胡金春,楊 群,黃世昌,吳修廣

(1.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020;2.浙江省錢(qián)塘江安全應(yīng)急中心,浙江 杭州 310020)

1 問(wèn)題的提出

波浪是河(海)岸工程設(shè)計(jì)中重要環(huán)境條件之一,工程建設(shè)中推求設(shè)計(jì)波浪的基本途徑有2種,一是利用工程附近水文觀測(cè)臺(tái)、站處的實(shí)測(cè)波浪資料進(jìn)行推算,此途徑要求波浪資料要有一定的年限,同時(shí)臺(tái)、站處波浪資料有良好的代表性;二是利用當(dāng)?shù)貧庀笈_(tái)、站歷年風(fēng)況資料間接推求設(shè)計(jì)波浪,此途徑除對(duì)風(fēng)況資料的年限和代表性有一定的要求外,一般僅適用于受外海浪影響較小的封閉或半封閉水域。

根據(jù)杭州灣地理、波浪特點(diǎn)及測(cè)站布置情況,同時(shí)采用上述2種途徑,結(jié)合SWAN波浪傳播模型,進(jìn)行秦山水域設(shè)計(jì)波浪的數(shù)值模擬和分析,并對(duì)計(jì)算方法適用性進(jìn)行了探討,得到的計(jì)算成果可作為秦山水域工程設(shè)計(jì)波浪取值的參考,所用計(jì)算方法和模型可供類(lèi)似計(jì)算借鑒。

2 研究區(qū)域

秦山位于杭州灣北岸的海鹽縣,平面位置上靠近灣頂附近,此區(qū)域分布有秦山核電海堤、電廠(chǎng)取排水口、碼頭等重要涉水工程。杭州灣系錢(qián)塘江入海的河口灣,灣口南匯至鎮(zhèn)海寬達(dá)100 km,灣頂澉浦至西三寬約20 km,總水域面積約5000 km2,平均水深8～10 m。杭州灣口外舟山群島密布,對(duì)灣內(nèi)水域形成掩蔽作用 (見(jiàn)圖1)。杭州灣北岸深槽東起金山,西至秦山—楊柳山,全長(zhǎng)54 km。沿程水深變化較大,最淺處在海鹽附近約6 m,最深處在乍浦深潭可達(dá)50 m以上,平均水深約10 m,秦山水域位于北岸深槽的末端,局部地形較為復(fù)雜。

圖1 研究區(qū)域示意圖

杭州灣內(nèi)有乍浦、庵東、海鹽等氣象站,根據(jù)乍浦氣象站多年實(shí)測(cè)風(fēng)資料統(tǒng)計(jì):①該區(qū)域全年常風(fēng)向?yàn)镋-SE,強(qiáng)風(fēng)向和常風(fēng)向基本一致,為ENE-ESE;②海區(qū)具有明顯的季風(fēng)氣候特點(diǎn),11月至次年2月以NW-N風(fēng)向?yàn)橹?3月至8月以E-SE風(fēng)向?yàn)橹?③實(shí)測(cè)風(fēng)速不大,多年平均風(fēng)速為3.4 m/s,實(shí)測(cè)最大風(fēng)速不論定時(shí)還是自記最大風(fēng)速均發(fā)生在臺(tái)風(fēng)過(guò)程中,其中定時(shí)最大風(fēng)速為20.0 m/s,發(fā)生于1956年8月2日的 “5612” 臺(tái)風(fēng)過(guò)程中[1]。

杭州灣內(nèi)長(zhǎng)期波浪觀測(cè)站有乍浦、灘滸和海鹽3處。秦山水域近岸處于1995年7至10月也曾設(shè)過(guò)臨時(shí)波浪觀測(cè)站,根據(jù)這幾天2站同步資料,秦山近岸常浪向和強(qiáng)浪向與下游21 km乍浦站基本一致[2]。據(jù)乍浦站1991年至1997年實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì),全年常浪向?yàn)镋和NW,強(qiáng)浪向?yàn)镋和ESE;1.5 m以上波高僅占0.6%,多年最大波高＞2.5 m的方位在E-ESE,出現(xiàn)在夏季1997年11號(hào)臺(tái)風(fēng)過(guò)程中,8月18日實(shí)測(cè)最大波高3.5 m,對(duì)應(yīng)周期7.2 s,波向ESE;從類(lèi)型上看,測(cè)站附近水域的波浪基本上為風(fēng)浪,涌浪所占比例僅1.4%。

3 計(jì)算方法和模型

3.1 計(jì)算方法

綜合波浪測(cè)站地理位置和資料的代表性,以乍浦站的實(shí)測(cè)資料通過(guò)波浪變形計(jì)算來(lái)推求秦山水域設(shè)計(jì)波要素是一個(gè)較為可靠的方案;同時(shí),由于口外舟山群島掩蔽作用,杭州灣內(nèi)以局地風(fēng)浪為主,外海涌浪難以傳入,故研究區(qū)域也適用以當(dāng)?shù)刎S富的風(fēng)速資料進(jìn)行風(fēng)浪計(jì)算的方法。考慮采用上述2種途徑進(jìn)行計(jì)算,即:

(1)秦山水域局部范圍建立波浪傳播數(shù)學(xué)模型,利用乍浦站實(shí)測(cè)波浪資料的統(tǒng)計(jì)值作為邊界波要素,再經(jīng)過(guò)波浪傳播變形計(jì)算至近岸區(qū)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)方法1);

(2)在整個(gè)杭州灣水域建立大范圍風(fēng)浪成長(zhǎng)傳播數(shù)學(xué)模型,利用杭州灣設(shè)計(jì)風(fēng)速直接推求近岸設(shè)計(jì)波要素(以下簡(jiǎn)稱(chēng)方法2)。

3.2 數(shù)學(xué)模型

采用SWAN模型建立風(fēng)浪成長(zhǎng)傳播模型,該模型是TU Delft大學(xué)推出的第3代淺水波浪成長(zhǎng)數(shù)學(xué)模型,基于波作用量守衡方程(無(wú)流時(shí)簡(jiǎn)化為譜能量平衡方程),可以用來(lái)計(jì)算近岸海域風(fēng)浪的產(chǎn)生、成長(zhǎng)以及傳播,在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。

SWAN模型中,采用二維波作用量 N(σ,θ)來(lái)描述波浪性質(zhì),其作用量平衡方程為:

式中:左起第1項(xiàng)為波作用量隨時(shí)間的變化項(xiàng);第2、3項(xiàng)為波作用量的空間對(duì)流項(xiàng);第4項(xiàng)為由于水深變化和水流作用造成的波作用量在頻域上的變化;第5項(xiàng)為折射項(xiàng);Cx、Cy、Cσ、Cθ分別為 x、y、σ、θ空間上的群速,S 為源項(xiàng);S=SW+Sn+Sd+Sf,Sw、Sn、Sd和Sf分別代表由風(fēng)產(chǎn)生的能量輸入、波— 波間非線(xiàn)性相互作用、破波耗散、床底損失;N(σ,θ)=E(σ,θ)/σ,E(σ,θ)-能量密度譜,σ為相對(duì)頻率(Hz),θ為波向角(°)。

3.3 計(jì)算條件和模式設(shè)置

根據(jù)研究區(qū)浪向特點(diǎn),選取乍浦站1967—1997年實(shí)測(cè)資料中ENE-E、E-ESE、ESE-SE三個(gè)波向組資料,經(jīng)頻率分析后得到該站各向設(shè)計(jì)波要素(見(jiàn)表1)。風(fēng)速站中由于灘滸站位于杭州灣中部,較好地代表了杭州灣大面風(fēng)場(chǎng)特點(diǎn),對(duì)該站建站起至1999年共22 a資料進(jìn)行頻率分析后,確定該站重現(xiàn)期設(shè)計(jì)風(fēng)速值作為研究區(qū)風(fēng)浪計(jì)算的輸入值 (見(jiàn)表1)。

表1 計(jì)算邊界條件 (100 a一遇)表

方法1中的局部模型計(jì)算范圍見(jiàn)圖2,入射邊界東邊界通過(guò)乍浦波浪站,基本沿等深線(xiàn)方向布置,網(wǎng)格步長(zhǎng)為50 m;方法2大范圍模型計(jì)算范圍基本包括整個(gè)杭州灣水域,該范圍Y方向?yàn)檎毕?粗網(wǎng)格步長(zhǎng)為300 m,近岸區(qū)局部范圍加密至50m。

圖2 方法1波浪傳播模型計(jì)算范圍圖

4 計(jì)算結(jié)果分析

方法2計(jì)算范圍較大,可以反映研究區(qū)域設(shè)計(jì)波浪整體分布情況,部分方向計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。杭州灣風(fēng)浪呈現(xiàn)出較明顯的成長(zhǎng)過(guò)程,100 a一遇H13%的4 m等值線(xiàn)貼近北岸乍浦—秦山一線(xiàn),近岸后由于局部地形的影響,波浪開(kāi)始衰減,且波向在堤前有一定的偏轉(zhuǎn)。

乍浦波浪站位于方法2計(jì)算范圍內(nèi),在乍浦站測(cè)波浮筒位置處自大范圍風(fēng)浪數(shù)模中取值與該站根據(jù)實(shí)測(cè)波要素統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明,數(shù)模計(jì)算值與實(shí)測(cè)波要素統(tǒng)計(jì)值符合良好,各方向二者H13%之差僅為0.1～0.2 m,在一定程度上反映出邊界風(fēng)、浪資料的取值較為合理,具有良好的代表性,同時(shí)也表明SWAN模型在杭州灣適用性較好,能有效模擬風(fēng)浪成長(zhǎng)特性。

圖3 方法2100 a一遇設(shè)計(jì)波要素分布圖(H13%)

在秦山沿岸海堤前沿自南向北取A、B、C三個(gè)計(jì)算點(diǎn),2種方法所推算堤前灘地波要素的對(duì)比見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn),秦山沿岸堤前各向100 a一遇 H13%大致為1.6～3.2 m,2種方法推算的結(jié)果總體上較為接近。二者的相互校驗(yàn)結(jié)果也體現(xiàn)了秦山水域設(shè)計(jì)波要素計(jì)算中方法1和方法2的適用性。

表2 2種方法推算的堤前波要素對(duì)比表 (100 a一遇)

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)研究結(jié)果,以乍浦站波浪資料通過(guò)波浪變形計(jì)算和以風(fēng)速資料進(jìn)行風(fēng)浪成長(zhǎng)、傳播計(jì)算的方法均能較好地適用于杭州灣秦山水域設(shè)計(jì)波浪的計(jì)算,該例中由于乍浦波浪站離研究區(qū)較近,因此以方法1“浪推浪”的方式得到的設(shè)計(jì)波要素理應(yīng)更為可靠,但在波浪測(cè)站資料無(wú)法延續(xù)或較難取得的情況下,方法2就體現(xiàn)出其應(yīng)用價(jià)值。

[1]唐子文.浙江省歷史臺(tái)風(fēng)資料分析專(zhuān)題報(bào)告[R].杭州:浙江省水利河口研究院,2006.

[2]伍冬領(lǐng).秦山核電擴(kuò)建項(xiàng)目方家山廠(chǎng)址海洋水文分析研究[R].杭州:浙江省水利河口研究院,2004.