丁赟

（廣東省電力設(shè)計(jì)研究院,廣東廣州 510663）

濱海核電可能最大臺(tái)風(fēng)浪的推算

丁赟

（廣東省電力設(shè)計(jì)研究院,廣東廣州 510663）

采用當(dāng)前國際流行的第三代波浪模式SWAN探討了濱海核電工程可能最大臺(tái)風(fēng)浪的計(jì)算，并分析了可能最大臺(tái)風(fēng)浪與相伴隨的可能最大風(fēng)暴潮成長規(guī)律。分析得可能最大臺(tái)風(fēng)浪通常滯后可能最大風(fēng)暴潮增水峰值，推算得到的可能最大臺(tái)風(fēng)浪高于遮浪海洋站觀測到的最大波高，為濱海核電工程可能最大臺(tái)風(fēng)浪的推算提供參考。

可能最大臺(tái)風(fēng)浪；SWAN；可能最大風(fēng)暴潮

1 引言

可能最大臺(tái)風(fēng)浪是濱海核電工程設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水中所需考慮的因素之一。《濱海核電廠廠址設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水的確定》[1]規(guī)定濱海廠址的洪水分析中，應(yīng)考慮到極端事件如可能最大風(fēng)暴潮（PMSS）、可能最大海嘯、可能最大假潮發(fā)生時(shí)風(fēng)浪的影響，如果組合的主要事件是風(fēng)暴潮，則引起風(fēng)浪的風(fēng)場則由產(chǎn)生可能最大風(fēng)暴潮的風(fēng)暴產(chǎn)生。而可能最大臺(tái)風(fēng)浪就是指可能最大熱帶氣旋引起的伴隨可能最大風(fēng)暴潮所產(chǎn)生的臺(tái)風(fēng)浪。

我國目前核電項(xiàng)目急劇擴(kuò)張，但論述防洪設(shè)計(jì)中可能最大臺(tái)風(fēng)浪的文章卻很少，秦山核電三期工程[2]采用了混合型海浪數(shù)值模式并經(jīng)近岸折繞射模型推算了廠坪前沿可能最大臺(tái)風(fēng)浪；嶺澳核電站先以宇野木早苗公式推出了大亞灣口與PMSS相應(yīng)的逐時(shí)波浪后做淺水變形計(jì)算后得出防波堤前的波要素。隨著波浪數(shù)值模式的發(fā)展，可能最大臺(tái)風(fēng)浪的推算也應(yīng)有所改進(jìn)。

本文采用國際流行的第三代波浪模式SWAN（Simulating Waves Nearshore）來推算廣東碣石灣海域可能最大臺(tái)風(fēng)浪，并探討可能最大臺(tái)風(fēng)浪、可能最大風(fēng)暴潮時(shí)程變化規(guī)律。

2 工程區(qū)域簡介

本文關(guān)心區(qū)域位于碣石灣東南端，碣石灣灣口寬約25 km，縱深約18 km，灣口朝向SSW向，工程海域外散落有眾多小暗礁，較大的有東南側(cè)的東桔礁和西南側(cè)的西桔礁。海域附近最近的長期測波站為位于碣石灣西南側(cè)遮浪角的遮浪海洋站（22 o39'N，115o34'E），遮浪角是一個(gè)半島岬角，西北緊靠紅海灣，東北靠碣石灣。遮浪角周圍的海岸大部分是沙質(zhì)，只有少數(shù)岸段是礁石，近岸海底多為泥沙，東側(cè)近岸100 m范圍內(nèi)水深9—12 m，往外可達(dá)20 m。自1971年測波以來，于7908號(hào)臺(tái)風(fēng)影響時(shí)期測到波浪最大，遮浪海洋站記錄得H1/10為8.5 m，最大波高Hmax為9.5 m，波向SE向，周期9.1 s，其次是7514號(hào)臺(tái)風(fēng)，記錄得H1/10為8.1 m，最大波高Hmax為9.0 m，波向E向。

3 可能最大風(fēng)暴潮及可能最大熱帶氣旋

本文可能最大風(fēng)暴潮（PMSS）是由南至北距離工程點(diǎn)37.5 km的可能最大熱帶氣旋（PMTC）產(chǎn)生的，其特征參數(shù) P∞為1006 hPa， P0為887 hPa，R為30 km，臺(tái)風(fēng)移速28 km/h，形成的可能最大臺(tái)風(fēng)風(fēng)場見圖1a?？臻g范圍為14°—26°N，110°—120°E，空間分辨率為5'×5'，時(shí)間分辨率為5分鐘。關(guān)于熱帶氣旋各參數(shù)的確定，《核電廠設(shè)計(jì)基準(zhǔn)熱帶氣旋》[3]有詳細(xì)論述，文章[4]也曾討論，在此不再多述，而工程海域風(fēng)暴潮增水最高達(dá)5.07 m，其增水過程線見圖1b。

圖1 產(chǎn)生PMSS的可能最大熱帶氣旋移動(dòng)路徑及最大時(shí)刻風(fēng)場、可能最大風(fēng)暴潮增水過程曲線

4 可能最大臺(tái)風(fēng)浪的推算

因可能最大臺(tái)風(fēng)浪是伴隨可能最大風(fēng)暴潮產(chǎn)生的，而可能最大風(fēng)暴潮在短時(shí)間內(nèi)可以引起水深場高達(dá)5 m的變化，這在淺水區(qū)尤其是近岸工程海域，必極大的影響著波高的發(fā)展變化，而這也是可能最大臺(tái)風(fēng)浪與一般臺(tái)風(fēng)浪計(jì)算時(shí)的顯著區(qū)別。因此，如何正確的反應(yīng)水深的變化對模擬好可能最大臺(tái)風(fēng)浪尤為關(guān)鍵。

第三代SWAN波浪模式不僅適應(yīng)于深水波浪計(jì)算，而且也考慮了深度破碎效應(yīng)，最重要的是其計(jì)算水深可隨時(shí)間而變化，非常適合可能最大風(fēng)暴潮水深隨時(shí)間快速變化的特點(diǎn)，因此，本文可能最大臺(tái)風(fēng)浪的計(jì)算選用SWAN模式。

4.1SWAN模式簡介

第三代淺海波浪模式SWAN[5]，全稱為Simulating Waves Nearshore，目前已被檢驗(yàn)并成功應(yīng)用到渤海、黃海、湛江港及長江口等多個(gè)近岸海洋工程[6-10]。模式考慮的主要物理過程有：風(fēng)能輸入，白浪耗散，深度誘導(dǎo)的波浪破碎，底摩擦引起的耗散，波波相互作用，波流相互作用，障礙物引起的耗散等；主要物理機(jī)制有：空間中沿波射線傳播，由于海底地形和流場的空間變化所引起的折射，傳播過程中的繞射影響，由于底部和流場的空間變化所引起的破碎，由于逆向流動(dòng)產(chǎn)生的阻擋和反射，碰到次網(wǎng)格障礙物時(shí)的反射、阻擋或通過等。在數(shù)值計(jì)算方法上，SWAN模式在物理空間和譜空間都采用隱式迎風(fēng)格式，并且在譜空間用了一個(gè)中心近似作為補(bǔ)充，數(shù)值計(jì)算屬無條件穩(wěn)定，與采用顯式差分格式的傳統(tǒng)譜模式來說，這可保證在有限深的淺水內(nèi)，其計(jì)算結(jié)果也是穩(wěn)定收斂的。

4.2 區(qū)域選取

考慮到本案例關(guān)心區(qū)域，同時(shí)為了減小邊界效應(yīng)對關(guān)心區(qū)域波要素的影響，提高計(jì)算效率，采用大、中、小三重網(wǎng)格嵌套的方法，即先計(jì)算大區(qū)域粗網(wǎng)格的可能最大臺(tái)風(fēng)浪，然后作為下層區(qū)域波浪場計(jì)算時(shí)的邊界條件，并細(xì)化計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格。

大區(qū)域采用與產(chǎn)生可能最大風(fēng)暴潮風(fēng)場所對應(yīng)的區(qū)域，即14°—23.5°N，110°—119°E，中區(qū)域采用115°30′—116°10′E，22°36′—22°52′N，小區(qū)域 采 用 115°45.6′—115°52.5′E， 22°42′— 22°48′N，見圖2。

4.3 參數(shù)設(shè)置

圖2 各計(jì)算區(qū)域及水深

大區(qū)域空間分辨率與風(fēng)場相對應(yīng)采用為5'×5'，頻譜網(wǎng)格分辨率為25×24；中區(qū)域空間分辨率為為0.4′×0.4′，頻譜分辨率為31×24；小區(qū)域空間分辨率0.03′×0.03′，頻譜分辨率為31×24，各區(qū)域頻段關(guān)系為fn+1=1.1fn，波向分辨率為15°。

模式大、中及小區(qū)域時(shí)間步長均設(shè)為15分鐘，輸出的時(shí)間間隔也為15分鐘。整個(gè)模擬時(shí)間與可能最大風(fēng)暴潮相同，共計(jì)72小時(shí)。

大區(qū)域水邊界考慮為零；中、小區(qū)域邊界上采用上層區(qū)域輸出的方向譜，三區(qū)域中的驅(qū)動(dòng)風(fēng)場均采用產(chǎn)生可能最大風(fēng)暴潮的臺(tái)風(fēng)風(fēng)場[1]。

可能最大臺(tái)風(fēng)浪是伴隨可能最大風(fēng)暴潮發(fā)生的，因此從設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水位的組合事件出發(fā)，水深場采用10%天文潮位加可能最大風(fēng)暴潮形成的隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)水深場[11]。

模式底摩擦系數(shù)取為南海區(qū)域慣用的0.01。深度破碎引起的波浪能量損失參數(shù)，則采用相對較小的能量損耗系數(shù)。其他參數(shù)設(shè)置采用模式默認(rèn)值。

4.4 結(jié)果與分析

將可能最大風(fēng)暴潮峰值時(shí)刻對應(yīng)的SWAN模式運(yùn)行結(jié)果見圖3，可以看出，最高處Hs達(dá)12 m多，高于遮浪海洋站觀測到的最大波高9.5 m。波高等值線與水深等值線走向基本一致，工程關(guān)心區(qū)域突出岬角為波能聚集區(qū)。

以等深線-2 m、-5 m、-10 m和-15 m為代表，給出了各等深線上可能最大臺(tái)風(fēng)浪的時(shí)程線。圖4以可能最大風(fēng)暴潮出現(xiàn)的峰值為中心時(shí)刻，發(fā)生可能最大風(fēng)暴潮時(shí)前后各12小時(shí)的PMSS、波浪時(shí)程曲線及可能最大臺(tái)風(fēng)浪波要素?？梢钥闯霎?dāng)波高受水深限制時(shí)，比如2 m、5 m、10 m，波高峰值基本與可能最大風(fēng)暴潮峰值保持一致，而值得注意的是，當(dāng)增水較快且波浪未破碎時(shí)，比如15 m水深時(shí)，波高峰值滯后于風(fēng)暴潮15分鐘。這主要因?yàn)轱L(fēng)暴潮受風(fēng)速調(diào)整的同時(shí)，還調(diào)整了水深，而波高受風(fēng)速和水深雙重調(diào)整，與風(fēng)暴潮存在明顯的非線性效應(yīng)，故波高峰值滯后于風(fēng)暴潮增水峰值，而滯后時(shí)間則與當(dāng)?shù)氐匦渭帮L(fēng)暴潮增水的速度有關(guān)。

圖3 可能最大風(fēng)暴潮峰值時(shí)刻對應(yīng)的臺(tái)風(fēng)浪場（Hs波高）

圖4 不同等深線下各累積頻率波高與可能最大風(fēng)暴潮增水時(shí)程線

5 結(jié)語

可能最大臺(tái)風(fēng)浪與一般臺(tái)風(fēng)浪的不同點(diǎn)在于其水深是隨時(shí)間快速變化的，本文以SWAN模式探討了可能最大臺(tái)風(fēng)浪的模擬，為可能最大臺(tái)風(fēng)浪的計(jì)算提供參考。

模擬得到的15 m水深處可能最大臺(tái)風(fēng)浪Hs波高為11.6 m，H0.4%波高為13.8 m，高于遮浪海洋站觀測到的最大波高。

可能最大臺(tái)風(fēng)浪與可能最大風(fēng)暴潮峰值相比，往往存在一定的滯后，這與嶺澳核電及秦山核電[2]的結(jié)論一致，滯后的時(shí)間往往與地形和可能最大風(fēng)暴潮有關(guān)。因此在確定設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水時(shí)，若滯后時(shí)間較大，則應(yīng)考慮可能最大臺(tái)風(fēng)浪與風(fēng)暴潮疊加過程中的高峰，而不是將兩者的峰值作簡單疊加。

感謝：國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心所提供的可能最大風(fēng)暴潮和風(fēng)場。

[1]HAD101/09,濱海核電廠廠址設(shè)計(jì)基準(zhǔn)洪水的確定[S].國家核安全局,1990.

[2]謝亞力,黃菊卿.秦山核電三期工程廠坪前沿可能最大臺(tái)風(fēng)浪計(jì)算[J].浙江水利科技,2001(3):1-3.

[3]HAD101/11,核電廠設(shè)計(jì)基準(zhǔn)熱帶氣旋[S].國家核安全局,1991.

[4]王樂銘,劉建良.濱海核電站可能最大風(fēng)暴潮(PMSS)研究[J].電力勘測設(shè)計(jì),1999(2):49-53.

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Estimation of probable maximum typhoon wave for coastal nuclear power plant

DING Yun
(Guangdong Electric Design Institute,Guangzhou Guangdong 510663 China)

The third-generation wave model,SWAN(Simulating Waves Nearshore),was employed to estimate the probable maximum typhoon wave at a coastal engineering area.The relationship between the development of probable maximum typhoon wave and that of probable maximum storm surge was investigated.It is shown that the probable maximum typhoon wave usually occurs later than the probable maximum storm surge.The estimated probable maximum typhoon wave is higher than the historical observational maximum wave height data of Zhelang station.The approach utilized in this study to estimate probable maximum typhoon wave could provide valuable information in design of coastal engineering.

probable maximum typhoon wave,SWAN,probable maximum storm surge

P731

A

1003-0239（2011）04-0043-05

2010-11-29

丁赟（1980-），女，工程師，主要從事波浪、風(fēng)暴潮、臺(tái)風(fēng)研究工作。E-mail：dingyunocean@gmail.com