海岸工程设计波要素推算方法探讨

2 研究方法
资料选取和估算方法是估算设计波浪的关键。 根据前人的相关经验， 海岸工程设计波要 素推算方法大致有相关分析法[1-2]、经验公式法[3]及数学模型计算[4-8]等方法。本文利用两种 不同的方法推算海岸工程设计波要素，方法一为设计风速推算法：依据气象站多年风速、风 向实测资料进行频率分析推求各方向不同重现期的外海深水波要素， 其次建立复杂地形条件 下考虑底摩阻及局部风影响的浅水波浪变形数学模型， 计算各种工况下不同重现期的设计波 浪要素。方法二为历史台风天气图推算法：利用历史天气图，摘取二十年以上的台风资料， 利用 MIKE 21 SW 模型推算出台风期最大波高序列，采用极值分析的方法[9]推求设计波要 素。 本文主要以如东人工岛工程设计波要素推算为例， 应用上述的两种方法进行计算并比较 分析，探讨适合海岸工程地区设计波要素的推算方法。
1 引言
波浪是主要海洋动力因素，也是海岸工程建筑物的主要作用力。海岸、海洋工程建筑物 的规划、设计、施工和管理都需要准备推算工程点多年一遇设计波浪要素。该参数若偏大， 会大大提高工程的造价，反之，会降低工程的安全系数，在恶劣海况下容易毁于一旦，造成 生命财产的重大损失。因此，设计波浪参数准确与否，与国民经济有密切关系。如何合理确 定海岸工程设计波要素的推算方法是本文研究的主要目的。
（6）
此控制方程组可用于外海风浪在浅水域大范围传播变形（考虑波浪折射、绕射、风能摄 入及波能耗损等因素），计算简便、快捷。 无水流准定常波传播数值模型（ x, y, t x, y, t e
iwt
,
2 1 ） t 2
W
*
2i
CC k t
3.1 设计风速推算法
3.1.1 技术路线 该方法主要包括以下基本步骤： （1）岸台气象站实测资料统计分析。 主要通过各风向出现频率及其平均风速、最大风速的统计，获得工程海域的常风向、强 风向以及各风向的风速大小，对工程海域的风场特性有一个比较全面的了解。 （2）确定不同重现期海上设计风速。 按年最大风速采样法，对岸台气象站 10 分钟平均的最大风速进行频率分析，得到各个 方向的不同重现期设计风速值，再进行内陆-海岸-海上风速订正，最终确定海上深水区域各 方向不同重现期设计风速。 （3）海上设计风速的合理性分析。
1
本课题得到新加坡金鹰国际集团(RGMI)的资助。 -1-
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程区设计波要素的计算和研究。

人工岛工程建设在西太阳沙中部（图 2），直接受波浪、潮流的袭击，因此需要进行工
图 1 苏北辐射沙洲示意图 Fig1 Schematic diagram in Su Bei Radiation Shoals
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（4）深水区域风浪要素计算。

为了验证推算的不同重现期风速的可靠性， 要引用了相关海洋水文站、 相关已建工程的 设计风速资料与之比较，分析各方向不同重现期设计风速的合理性、可靠性。 这部分工作最为重要， 就目前国内外常用的定常风浪计算公式有好多种， 必须经过验证 计算一些风、浪同步资料，有针对性的选择工程海域风浪特性的计算公式。在本文中仅选择 海港水文规范公式（青岛海洋大学公式）[10]、国家提防工程规范（GB-50286-98）公式（莆 田试验站公式）[11]、美国 SMB 公式（美国海岸工程防护手册）[12]三种方法来推算深水波浪 要素。计算结果表明，在深水区域我国的海港水文规范公式 (青岛海洋大学公式)较为合适， 相对误差较小。 海港水文规范公式（青岛海洋大学公式）
H (m)
2.68 3.04 2.78 2.61 2.94 3.2
L(m) 127.54 93.64 89.02 69.58 86.59 94.09
T
(s) 9.75 9.87 9.87 8.09 9.75 9.75
波向(°) 46.1 65.4 74 5.3 40.1 35.2
原始波向 NE-ENE E-ESE E-ESE N-NNE NE-ENE NE-ENE
3 工程设计波要素推算
如东人工岛工程位于江苏省如东县海滨， 所在海域属于苏北辐射沙洲群， 拟建人工岛设 计建筑位于烂沙洋水道两端南侧的西太阳沙中部的浅滩上，其北侧深水区为拟建码头工程。 工程区西距小洋港约 30km，东南距吕四港约 50km，西南距如东县城约 32km（图 1）。工 程区水域潮型属于规则的半日潮，最大潮差 8.08m，最小潮差 1.79m。该海区为不规则的半 日潮流海区， 涨落潮流速和历时均不相同， 落潮流速大于涨潮流速， 落潮历时大于涨潮历时。 同时，本海区为强潮区，实测最大流速为落潮流，流速可达 1.95m/s。该区常风向为 SE 向， 次常风向为 NE 向，强风向为 NW 向。该海域常浪向为 N 向，次常浪向为 NNW 向，强浪 向为 NE，实测最大波高 6.9m，次强浪向为 E 和 ENE，实测最大波高分别为 5.3m 和 5.1m。
（2）
式中：F—对岸风区长度或者给定风速下的平均吹程（m）；V—计算风速（m/s）；H — 平均波高（m）；Hs—有效波高（m）； T —平均波周期（s）；Ts—有效波周期（s）；g— 重力加速度（m/s2）；d—平均水深（m）。 （5）浅水区域波要素计算[13-14]。 目前进行波浪浅水传播变形计算的方法归纳起来大致有两类： 其一为不规则波方法， 代 表性的模式有青岛海洋大学等提出的新型混合型海浪数值模式、荷兰 Delft 大学 3-D 中的 WAM 型海浪数值预报模式；其二为代表波（如有效波或者平均波等规则波）方法，常用的 有缓变水流水深中波浪绕射折射数学模型、特征线（波向线）理论—数值模式。每种模式都 有自身的优缺点和适用范围， 经过相关研究及验证， 本文采用底摩阻缓变水深水域定常波浪 变形计算数学模型等价控制方程组式进行波浪折射绕射联合变形计算。现介绍如下： 无水流定常波传播数值模型
g
2
CC g 2 2 iW *



（7）
此模式可以采用 ADI 法格式（预测步、校正步及迭代步）求 t=t0 时达到定常值作为所 求解。 此模式特别适用于传播水域存在障碍物或者人工建筑物情况的波浪传播问题， 求解收 敛及达到定常状态都比较快。 本文采用此公式进行拟建人工岛工程后周围水域的波浪数值计 算。 （6）计算原则及方法。 苏北辐射沙洲的中心区域， 距离受地形影响较小的深水边界有百余公里， 而欲计算工程 前沿设计波浪要素，必须从该深水边界起算，因此计算范围将达到近万平方公里。为了充分 反应工程附近水域的局部地形变化， 又要适当节省计算工作量， 所以在进行地形概化和数值 差分计算中分为两个区域大小网格嵌套方法。大网格尺寸为 0.1′×0.1′，而小区域网格尺寸为 100m×100m。其计算区域为拟建工程附近新测的（比例尺为 1:10000）水下地形范围，总面 积大约为 7.0km×15.0km。具体计算时，首先计算各种工况条件下的大区域波浪场，这样， 一方面可以了解整个辐射沙洲的波浪变化规律，同时给提供小区域边界条件（包括波高、波 向）。 按上述确定的步骤及计算处理原则，分别就不同重现期、不同潮位、不同波浪方向进行 波浪传播变形计算。计算中对于各个波浪方向采取各自主方向的左右 22.5 °范围内每隔 7.5° 多方位入射计算，以寻找最不利波浪入射方向，波高采用平均波高，底摩阻系数取为 0.01 ， 风能输入时相关系数按“海大”方法确定，如果出现波浪破碎，则按破波波高计算。 3.1.2 计算结果 计算结果表明， 波浪自深水进入浅水的过程中由于受到辐射沙洲复杂水下地形的影响， 发生了明显的折射绕射变形， 部分区域的波向与原入射波向差别很大， 所以进一步说明在该 地区不考虑波浪的折绕射影响是不合适的， 波向在传播过程中的变化顺应水下地形的变化趋 势，波高在空间上的分布变化较大，总的来说波动能量向浅水区域集中，由于沿程风能的继 续输入，浅水水域的波高也有所增加，但当潮位较低时，浅水区的波高受到水深的限制。 通过计算对拟建工程后的人工岛各采样点波要素进行汇总。 拟建工程各点上基本偏北向 至东南向为主要控制方向，为了便于后面的比较分析，仅列出 50 年一遇最不利情况下的设
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海岸工程设计波要素推算方法探讨1
——以如东人工岛设计波要素推算为例
付桂 1 2
1 交通部长江口航道管理局，上海（200003） 2 丹华水利环境技术（上海）有限公司，上海（200032） 摘 要： 本文通过设计风速推算法和历史台风天气图推算法这两种不同的方法推算海岸工程 设计波要素。 主要以如东人工岛设计波要素推算为例， 分别利用上述两种方法推求不同重现 期设计波要素并进行对比分析。结果表明，两种方法各有优劣，为了安全起见，应当综合采 用上述两种方法。 关键词：海岸工程；设计波要素；设计风速；历史台风天气图；如东人工岛
3.2 历史台风天气图推算法
3.2.1 技术路线 （1）地面天气图的选择。 由于缺乏实测大范围风场数据，从如东气象台收集了 1950-2003 年共 53 年间影响该海 区台风的历史地面天气图，它们包括各个台风的路经图，台风临近该海区时每隔 6h 的中心 气压、 台风中心附近最大风速半径处的最大风速和等气压线的分布。 对台风历史天气图进行 筛选，最终选择路由该区域 21 场极端台风作为计算台风。 （2）风场及气压场计算。 海面的风场是海浪数值计算的重要组成部分， 选择科学合理的风场计算模式[15-17]十分重 要。本文计算中以梯度风模式为主并采用《海港水文规范》等对气压类型、大气稳定度、近 海面垫层摩阻等的相关修正规定，先计算出梯度风，再换算海面上 10 米高程处的风速风向 值。 利用上述方法计算 21 场台风风场，依据气象台提供的地面天气图和各地面测站的实测 气压、风速风向值，进行风场修正，最终获得 21 场极端台风的气压场及速度场。 （3）波浪场计算模型[18]。 近几年来， 国内外关于波浪传播变形的数学模型及其计算模式发展较快， 其中商业化的 波浪数学模型软件以界面友好、操作方便等优点越来越广泛的被应用到实际工程设计中。 MIKE 21 由丹麦水力研究所（DHI Water & Environment）研发，是在 20 多年来世界范围内 大量工程应用经验的基础上持续发展起来的。 MIKE 21 系列中的波浪模块自从发布以来在国 际上得到了广泛的应用，其中包括 MIKE 21 NSW（Nearshore Spectral Wind-wave Model，近 岸风浪谱模型）、MIKE 21 SW（Spectral Wave FM Model，有限三角网格模型）、MIKE 21 BW（Boussinesq Wave Model，Boussinesq 方程模型）、MIKE 21 PMS（Parabolic Mild Slope Wave model，抛物线型缓坡方程模型）和 MIKE 21 EMS（Elliptic Mild Slope Wave Model， 椭圆型缓坡方程模型） 这五个模块。 MIKE 21 的五个波浪模型在实施预报时对波浪的能量输 入、能量耗散、折射、绕射及反射等机理的处理各有侧重。这几个波浪模块的差异性及各自 的适用性见表 2。 对于苏北辐射沙洲滩槽相间， 水下地形变化较为剧烈， 波浪自深水进入浅水的过程中由 于受到辐射沙洲复杂水下地形的影响， 发生了明显的折射绕射变形， 另外波浪经过人工岛岛
波周期守恒方程

波数矢无旋性方程
2 const T
（3）
K 0
光程函数方程
2 k2
波作用守恒方程
~2 CC g R 2 CC g R CC g

（5）
CC g K H 2 H 2 W * H 2 t
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计波要素，即在极端高水位 9.2m 及向岸风向情况下人工岛附近采样点的波要素特征值。
表 1 如东人工岛工程区采样点设计波要素（50 年一遇，极端高水位 9.20m） Tab.1 Design wave elements of sampling point near Rudong artificial island (Return period of 50 years and extreme high water level of 9.20m) 设计波要素 采样点 1# 2# 3# 4# 5# 6# H1%(m) 6.04 5.95 5.4 5.11 5.59 6.25 H4%(m) 5.14 5.24 4.76 4.5 4.95 5.51 Hs(m) 4.19 4.45 4.05 3.82 4.24 4.68
0.8 gd 2 0.35 gH s V 3 gF 5.5 10 2 tanh 30.0 2 0.35 V V gF 2 V
（1）
0.8 gd 2 0.233 2 gTs V gF 3 tanh 30.0 0.55 2 0.35 V V gF 2 V
图 2 拟建人工岛及其附近波浪采样点位置图 Fig2 Position of proposed artificial island and sampling wave points nearby
由于如东县西太阳沙人工岛附近只有完整 1 年（1996.10-1997.10）现场波浪观测资料， 不足以可靠推算重现期波浪要素， 波浪计算只能采用风场资料间接推算的方法。 而西太阳沙 人工岛附近又缺少长期的风况观测资料。 为此， 风浪计算的风场资料只能通过以下两种方法 解决。 其一是利用距离人工岛最近的如东县气象站风速观测资料， 并进行内陆—海岸—海洋 风速订正，确定海上设计风速；其二是采用历史天气图，摘取二十年以上的台风资料，利用 风场及气压场模型确定风场。最终利用这两种方法获得的风数据推算人工岛设计波要素。