。

6.2 风暴潮增、减水预测及风暴潮和台风浪联合作用下泥沙运动数值模拟的关键技术研究

1) 风暴潮是重要的海洋灾害，本文比较系统的分析了渤海风暴潮及其危害，统计了影响本地区的主要风暴潮及其造成的损失。台风暴潮和寒潮是渤海的两类自然灾害，对港口航道而言寒潮的影响甚至其影响比台风暴潮严重。

2) 基于数学模型的方法，建立了中尺度气象模型驱动的多重嵌套风暴潮模型系统，采用了三种尺度的模型。对黄渤海和渤海湾风暴潮分别进行了模拟验证，很好复演了渤海的风暴潮运动。