黃美玲，陳漢寶，耿寶磊，徐亞男

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國家工程實驗室工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456)

在印度洋北岸的開闊水域，常年波濤洶涌，規(guī)則的長峰波拍擊海岸，給海岸防護(hù)和近岸工程建設(shè)帶來巨大困難。印度洋北岸開敞岸線長達(dá)2 000多公里，包括印度尼西亞、馬來西亞、斯里蘭卡等國家，在大浪影響的區(qū)域又缺乏現(xiàn)場實測的波浪數(shù)據(jù)。在已有的近岸工程建設(shè)中，出現(xiàn)了多個失敗破壞的案例，如防波堤建設(shè)過程中的護(hù)面塊體滾落、高強(qiáng)度的泥沙淤積和系泊船舶斷纜移位等，這些案例多被證明與波浪周期過長有關(guān)。在對實測波浪數(shù)據(jù)的分析中，出現(xiàn)了一些介于5～10 s的周期，與實際觀察的現(xiàn)象不符。通常在島群海域，受不同風(fēng)距的兩組或多組波浪疊加作用，波浪周期會出現(xiàn)類似混合浪的特征，短于涌浪而長于風(fēng)浪。這些面對幾千公里的完全開闊海域尚未有相關(guān)報道或研究。

1 雙峰譜的研究現(xiàn)狀

隨著人類開發(fā)海洋步伐的加快，人們對海浪的統(tǒng)計特征，方向譜的研究更加深入。國內(nèi)學(xué)者對雙峰波譜型海浪作了大量的研究[1-8]。隋世峰[1]用規(guī)則的單峰海浪頻譜表示混合浪的頻譜。黃培基[2]等通過分析膠州灣實測雙峰海浪譜的譜型特征，提出了一個含6個參量的雙峰海浪譜公式。陳雪英[3]等探討了雙峰譜型海浪的波要素概率分布及其群性特征，并與單峰譜型海浪進(jìn)行了比較。管長龍[4]等對雙峰海浪頻譜采用分譜疊加的思想，很好地解釋了以往雙峰譜在高頻部分過高統(tǒng)計的問題。陳雪英[5]等利用實測雙峰譜型海浪資料，討論了雙峰譜型下波高與周期的聯(lián)合分布。趙棟梁[6]等采用兩種分辨力較高的方向譜估計方法對雙峰方向分布做了深入的研究，探討其物理本質(zhì)。潘玉萍[7]等采用最新的隨機(jī)波分析方法，研究雙峰型海浪波高和周期的聯(lián)合概率密度分布。這些研究多基于兩組或多組不同周期波浪的疊加特性。

2 赤道無風(fēng)帶開敞水域波浪特性研究現(xiàn)狀

爪哇島南岸面對的印度洋海域面積廣闊，波浪呈現(xiàn)長周期、大波高特征，對工程影響較大，故對印度洋開敞海域的波浪特性研究非常有意義。梅勇[8]、尹兵[9]、張弦[10]、劉金芳、梁玉清[11]、鄭崇偉[12]、封有德[13]等分別研究了北印度洋-南海海域海浪場、南印度洋、北大西洋、地中海等地的風(fēng)、浪、涌的特點及其變化規(guī)律，對風(fēng)場、風(fēng)浪、涌浪、混合浪的特征進(jìn)行分析。周加杰等[14]的工程報告指出，印度洋環(huán)境的波浪則表現(xiàn)為周期大、波長長，而印尼沿海受印度洋波浪影響，強(qiáng)浪主要由2種涌浪組成，季風(fēng)期外海涌浪與風(fēng)成浪相互疊加，近岸水流變化劇烈，基本無法施工；非季風(fēng)期波浪主要表現(xiàn)為外海環(huán)境變化所引起的近岸涌浪，涌浪周期一般大于10 s，平均周期大于 13 s，最大周期達(dá)21 s，波長大于180 m，波高達(dá)3.5 m，高波高、大周期、長波長波浪是破壞海洋建筑物的主因。這些針對無風(fēng)帶開闊海域的波浪研究沒有涉及雙峰譜的波浪特征。

3 印尼爪哇島南岸雙峰譜特征

將印尼爪哇島南岸中部的實測波浪資料對比JONSWAP譜進(jìn)行研究，如下

(1)

(2)

(3)

取參照J(rèn)ONSWAP譜的窗函數(shù)，對一年多逐日的波浪實測資料進(jìn)行譜分析，再對每個月的波浪譜按周進(jìn)行疊加，得到代表雨季的10月份和3月份，以及代表旱季的7月份和9月份各4周的波浪頻譜，見圖1～圖4。

圖1 十月份典型波譜圖Fig.1 Typical spectrum in October

圖2 三月份典型波譜圖Fig.2 Typical spectrum in March

圖3 七月份典型波譜圖Fig.3 Typical spectrum in July

圖4 九月份典型波譜圖Fig.4 Typical spectrum in September

參考圖1～圖4典型月份波譜圖，分析各月的數(shù)據(jù)，可知印尼爪哇島南岸7、8、9等旱期月份低頻涌浪和高頻波浪所占能量相差無幾；雨季低頻涌浪所占能量很大，高頻波浪部分所占能量很小。

圖5 典型地區(qū)(RATU)年風(fēng)玫瑰圖Fig.5 Annual wind rose chart at RATU

印尼爪哇島南岸地理位置在赤道無風(fēng)帶，即使在旱季，風(fēng)速也很小，多年統(tǒng)計的短時風(fēng)速大值多小于30 knots，平均風(fēng)速在5 knots左右(圖5)，同時風(fēng)向變化很快，因此難以產(chǎn)生較大的風(fēng)浪。

印尼爪哇島南岸面對的印度洋海域面積廣闊，跨越了南半球的所有風(fēng)帶；波浪在充足海域空間內(nèi)、在大風(fēng)的作用下，充分成長為大浪。這種大浪在由外海傳至岸邊時，由于彌散和角散的作用，高頻的短波部分在內(nèi)摩擦作用不斷消耗、低頻的長波部分分離出去，在達(dá)到近岸時表現(xiàn)為長周期的涌浪。這是雨季和旱季波浪的主要組成部分。

圖6 典型地區(qū)(Adipala)預(yù)報資料波高 周期分布關(guān)系Fig.6 Distribution of wave heights and periods of forecast data at Adipala

雨季季風(fēng)向與涌浪方向相反，同時降雨較多，一定程度上降低了波浪活躍程度，綜合表現(xiàn)出波浪平均強(qiáng)度較弱，高頻的風(fēng)浪的短波部分到達(dá)近岸時消耗相對較大，因此所占譜能量很少。旱季則風(fēng)向與涌浪方向相同，同時基本無降雨，遠(yuǎn)海洋流活躍，波浪平均強(qiáng)度較強(qiáng)，高頻的風(fēng)浪的短波部分到達(dá)近岸時消耗相對較小，因此低頻和高頻部分占譜能量的比例相差無幾。在對大浪的分析中，進(jìn)一步出現(xiàn)了大浪對應(yīng)周期短于平常涌浪的情況，見圖6。

根據(jù)上述分析可以發(fā)現(xiàn)，印尼爪哇島南岸波浪具有明顯的長周期波浪特征，長周期波浪對海岸工程結(jié)構(gòu)有強(qiáng)烈沖擊作用，例如長周期海域近岸水體會在斜坡胸墻前急劇破碎，強(qiáng)大沖擊力破壞胸墻整體穩(wěn)定性。因此在斜坡堤胸墻設(shè)計中，應(yīng)該著重物理模型的驗證結(jié)果，修正規(guī)范和經(jīng)驗公式造成的偏小誤差。長周期雙峰譜波浪中低頻部分，也會對離岸式開敞碼頭停泊的船舶有較大影響，船舶各運(yùn)動分量也會比純風(fēng)浪條件下大，對系泊安全有很大影響。因此，如何防護(hù)長周期波浪的破壞是該海域相關(guān)工程中需考慮的重要問題之一。

4 結(jié)論

(1)印度洋北岸赤道無風(fēng)帶開闊海域的波浪呈現(xiàn)出季節(jié)性的雙峰譜特性，旱季高頻、低頻波浪能量相當(dāng)，雨季以低頻波浪為主；(2)赤道無風(fēng)帶風(fēng)弱、風(fēng)向變化快，難以形成較大的風(fēng)浪，高頻波浪也來自于南部海區(qū)較近海域風(fēng)浪的傳播；(3)分析的雙峰譜各波浪成分與傳播距離有關(guān)，不同海域會呈現(xiàn)較大差異，同時大浪的波高與周期聯(lián)合分布特征還需要進(jìn)一步的研究。