王晴, 李熙, 黃惠明, 王義剛

(河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京210098)

江蘇沿海灘涂圍墾對(duì)近岸風(fēng)浪場(chǎng)的影響

王晴, 李熙*, 黃惠明, 王義剛

(河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京210098)

利用江蘇沿海近期水深數(shù)據(jù)以及西連島風(fēng)測(cè)站1981—1998年風(fēng)況資料,采用P-III曲線計(jì)算重現(xiàn)期風(fēng)速并推求外海深水波要素,對(duì)江蘇海域50年一遇設(shè)計(jì)風(fēng)浪場(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算。在模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,模擬計(jì)算了江蘇沿海灘涂圍墾規(guī)劃(2010—2020年)后江蘇近岸風(fēng)浪場(chǎng),探討了江蘇近岸50年一遇風(fēng)浪場(chǎng)的分布特征,同時(shí)對(duì)比分析江蘇近岸8個(gè)采樣點(diǎn)工程前后50年一遇設(shè)計(jì)波要素的變化。結(jié)果表明:江蘇圍墾規(guī)劃實(shí)施后,江蘇近岸50年一遇設(shè)計(jì)波要素有減小趨勢(shì);北部近岸海域的有效波高和平均波周期基本不變,而南部近岸海域變化較大。其中,南部海域采樣點(diǎn)有效波高最大降幅0.62 m,位于洋口港-呂四港近岸區(qū)域,采樣點(diǎn)平均波周期最大降幅1 s,位于東沙圍墾區(qū)東部;水深地貌形態(tài)和風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度是影響江蘇近岸重現(xiàn)期波浪的重要因素。

風(fēng)浪;輻射沙脊群;波譜模型;數(shù)值模擬;灘涂圍墾工程

江蘇沿海海區(qū)北起蘇魯交界繡針河口,南至長(zhǎng) 江口北支寅陽(yáng)角,東臨黃海。其中,輻射沙脊群特殊地貌區(qū)位于江蘇沿海海域中部,沙脊呈摺扇狀向海面輻射,脊槽相間分布,地形條件復(fù)雜[1-3]。該海域擁有豐富的灘涂資源,是江蘇海岸最重要的自然資源之一。為了發(fā)揮江蘇沿海灘涂資源豐富的優(yōu)勢(shì),形成大規(guī)模的土地后備資源,江蘇省發(fā)展改革委員會(huì)和江蘇省沿海辦聯(lián)合編制《江蘇沿海灘涂圍墾開發(fā)利用規(guī)劃綱要》,提出2010—2020年,江蘇沿海灘涂規(guī)劃圍墾180 000 hm2[4]。

大規(guī)模灘涂圍墾工程的實(shí)施,將改變江蘇沿海海岸地貌(包括海岸線輪廓的改變),引起沿海水動(dòng)力和海岸沖淤總體格局的變化,同時(shí)對(duì)海岸帶環(huán)境產(chǎn)生一定的影響[5-6],因此近岸的風(fēng)浪場(chǎng)在一定程度上也會(huì)受到影響;此外,圍墾區(qū)的建立將改變周邊海域的重現(xiàn)期設(shè)計(jì)波高值,致使其周邊海域水工建筑物的安全性受到威脅;再者,對(duì)擬建圍墾區(qū)實(shí)施后,江蘇沿海海域波高的推算也能夠?yàn)樵摵Ｓ蚝笃谒そㄖ锏脑O(shè)計(jì)提供參考,因此對(duì)江蘇沿海灘涂圍墾規(guī)劃工程實(shí)施后引起的近岸風(fēng)浪場(chǎng)改變進(jìn)行相應(yīng)研究十分有必要。

文中采用MIKE 21 SW模型建立了江蘇近岸風(fēng)浪場(chǎng),對(duì)灘涂圍墾規(guī)劃前后風(fēng)浪場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,重點(diǎn)研究規(guī)劃工程實(shí)施前后近岸區(qū)域50年一遇設(shè)計(jì)有效波高和平均波周期的變化情況,分析圍墾規(guī)劃工程對(duì)近岸風(fēng)浪場(chǎng)的影響。

1 控制方程

MIKE 21 SW模塊基于波作用量守恒方程,采用動(dòng)譜密度N(σ,θ)描述波浪[7]。模型的自變量為相對(duì)頻率σ和波向θ,動(dòng)譜密度N(σ,θ)與能譜密度E(σ,θ)的關(guān)系為

在笛卡爾坐標(biāo)系下,MIKE 21 SW的控制方程,即波作用守恒方程可以表示為

其中,第1項(xiàng)為隨N時(shí)間的變化率;第2項(xiàng)和第3項(xiàng)表示N在x,y方向上的傳播;第4項(xiàng)為由于流場(chǎng)和水深所引起的N在相對(duì)頻率σ空間的變化;第5項(xiàng)為N在譜分布方向θ空間的傳播;S為以能譜密度表示的源匯項(xiàng),包括風(fēng)能的輸入、非線性波波相互作用和由于底摩擦、白浪、破碎引起的能量損耗;cx, cy,cσ和cθ分別表示在x,y,σ和θ空間的波浪傳播速度,表達(dá)式分別為

式中:d為水深;U=(Ux,Uy)為流速;k=(kx,ky)為波數(shù);s為θ向的空間坐標(biāo);m為垂直于s的坐標(biāo)。

MIKE 21 SW模型中的源函數(shù)項(xiàng)是描述各種物理現(xiàn)象的源函數(shù)的疊加形式,即

其中,Sin為風(fēng)能的輸入;Snl為非線性波之間的相互作用;Sds為由于白帽作用引起的能量損耗;Sbot為底摩擦引起的能量損耗;Ssurf為由于水深變化引起的波浪破碎導(dǎo)致的能量損耗。方程采用有限體積法進(jìn)行離散。

模擬過程不考慮流的作用,物理過程包括淺水破碎、底部耗散、風(fēng)能持續(xù)輸入下波浪的折射和繞射等。其中,SW模型的繞射作用采用Holthuijsen等[8]提出的方法。

2 MIKE 21 SW模型建立與驗(yàn)證

2.1 計(jì)算區(qū)域和模型地形

為了確保江蘇海域風(fēng)浪場(chǎng)的計(jì)算精度,計(jì)算范圍(東經(jīng)(E)119.14°～123.0°,北緯(N)30.918°～36.00°)覆蓋了整個(gè)江蘇沿海水域。模型采用以近岸研究區(qū)域?yàn)橹行挠赏夂Ｏ蚪吨鸩郊用艿姆墙Y(jié)構(gòu)化計(jì)算網(wǎng)格,對(duì)于遠(yuǎn)離研究區(qū)域的外海邊界區(qū)域,網(wǎng)格的邊長(zhǎng)約為8 000 m,近岸輻射沙脊群區(qū)域處的網(wǎng)格邊長(zhǎng)約為1 000 m(見圖1),充分反映了江蘇近岸輻射沙脊群區(qū)域的地形變化情況。該海域水深數(shù)據(jù)(85高程基準(zhǔn)面)如圖2所示,灘涂圍墾規(guī)劃實(shí)施后岸線和驗(yàn)證點(diǎn)(西連島和呂四)位置如圖3所示,圖中1～8號(hào)點(diǎn)為江蘇近岸風(fēng)浪場(chǎng)主要比較分析采樣點(diǎn)。

圖1 工程前后模型計(jì)算范圍及網(wǎng)格Fig.1 Calculation area and grid of Jiangsu nearshore before and after p roject

圖2 江蘇近岸海域水深地形Fig.2 Bathymetry of Jiangsu Coast

圖3 工程后岸線Fig.3 Coastline of Jiangsu after project

2.2 計(jì)算條件和參數(shù)選取

2.2.1 邊界條件和參數(shù)的選取 計(jì)算區(qū)域?yàn)殚_敞海域,外海海洋邊界主要為北、南、東三側(cè)。將等深線30 m處確定為外海邊界。為減少誤差保證計(jì)算精度,各個(gè)開邊界均設(shè)有深水波要素參數(shù),模型底摩阻0.01,由于計(jì)算區(qū)域內(nèi)風(fēng)的作用顯著,故波浪破碎指標(biāo)取γ=H/d=0.8,其他參數(shù)選擇DHI推薦值,此種情況下驗(yàn)證效果最好。

2.2.2 水位條件 計(jì)算水域南、北側(cè)設(shè)計(jì)高水位存在差距,模型的計(jì)算水位從連云港至呂四進(jìn)行線性變化處理,計(jì)算水位采用50年一遇最高潮位。其中,連云港50年一遇設(shè)計(jì)最高潮位為4.05 m(廢黃河口基面),呂四50年一遇設(shè)計(jì)最高潮位為5.0 m(廢黃河口基面)[9],85高程基面至廢黃河口基面高差為0.19 m。

2.2.3 風(fēng)場(chǎng)條件 為了直觀快速獲取江蘇近岸重現(xiàn)期風(fēng)浪要素分布情況,風(fēng)場(chǎng)輸入為各方向重現(xiàn)期設(shè)計(jì)風(fēng)速,為定常值,故模型采用定常風(fēng)速。根據(jù)江蘇西連島測(cè)站1981—1998年18年風(fēng)速資料,利用P-III曲線推求海上50年一遇設(shè)計(jì)風(fēng)速作為江蘇海上風(fēng)場(chǎng)資料,其中,東北偏北向(NNE),東北向(NE),東向(E)和東南向(SE)海上50年一遇設(shè)計(jì)風(fēng)速分別為38,41.27,41.09和32.61 m/s。

2.2.4 外海深水波要素 外海深水波要素采用與風(fēng)場(chǎng)相同重現(xiàn)期有效波高以及平均波周期,利用莆田試驗(yàn)站公式[10]處理得到,其各方向外海深水波要素見表1(Hs為有效波高,約為H13%),與馮衛(wèi)兵等[11]計(jì)算結(jié)果接近。

2.3 模型驗(yàn)證

根據(jù)連云港西連島大西山海洋站(34°47′N, 119°26′E;測(cè)波浮筒處水深為平均海平面基面下8.9 m)1981—1997年實(shí)測(cè)波高(H1/10)資料以及呂四海洋站(北緯32°30′、東經(jīng)121°37′,平均海平面下水深約13 m)1968—1990年實(shí)測(cè)波高(H1/10)資料,采用P-III曲線推算不同波向設(shè)計(jì)波高,并采用格魯霍夫斯基波高經(jīng)驗(yàn)分布換算公式[12]將H1/10(約為H4%)換算成H1/3(約為H13%),西連島測(cè)站和呂四測(cè)站波要素,驗(yàn)證結(jié)果見表2、表3。

由表2、表3可知,計(jì)算得到的各個(gè)方向的波高均與實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)值非常接近。結(jié)果表明:采用MIKE 21 SW模型建立的數(shù)學(xué)模型能夠根據(jù)西連島測(cè)站修正到江蘇外海的海上設(shè)計(jì)風(fēng)速推算江蘇近岸風(fēng)浪場(chǎng),推算結(jié)果精度能夠滿足工程要求。

表1 江蘇外海深水波要素Tab.1 W ave parameters offshore in deep water of Jiangsu

表2 西連島波要素計(jì)算驗(yàn)證結(jié)果Tab.2 Verification results of waves in Xilian Island單位:m

表3 呂四波要素計(jì)算驗(yàn)證結(jié)果Tab.3 VerificationresultsofwavesinLvSi單位:m

3 江蘇近岸風(fēng)浪場(chǎng)模擬

根據(jù)西連島測(cè)站實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)風(fēng)速資料,該水域強(qiáng)風(fēng)、浪向?yàn)镹NE向、NE向以及E向,故文中模型主要模擬NNE向、NE向以及E向江蘇近岸50年一遇設(shè)計(jì)風(fēng)浪場(chǎng),其中,設(shè)計(jì)風(fēng)速及設(shè)計(jì)水位均采用50年一遇值。為了便于描述圍墾工程對(duì)江蘇近岸風(fēng)浪場(chǎng)的影響,文中在江蘇近岸研究區(qū)域選取38個(gè)代表采樣點(diǎn),采樣點(diǎn)分布位置如圖3所示,具體經(jīng)緯度、水深(85高程基準(zhǔn)面)以及圍墾規(guī)劃實(shí)施前后的50年一遇設(shè)計(jì)波要素見表4。圖4為江蘇近岸采樣點(diǎn)各方向50年一遇設(shè)計(jì)有效波高工程前后對(duì)比情況,圖5為工程前各向50年一遇有效波高的分布。

表4 江蘇近岸50年一遇設(shè)計(jì)波要素Tab.4 50-year return design wave param eters of Jiangsu near shore

圖4 江蘇近岸采樣點(diǎn)各方向50年一遇設(shè)計(jì)有效波高工程前后的對(duì)比Fig.4 Com parison of 50-year return design significant wave height w ith sam p ling points in Jiangsu coast before and after project

圖5 工程前各向50年一遇有效波高分布Fig.5 Distribution of 50-year return significant wave height of all directions in Jiangsu before project

由圖5可以看出,江蘇各向南北海域的風(fēng)浪場(chǎng)分布有所不同。分析原因可知,由于江蘇沿海南北海域岸線和地貌地形不同,尤其是具有特殊地貌形態(tài)的輻射沙脊群區(qū)域?yàn)椴ɡ水a(chǎn)生大量復(fù)雜破碎、折射的集中區(qū)域,從而導(dǎo)致風(fēng)浪場(chǎng)分布南北海域差異較大。此外,由圖5中工程前各向風(fēng)浪場(chǎng)分布特征可知,北部海域風(fēng)浪場(chǎng)等值線幾乎與等深線平行,而南部海域風(fēng)浪場(chǎng)等值線錯(cuò)綜復(fù)雜,分布情況在一定程度下能夠反映水下地形。波浪到近岸后大量破碎,從12 m等深線(85高程基準(zhǔn)面)處的4 m左右的有效波高急速減小2 m左右。在同一風(fēng)向和波浪向作用下,南、北側(cè)近岸有效波高存在差異,在NNE向、NE向以及E向風(fēng)浪作用下,西連島海洋站附近水深小于呂四海洋站區(qū)域,而50年一遇設(shè)計(jì)有效波高卻高于呂四海洋站;由表4同樣可以看出,對(duì)比位于輻射沙脊群區(qū)域的6號(hào)采樣點(diǎn)與位于北部海域的1號(hào)采樣點(diǎn),6號(hào)點(diǎn)水深明顯大于1號(hào)點(diǎn),而各方向50年一遇設(shè)計(jì)有效波高卻小了1 m左右,因此工程點(diǎn)附近的水深地貌形態(tài)是影響重現(xiàn)期波高的主要因素之一。

比較圖5中的E向與NE向風(fēng)浪場(chǎng)分布情況,發(fā)現(xiàn)NE向與E向江蘇近岸有效波高值存在差異;由表4可知,近岸處NE向50年一遇有效波高比E向高0.1～0.4m左右,且兩個(gè)海洋測(cè)站NE向50年一遇有效波高值均最大。究其原因,不同風(fēng)向波浪從江蘇外海向近岸傳播過程中,由于摩擦、破碎、折射和非線性相互作用致使能量耗散和轉(zhuǎn)換程度有所不同。進(jìn)一步分析可知,E向與NE向設(shè)計(jì)風(fēng)速值基本相同,而NE向有效波高卻稍大于E向有效波高,說明在風(fēng)速相當(dāng)?shù)那闆r下,擁有更長(zhǎng)風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度的NE向波浪可以得到更充分地成長(zhǎng),故風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度對(duì)重現(xiàn)期風(fēng)浪的影響也不容忽視。

4 江蘇沿海灘涂圍墾規(guī)劃工程對(duì)近岸風(fēng)浪場(chǎng)影響

圖6 工程后各向50年一遇有效波高的分布Fig.6 Distribution m ap of 50-year return significant wave height of all directions in Jiangsu after p roject

4.1 江蘇近岸有效波高變化

圖6為工程后各向50年一遇有效波高的分布。

對(duì)比圖5和圖6各向風(fēng)浪場(chǎng)分布可知,從大范圍的有效波高等值線來(lái)看,圍墾工程對(duì)江蘇近岸海域50年一遇設(shè)計(jì)有效波高影響不大,該水域?yàn)┩繃鷫ㄒ?guī)劃實(shí)施前后50年一遇設(shè)計(jì)有效波高等值線幾乎一致。

比較表4中工程前后各向有效波高數(shù)值可知,江蘇南部規(guī)劃圍墾區(qū)海域有效波高變化較大,而北部沿海規(guī)劃圍墾區(qū)有效波高變化較小,其中,位于江蘇北部近岸海域的1號(hào)和2號(hào)采樣點(diǎn)各個(gè)方向50年一遇設(shè)計(jì)有效波高僅增大0.01～0.03m,幾乎不變。而南部海域擬建圍墾區(qū)較多,尤其是輻射沙脊群區(qū)域處條子泥、高泥、東沙等圍墾區(qū)的存在,有效波高受到影響的范圍較大。其中,位于輻射沙脊群區(qū)域的3,4和6號(hào)采樣點(diǎn)均受到規(guī)劃圍墾區(qū)影響,4號(hào)和6號(hào)采樣點(diǎn)各方向有效波高均減小0.1 m,3號(hào)采樣點(diǎn)E向50年一遇設(shè)計(jì)有效波高減小0.15 m,說明輻射沙脊群區(qū)域圍墾規(guī)劃實(shí)施后近岸有效波高有所減小,但數(shù)值變化量級(jí)很小。此外,圖4反映出南部海域近岸7號(hào)采樣點(diǎn)所受影響最大,各方向有效波高減小0.38～0.62 m,而8號(hào)點(diǎn)有效波高未受到影響。

分析變化原因,3號(hào)采樣點(diǎn)因受到東沙圍墾區(qū)部分掩護(hù),E向有效波高有所減小;同時(shí)灘涂圍墾規(guī)劃實(shí)施后岸線形態(tài)發(fā)生變化,尤其是江蘇南部海域,隨著岸線推進(jìn)近岸處有效波高等值線也相應(yīng)地向外海推進(jìn),整體有效波高有所減小。岸線形態(tài)的變化對(duì)位于洋口港-呂四港近岸區(qū)域的7號(hào)采樣點(diǎn)有效波高影響最大,而北部海域由于圍墾規(guī)劃區(qū)域較少,且分布形態(tài)多為狹長(zhǎng)區(qū)域,對(duì)江蘇北部近岸50年一遇設(shè)計(jì)有效波高影響很小。

4.2 江蘇近岸平均波周期變化

江蘇近岸采樣點(diǎn)工程前后各向50年一遇平均波周期對(duì)比情況如圖7所示。

圖7 江蘇近岸采樣點(diǎn)各方向50年一遇平均波周期工程前后的對(duì)比Fig.7 Com parison of 50-year return average wave period w ith sam p ling points in Jiangsu coast before and after

project

觀察圖7可知,與有效波高變化規(guī)律基本相同,江蘇近岸海域50年一遇平均波周期有減小趨勢(shì)。其中,江蘇南部規(guī)劃圍墾區(qū)海域平均波周期變化較大,而北部沿海規(guī)劃圍墾區(qū)平均波周期基本不變。各采樣點(diǎn)中,1,2,6號(hào)和8號(hào)各方向平均波周期受到規(guī)劃圍墾區(qū)的影響很小,而平均波周期受到影響較大的是3號(hào)點(diǎn)的NNE向、4號(hào)點(diǎn)的NNE向、5號(hào)點(diǎn)的NNE向以及7號(hào)點(diǎn)的E向,其中,位于東沙圍墾區(qū)東部的5號(hào)點(diǎn)的NNE向平均波周期減小值達(dá)到1 s。故江蘇沿海灘涂圍墾規(guī)劃實(shí)施后,江蘇近岸50年一遇平均波周期變化最大區(qū)域位于輻射沙脊群區(qū)域,位于洋口港-呂四港近岸區(qū)域的7號(hào)采樣點(diǎn)在一定程度也受到影響。

5 結(jié) 語(yǔ)

文中基于MIKE 21 SW波浪模型對(duì)灘涂圍墾規(guī)劃前后江蘇近岸風(fēng)浪場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,在模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,探討了江蘇近岸50年一遇風(fēng)浪場(chǎng)的分布特征,分析了灘涂圍墾規(guī)劃工程對(duì)近岸50年一遇設(shè)計(jì)波要素的影響,并提供了江蘇水域?yàn)┩繃鷫ㄒ?guī)劃實(shí)施前后50年一遇設(shè)計(jì)波要素。

水深地貌形態(tài)和風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度是影響江蘇近岸重現(xiàn)期波浪的重要因素。江蘇南北海域風(fēng)浪場(chǎng)分布有所不同,北部海域風(fēng)浪場(chǎng)等值線幾乎與等深線平行,而南部海域等值線錯(cuò)綜復(fù)雜,其分布在一定程度下能夠反映水下地形。

江蘇沿海灘涂圍墾規(guī)劃工程實(shí)施后,江蘇近岸50年一遇設(shè)計(jì)有效波高和平均波周期有減小趨勢(shì)。江蘇北部近岸海域50年一遇設(shè)計(jì)有效波高和平均波周期基本不變,而南部近岸海域有效波高和平均波周期變化較大。其中,南部海域采樣點(diǎn)50年一遇設(shè)計(jì)有效波高最大降幅0.62 m,位于洋口港-呂四港近岸區(qū)域;南部海域采樣點(diǎn)50年一遇平均波周期最大降幅1 s,位于東沙圍墾區(qū)東部。

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(責(zé)任編輯:邢寶妹)

Analysis on Effects of Tidal Flat Reclamation on the W ind W ave′s Field in Jiangsu Coast

WANG Qing, LIXi*, HUANG Huiming, WANG Yigang
(Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence of Ministry of Education,Hohai University,Nanjing 210098,China)

According to the recent bathymetry data of Jiangsu coast and themeasured wind data from 1981 to 1998 of Xilian Island,50-year return design wind wave′s field of Jiangsu is simulated.The wave parameters at deep waters are calculated by design wind speed.Based on the validation by the measured data,the wind wave field of Jiangsu coast after reclamation(2010—2020)is also calculated to discuss the impact of tidal flat reclamation on wind wave field in Jiangsu.The feature of50-year return wind wave field in Jiangsu coast is discussed.Specifically,8 sampling points are selected tomake a comparison between waves before and after reclamation.Results show that 50-year return design waves in Jiangsu tend to decrease.The significantwave height and average wave period keep unchanged basically in the northern waterswhile those in the southern waters change a lot.The maximum decrease of significant wave height in sampling points is0.62m,which is located between Yangkou Harbour and LvsiHarbour near shore,and themaximum drop of average wave period in sampling points is 1s,which is at the east of Dongsha Reclamation area.Besides,the distribution of bathymetry and fetch length are important influence factors on return period waves of Jiangsu.

wind waves,radial sand ridges,SW,numerical simulation,tidal flat reclamation

Email:xili@hhu.edu.cn

P 751

A

1671-7147(2015)01-0090-07

book=96,ebook=99

2014-08-12;

2014-09-03。

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAB03B01);江蘇省自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(BK2012411)。

王 晴(1990—),女,江蘇徐州人,港口、海岸與近海工程專業(yè)碩士研究生。

*通信作者:李 熙(1970—),男,江蘇南京人,副教授,碩士生導(dǎo)師。主要從事海洋工程技術(shù)等研究。