楊春平，陳 濤

（1.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032；2.中港疏浚有限公司，上海 200120）

通州灣腰沙二港池的泊穩(wěn)條件

楊春平1，陳 濤2

（1.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032；2.中港疏浚有限公司，上海 200120）

波浪是海岸動(dòng)力中最基本的要素之一，近岸波浪在水下地形及陸域邊界等客觀條件的影響下將會(huì)發(fā)生包括折射、繞射在內(nèi)的各種變形，其物理現(xiàn)象較為復(fù)雜。以通州灣匡圍工程為例，利用MIKE 21 SW二維波浪數(shù)值模型對(duì)不同平面布置條件下的腰沙二港池規(guī)劃碼頭的泊穩(wěn)條件進(jìn)行研究。圍墾區(qū)的建設(shè)有效阻擋了偏北向、偏東向的大部分波浪向碼頭區(qū)的傳播，港內(nèi)水域主要受偏S向的波浪影響。根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，碼頭區(qū)偏南向波浪較小，碼頭前沿泊穩(wěn)條件較好。

通州灣；MIKE 21 SW波浪模型；泊穩(wěn)條件

0 引言

波浪作為輻射沙洲區(qū)域的主要海岸動(dòng)力之一[1]，在塑造獨(dú)特的輻射沙脊地形方面起著至關(guān)重要的作用。在通州灣大開發(fā)的背景下，研究該海域的波浪特征對(duì)海洋資源的開發(fā)利用以及沿岸的工程建設(shè)具有重要的意義[2]。輻射沙洲海域的波浪模擬也有不少研究，這些研究對(duì)于了解蘇北輻射沙洲區(qū)的波浪特征是很重要的[3-4]，但對(duì)于通州灣水下地形及陸域邊界等客觀條件發(fā)生變化的情況下，該海域的波浪依然有需要進(jìn)一步研究的地方。本文以通州灣匡圍工程為例，采用MIKE 21 SW波浪模型展開了波浪數(shù)學(xué)模型計(jì)算，對(duì)不同平面布置條件下的規(guī)劃碼頭的泊穩(wěn)條件進(jìn)行研究。

擬建通州灣匡圍工程區(qū)位于長(zhǎng)江口北岸江蘇省南通市東部海岸，小廟洪水道尾段北側(cè)腰沙上。工程區(qū)域南為通州作業(yè)區(qū)圍墾區(qū)，北為如東冷家沙邊灘。其位置如圖1所示。

1 匡圍工程平面布置方案

規(guī)劃碼頭擬建于通州灣港區(qū)港池頂部，相應(yīng)的設(shè)計(jì)邊界條件應(yīng)考慮港池圍墾形成后。港池口門處近期不設(shè)防沙堤，遠(yuǎn)期將視泥沙回淤情況考慮是否增設(shè)防沙堤。因此，本報(bào)告分別就口門有防沙堤和無防沙堤進(jìn)行波浪數(shù)值模擬，推算設(shè)計(jì)波要素。各方案平面布置如圖2所示。

圖1 工程區(qū)位置示意圖Fig.1 The location of this project

圖2 平面布置示意圖Fig.2 The plane layout

1）方案一（無防沙堤方案）

方案一為近期方案，航道及規(guī)劃碼頭前沿線以外港池水域底標(biāo)高為-11.3 m（呂四理論最低潮面，下同），碼頭前沿線距陸域圍堤約125 m，邊坡1頤3.5。卸煤碼頭停泊區(qū)設(shè)計(jì)底標(biāo)高-13.5 m（需疏浚），綜合碼頭設(shè)計(jì)底標(biāo)高-8.2 m。

2）方案二（有防沙堤方案）

方案二為在港池口門附近增設(shè)防沙堤的方案，其中東堤堤長(zhǎng)534 m，西堤堤長(zhǎng)809 m，其余部分與方案一相同。

2 模型簡(jiǎn)介

本文采用2011版MIKE 21 SW波浪模型進(jìn)行工程區(qū)附近海域波浪數(shù)值模擬計(jì)算。MIKE 21 SW由丹麥水力研究所（DHI）研發(fā)，模型自開發(fā)以來吸取了世界范圍內(nèi)大量實(shí)際工程的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，在國(guó)際河口、海岸及海洋工程設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用和持續(xù)發(fā)展[5]。

MIKE 21 SW模塊考慮到的物理現(xiàn)象有：風(fēng)生浪；波原波間的非線性作用；白帽引起的能量損耗；底摩阻引起的能量損耗；水深變化引發(fā)的波浪破碎產(chǎn)生的能量損耗；波浪反射、繞射及淺水變形；波原流間的相互作用；水深變化以及干濕區(qū)的影響。

MIKE 21 SW基于波作用守恒方程，采用波作用密度N（滓，茲）來描述波浪。模型的自變量為相對(duì)波頻率滓和波向茲。波作用密度與波能譜密度的關(guān)系為：

式中：滓為相對(duì)頻率；茲為波向。

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：

式中：d為水深；k=（kx，ky）為波數(shù)；s為沿茲方向空間坐標(biāo)；m為垂直于s的坐標(biāo)。

在球坐標(biāo)系下：

式中：R為地球半徑；準(zhǔn)為緯度；姿為經(jīng)度。波作用守恒方程的形式為：

式中：S為總的源函數(shù)。

MIKE 21 SW模型中的源函數(shù)項(xiàng)描述了各種物理現(xiàn)象的源函數(shù)的疊加：

式中：Sin指風(fēng)輸入的能量；Snl指波與波之間的非線性作用引起的能量損耗；Sds指由白帽引起的能量損耗；Sbot指底摩阻引起的能量損耗；Ssurf指由于水深變化引起的波浪破碎產(chǎn)生的能量損耗。

3 模型設(shè)置

根據(jù)通州灣匡圍區(qū)地形地貌特點(diǎn)，選擇了輻射沙洲外緣-20耀-25 m等深線作為波浪計(jì)算的起始邊界，南邊界至31毅54憶N，北邊界至32毅45憶N。模型計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量是模型的計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)短的主要影響因素之一，本波浪模型采用靈活的三角形網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行地形的概化，為了節(jié)約模型的計(jì)算時(shí)間，同時(shí)又滿足模擬的精度要求，對(duì)于外海邊界等非本報(bào)告重點(diǎn)研究的區(qū)域計(jì)算網(wǎng)格的邊長(zhǎng)約為1 km，并在工程附近海域進(jìn)行了加密，越接近研究區(qū)域網(wǎng)格越小，對(duì)于匡圍區(qū)所在區(qū)域，網(wǎng)格最小邊長(zhǎng)約為100 m，計(jì)算網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)數(shù)為21 070個(gè)，網(wǎng)格單元格為41 332個(gè)，計(jì)算時(shí)底摩擦系數(shù)取為0.01。模型水下地形采用實(shí)測(cè)水下地形資料，腰沙工程區(qū)水下地形更新至2014年實(shí)測(cè)水下地形。模型的地形及網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 波浪模型的計(jì)算網(wǎng)格Fig.3 The computational mesh of the wave model

匡圍工程港池口門朝南，對(duì)偏東、偏北方向的外海波浪具有較好的掩護(hù)作用，港內(nèi)水域主要受偏S向的波浪影響，特別是口門附近的波高較大，影響碼頭的泊穩(wěn)條件。港內(nèi)波浪主要考慮SE向、S向、SW向3個(gè)主要波浪方向。

2013年8月河海大學(xué)《通州灣腰沙圍墾二期通道工程前沿設(shè)計(jì)波要素推算》報(bào)告收集了距離擬建工程相對(duì)較近的呂四氣象站、如東等氣象站的風(fēng)速觀測(cè)資料，采用海-陸風(fēng)速訂正的方法，確定海面上的計(jì)算風(fēng)速，并對(duì)輻射沙洲外緣-20耀-25 m等深線處的波要素進(jìn)行了羅列[6]。參考該報(bào)告，本文各方向的設(shè)計(jì)風(fēng)速及深水波要素分別如表1、表2所示。

表1 匡圍工程區(qū)不同重現(xiàn)期風(fēng)速Table 1 The return period wind speed for the inning project aream/s

表2 各方向-20耀-25 m等深線處的波要素Table 2 The design wave parameters of the-20 to-25 m depth contour in each direction

4 規(guī)劃碼頭泊穩(wěn)條件分析

在匡圍工程口門布置有防沙堤和無防沙堤時(shí)，規(guī)劃碼頭前沿水域設(shè)計(jì)高水位下2 a一遇設(shè)計(jì)波浪要素分別如表3、表4所示，SE向、S向、SW向2 a一遇波高波向分布圖分別如圖4、圖5、圖6所示。由表可知，在無防沙堤的條件下，碼頭前沿2 a一遇H4%最大為0.86 m（SE向），對(duì)應(yīng)波周期4.4 s；在有防沙堤的條件下，碼頭前沿2 a一遇H4%最大為0.70 m（SE向），對(duì)應(yīng)波周期4.4 s?？飮こ谈鄢赝２此虺誓?北向布置，碼頭前沿設(shè)計(jì)波浪均為順浪，波周期均小于6 s；而本區(qū)各向2a一遇的設(shè)計(jì)風(fēng)速均超過6級(jí)風(fēng)上限（13.8m/s）。由表3、表4可知，在有防沙堤的布置方案下，對(duì)于不同重現(xiàn)期、波向、設(shè)計(jì)水位等各種工況條件，碼頭前沿的波高均在無防沙堤的布置方案下略有降低，說明口門處防波堤的設(shè)置對(duì)波浪向碼頭前沿的傳播起到了一定的阻礙作用?？偠灾?，在有、無防沙堤的條件下，本碼頭前沿泊穩(wěn)條件均較好。

表3 碼頭前沿2 a一遇波浪（有防沙堤）Table 3 2 a return period wave of the harbor basin (with jetty)

表4 碼頭前沿2 a一遇波浪（無防沙堤）Table 4 2 a return period wave of the harbor basin (without jetty)

圖4 SE向2 a一遇波高波向矢量圖Fig.4 2 a return period wave distribution form SE direction

圖5 S向2 a一遇波高波向矢量圖Fig.5 2 a return period wave distribution form S direction

圖6 SW向2 a一遇波高波向矢量圖Fig.6 2 a return period wave distribution form SW direction

5 結(jié)語

1）本文采用MIKE 21 SW波浪數(shù)值模型，搭建通州灣海域匡圍工程區(qū)波浪數(shù)值模型，并根據(jù)本海域經(jīng)驗(yàn)參數(shù)對(duì)波浪數(shù)值模型進(jìn)行調(diào)整。

2）基于搭建的波浪數(shù)值模型，計(jì)算2 a一遇波浪入射情況下匡圍工程港池碼頭附近的波浪分布情況?？飮こ谈鄢乜陂T朝南，外海偏東向的波浪進(jìn)入該地區(qū)后，受到地形、底部摩阻等多種因素的作用，波浪發(fā)生較大的變形，波高衰減較快，圍墾區(qū)的建設(shè)有效阻擋了偏北向、偏東向的大部分波浪向碼頭區(qū)的傳播；港內(nèi)水域主要受偏S向的波浪影響，偏南向（S耀SW）的波浪主要受當(dāng)?shù)匦★L(fēng)區(qū)風(fēng)浪的影響，并且水深較淺，碼頭區(qū)的波浪也較小。

3）在無防沙堤的布置方案下，2 a一遇波浪與設(shè)計(jì)高水位組合時(shí)，碼頭前沿百分之一大波（H1%）最大為1.03 m，對(duì)應(yīng)H4%波高為0.86 m，對(duì)應(yīng)波周期為4.4 s；在有防沙堤的布置方案下，2 a一遇波浪與設(shè)計(jì)高水位組合時(shí)，碼頭前沿百分之一大波（H1%）最大為0.83 m，對(duì)應(yīng)H4%波高為0.70 m，對(duì)應(yīng)波周期為4.4 s。

4）對(duì)于無防沙堤、有導(dǎo)流的平面布置方案，碼頭前沿2 a一遇H4%波高均較小，波周期<6 s，而2 a一遇風(fēng)速已超過6級(jí)風(fēng)上限。因此，本碼頭前沿泊穩(wěn)條件較好。

[1] 馮衛(wèi)兵，洪廣文.水流中波浪繞射折射數(shù)值計(jì)算與分析[J].海洋工程，2000，18（4）：13-20.

FENG Wei-bing,HONG Guang-wen.Numerical computation and analysis of wave diffraction-refraction in water with varying current and topography[J].Ocean Engineering,2000,18(4):13-20.

[2] 陸培東.南通通州作業(yè)區(qū)圍墾項(xiàng)目波浪數(shù)學(xué)模型研究報(bào)告[R].南京：水利科學(xué)研究院，2011.

LU Pei-dong.Research report on numerical wave modeling for the reclamation project in Tongzhou Bay,Nantong[R].Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute,2011.

[3] 邱桔斐.江蘇沿海風(fēng)、浪特征研究[D].南京：河海大學(xué)，2005.

QIU Ju-fei.The characteristics of wind and wave in coastline of Jiangsu[D].Nanjing:Hohai University,2005.

[4] 楊耀中，馮衛(wèi)兵.南黃海輻射沙脊群波浪場(chǎng)數(shù)值模擬[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，38（4）：457-461.

YANG Yao-zhong,FENG Wei-bing.Numerical simulation of wave fields in radial sand ridge filed of southern Yellow Sea[J].Journal of Hohai University:Natural Sciences,2010,38(4):457-461.

[5]DHI.MIKE 21 SW spectral waves FM module user guide[K].Den原mark:DHI,2011.

[6] 馮衛(wèi)兵.通州灣腰沙圍墾二期通道工程前沿設(shè)計(jì)波要素推算[R].南京：河海大學(xué)，2013.

FENG Wei-bing.Estimation of the frontier design wave elements of channel engineering of the phase II reclamation project in Yaosha,Tongzhou Bay[R].Nanjing:Hohai University,2013.

[7]JTS 145—2015，港口與航道水文規(guī)范[S]. JTS 145—2015,Code of hydrology for harbour and waterway[S].

Mooring condition of the second basin at Yaosha in the Tongzhou Bay

YANG Chun-ping1,CHEN Tao2
（1.CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China; 2.CHEC Dredging Co.,Ltd.,Shanghai 200120,China）

Wave is one of the important dynamic factors on coastal area.Under the influence of the objective conditions,such as the underwater topography and water-land boundaries,the near shore wave will occur various kinds of deformation, including diffraction and reflection.The wave physical phenomena are complex.Taking the inning project in Tongzhou Bay as an example,we used the MIKE 21 SW 2-D wave model to study the mooring conditions for the planned harbor of the second Basin at Yaosha in Tongzhou Bay under different layout schemes.The reclamation project can effectively obstruct waves coming from north and east,only south wave can affect the planned harbor basin.According to the model results,the wave from south direction is small and the mooring conditions are good in the planned harbor basin.

Tongzhou Bay;MIKE 21 SW wave model;mooring condition

U656.313

A

2095-7874（2017）04-0063-05

10.7640/zggwjs201704015

2017-02-27

2017-03-14

楊春平（1982— ），女，湖北荊州人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事港口、海岸及近海工程專業(yè)設(shè)計(jì)工作。E-mail：yangcp@theidi.com