張亞敬 姜云鵬 徐亞男 張維

摘 要：孟加拉灣是21世紀(jì)海上絲綢之路的重要海區(qū)，也是熱帶氣旋多發(fā)的海區(qū)。本文分析了孟加拉灣東海岸的風(fēng)與波浪特征，提出用代表波高來(lái)描述該海區(qū)的年均波浪強(qiáng)度，并對(duì)波高極大值應(yīng)進(jìn)行重現(xiàn)研究。對(duì)港址的選擇、波浪設(shè)計(jì)要素的推算和防浪工程設(shè)計(jì)有指導(dǎo)意義，為一帶一路近岸港口、電廠以及島橋建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及研究新經(jīng)驗(yàn)，為近岸工程規(guī)劃、立項(xiàng)、實(shí)施提供決策依據(jù)，保證工程建設(shè)取得預(yù)期成果。

關(guān)鍵詞：孟加拉灣;波浪特征;建港技術(shù)

中圖分類號(hào)：U652? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）03-0157-04

孟加拉灣作為21世紀(jì)海上絲綢之路的重要海區(qū)，同時(shí)又是熱帶氣旋的多發(fā)海域，每年都會(huì)受到風(fēng)暴潮的侵襲，是世界上受風(fēng)暴潮影響最嚴(yán)重的海區(qū)之一。風(fēng)暴潮及伴隨的大浪對(duì)海岸地區(qū)安全具有直接威脅。因此，科學(xué)分析孟加拉灣海域的風(fēng)浪特征，為海岸開(kāi)發(fā)建設(shè)與航運(yùn)安全提供基礎(chǔ)參數(shù)，對(duì)孟加拉灣海上工程的開(kāi)展和實(shí)施具有十分重要的意義。

孟加拉灣位于印度洋北部，西臨印度半島，東臨中南半島，經(jīng)馬六甲海峽與泰國(guó)灣和南海相連。面積217萬(wàn)km2，平均水深為2586m，最大深度5258m，總?cè)莘e為561.6萬(wàn)km3 ，它的深海盆大致呈“U”字形，是世界第一大海灣。孟加拉灣普遍存在浪大周期長(zhǎng)，潮流動(dòng)力復(fù)雜等特點(diǎn)。目前眾多工程項(xiàng)目面臨如下風(fēng)險(xiǎn)：港池航道泥沙淤積嚴(yán)重、取水水深難以保證，驟淤風(fēng)險(xiǎn)大;海洋潮流動(dòng)力強(qiáng)，電廠取水溫升面臨風(fēng)險(xiǎn);孟加拉灣是世界上遭受熱帶風(fēng)暴、洪水和海平面上升最嚴(yán)重的地區(qū)，海上過(guò)駁作業(yè)與碼頭作業(yè)均面臨達(dá)不到工程需要的情況。因此準(zhǔn)確評(píng)估海灣水動(dòng)力環(huán)境條件，可以為港口工程建設(shè)提供綜合決策。

1孟加拉灣海岸的波浪強(qiáng)度分析

海洋中波浪可以劃分為3種不同的波浪形態(tài)，即風(fēng)浪、涌浪和混合浪，混合浪是風(fēng)浪與涌浪疊加而成的波浪。對(duì)風(fēng)條件進(jìn)行分析是研究該海域波浪的前提，波浪的年均強(qiáng)度和多年大浪統(tǒng)計(jì)值是反映該海區(qū)波浪特征的最主要參數(shù)。

1.1季風(fēng)

由于海陸間存在的熱力差異，隨著季節(jié)變化而引起高、低壓中心和風(fēng)帶的移動(dòng)，冬、夏兩季的季風(fēng)盛行方向幾乎相反，夏季由海向陸吹，冬季由陸向海吹[1]。北印度洋是世界上最顯著的季風(fēng)區(qū)，其具有明顯的熱帶海洋性和季風(fēng)性特征。孟加拉灣主要受季風(fēng)的控制，一季度印度洋NE風(fēng)盛行，受季風(fēng)影響孟加拉灣海域以NE風(fēng)為主，二季度由NE季風(fēng)轉(zhuǎn)變?yōu)镾W;三季度在SW季風(fēng)的影響下，孟加拉灣的風(fēng)向以SW方向?yàn)橹?四季度季風(fēng)由SW季風(fēng)轉(zhuǎn)向?yàn)镹E為主導(dǎo)。北印度洋上涌浪的大小和方向受季風(fēng)控制，SW涌浪發(fā)生在SW季風(fēng)期間。

1.2 臺(tái)風(fēng)

臺(tái)風(fēng)浪給海上施工、航海、漁業(yè)和軍事活動(dòng)等帶來(lái)災(zāi)害。當(dāng)臺(tái)風(fēng)浪傳播到近岸會(huì)沖跨摧毀堤岸、港口碼頭以及海上建筑物，給人類造成巨大的損失，致使各種水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)遭受巨大經(jīng)濟(jì)損失[2]。根據(jù)美國(guó)大氣海洋局提供的熱帶氣旋資料，1977年至2017年孟加拉灣海域生成的熱帶氣旋共151個(gè)，平均每年生成3.68個(gè)熱帶氣旋。臺(tái)風(fēng)的路徑很是復(fù)雜，非常難找到兩個(gè)完全一致的臺(tái)風(fēng)路徑。在151場(chǎng)熱帶氣旋中，其中有57場(chǎng)臺(tái)風(fēng)對(duì)孟加拉灣東海岸產(chǎn)生影響，約占總數(shù)的38%。此外孟加拉灣海域熱帶氣旋的年際變化特征較大，其中1992年熱帶氣旋最多達(dá)到9次。

從季節(jié)分布來(lái)看，孟加拉灣熱帶氣旋在秋季（9月、10月、11月）發(fā)生的頻數(shù)最多，期間共發(fā)生的次數(shù)為80次，約占總數(shù)的52.98%，超過(guò)了其他的熱帶氣旋發(fā)生頻數(shù)的總和（71個(gè)）;春節(jié)與冬季的頻數(shù)相差無(wú)幾，均多于夏季熱帶氣旋發(fā)生的次數(shù)。孟加拉灣熱帶氣旋月變化及強(qiáng)度分布見(jiàn)圖4和圖5。從月份分布來(lái)看，孟加拉灣的熱帶氣旋呈現(xiàn)出明顯的雙峰值的變化特征，峰值分別出現(xiàn)在5月和11月;強(qiáng)氣旋風(fēng)暴、特強(qiáng)氣旋風(fēng)暴和超級(jí)氣旋風(fēng)暴較多發(fā)生在4月、5月、10月和11月，超級(jí)氣旋風(fēng)暴較多。

1.3孟加拉灣東海岸的波浪年均強(qiáng)度

波浪的年均強(qiáng)度體現(xiàn)了該區(qū)海洋水動(dòng)力的主強(qiáng)度，是水域?qū)挾取L(fēng)和地形特征的綜合體現(xiàn)，是判斷波浪動(dòng)力的主要指標(biāo)。本研究通過(guò)多向能量加權(quán)得到一個(gè)代表波高值作為波浪年平均強(qiáng)度。

式中：為波浪年平均強(qiáng)度;為i向波浪出現(xiàn)頻率;為i向平均波高;i代表出現(xiàn)的16個(gè)方位。

1.4孟加拉灣海岸的最大波高

最大波高以及強(qiáng)浪向等是反映海岸強(qiáng)浪的主要參數(shù)，是海岸工程設(shè)計(jì)和安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)資料，與工程造價(jià)具有直接影響。孟加拉灣東海岸的最大波高往往是由臺(tái)風(fēng)引起的，在臺(tái)風(fēng)期間由臺(tái)風(fēng)引起的臺(tái)風(fēng)浪在波向上具有不確定性以及水深地形對(duì)波浪傳播的影響，從而導(dǎo)致最大波高無(wú)法通過(guò)數(shù)值模型模擬的方法來(lái)獲取。此外，大浪不單純只是風(fēng)浪或者涌浪，而是有兩者共同組成的混合浪，同時(shí)還包含波浪繞射、折射以及反射而產(chǎn)生的多種波的重疊。如果此時(shí)對(duì)大浪進(jìn)行統(tǒng)計(jì)劃分，并以此作為大浪的驗(yàn)證依據(jù)來(lái)推算孟加拉灣海域的波浪特征，這種結(jié)果通常是不可信的。統(tǒng)計(jì)的孟加拉灣東海岸的波高的平均值及最大值表現(xiàn)在表2中。觀測(cè)數(shù)據(jù)隨著時(shí)間的變化也在不斷的更新中，因此平均值以及最大值也會(huì)隨之變化。由于孟加拉灣作為臺(tái)風(fēng)的多發(fā)海區(qū)，當(dāng)有臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)東海岸時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)較大的波浪數(shù)據(jù)出現(xiàn)，因此如何準(zhǔn)確的獲取臺(tái)風(fēng)期間最大波高的數(shù)值和方向是評(píng)價(jià)大浪最根本的依據(jù)。

2孟加拉灣東海岸建港中需要注意的問(wèn)題

2.1波要素分析依據(jù)

海岸工程設(shè)計(jì)波浪標(biāo)準(zhǔn)包括兩個(gè)方面：一個(gè)是重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)，另一個(gè)是波列累計(jì)頻率標(biāo)準(zhǔn)。在港口工程設(shè)計(jì)中有兩種基本方法來(lái)推求某一重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)波浪，其中第一種方法是“浪推浪”，即根據(jù)建港海域觀測(cè)站提供的多年累計(jì)的波浪觀測(cè)資料，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析來(lái)獲得平均波高、有效波高、顯著波高等特征波，采用威布爾分布、皮爾遜Ⅲ型曲線或瑞利分布等數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行波浪分布規(guī)律的分析，根據(jù)統(tǒng)計(jì)出的分布規(guī)律來(lái)最終確定不同重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)波浪。實(shí)測(cè)波浪資料是波要素統(tǒng)計(jì)分析的最直接依據(jù)，是對(duì)觀測(cè)水域波浪特點(diǎn)、水下地形、掩護(hù)情況的綜合體現(xiàn)。一般對(duì)離岸向應(yīng)進(jìn)行風(fēng)浪修正，對(duì)順岸向應(yīng)進(jìn)行折射修正，對(duì)有掩護(hù)情況應(yīng)進(jìn)行繞射修正，對(duì)大波進(jìn)行地形與破碎修正[3]。

第二種方法是“風(fēng)推浪”，在無(wú)法獲得建港海域的觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，可以采用建港海域氣象臺(tái)的風(fēng)況資料或者天氣圖。通過(guò)分析建港海域風(fēng)、浪要素的相互關(guān)系后報(bào)出某一時(shí)刻的波浪要素，然后再利用第一種方法來(lái)確定不同重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)波浪。當(dāng)采用“風(fēng)推浪”計(jì)算時(shí)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行風(fēng)向與浪向一致性的分析，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的情況表明浪向與風(fēng)向在16個(gè)方位的分布頻率上存在著明顯的不同，所以在涌浪所占的比例很高或者波浪的折射現(xiàn)象影響較大時(shí)，不建議采用“風(fēng)推浪”的計(jì)算方法。

孟加拉灣東海岸受臺(tái)風(fēng)影響的比較頻繁，直接決定了該海區(qū)的重現(xiàn)期波浪要素。由于各種計(jì)算模式仍然處于研究階段，還沒(méi)有十分明確的臺(tái)風(fēng)浪要素推算方法。多數(shù)學(xué)者通常采用理論風(fēng)場(chǎng)模型以及聯(lián)合風(fēng)場(chǎng)對(duì)臺(tái)風(fēng)浪[4-7]作進(jìn)一步的研究。為了準(zhǔn)確地推算臺(tái)風(fēng)波浪要素，不僅應(yīng)該考慮臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)中最大風(fēng)速半徑以及移行風(fēng)速等因素，還應(yīng)該考慮到臺(tái)風(fēng)期間大浪、風(fēng)暴增水以及各類臺(tái)風(fēng)出現(xiàn)頻率等問(wèn)題的研究。

在波要素統(tǒng)計(jì)分析中，還應(yīng)分析工程區(qū)不同水位對(duì)波浪傳播的影響。當(dāng)波浪向近岸淺水區(qū)傳遞時(shí)，因水深變化以及底坡摩擦等原因，波高、波向等發(fā)生變化，需進(jìn)行波浪淺水變形計(jì)算。深水區(qū)波浪進(jìn)入淺水區(qū)時(shí)，底坡摩擦使波高減小，同時(shí)水深漸淺使波高增大[8]。因此在進(jìn)行波要素統(tǒng)計(jì)分析時(shí)應(yīng)該先將其推至深水區(qū)，再考慮不同的水位進(jìn)行工程區(qū)的波要素。

2.2波浪周期

長(zhǎng)周期波浪通常波高不高，一般小于1.5m，不同于一般風(fēng)浪及短周期涌浪，但周期與波長(zhǎng)較長(zhǎng)，波速較大，在水平方向上能量較大并極具穿透性，能夠穿透可透浪防波堤而對(duì)港內(nèi)水動(dòng)力環(huán)境產(chǎn)生顯著影響，對(duì)港口建筑物的破壞力極大[9]。楊憲章[10]認(rèn)為長(zhǎng)周期波的波高較小，一般在幾十厘米以下，但其波長(zhǎng)較長(zhǎng)、波速較大，所以在水平方向上水的流動(dòng)性很大，具有相當(dāng)大的波動(dòng)能量。姜云鵬等人認(rèn)為[11]在長(zhǎng)周期波海區(qū)，波浪能量大，爬高水體在胸墻前發(fā)生急劇破碎，對(duì)胸墻形成的瞬間沖擊力會(huì)非常大，對(duì)整體穩(wěn)定性不利。劉艷等人認(rèn)為在港口工程設(shè)計(jì)中，須特別注意長(zhǎng)周期波對(duì)系泊穩(wěn)定的影響，系泊穩(wěn)定允許波高須經(jīng)充分論證[12]。隨著業(yè)內(nèi)對(duì)長(zhǎng)周期波影響的深入了解，在考慮波浪條件時(shí)波周期是一個(gè)敏感的要素?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)卻往往缺少波周期。因此，在進(jìn)行波周期分析時(shí)應(yīng)注意波浪成因的區(qū)別。大浪往往是風(fēng)浪與涌浪的混合，運(yùn)用目前在涌浪基礎(chǔ)上疊加風(fēng)浪計(jì)算出的波周期反映了兩組波線性疊加時(shí)的波面特征，但其作為統(tǒng)計(jì)值，往往掩蓋了不規(guī)則波浪大波時(shí)的周期特征，數(shù)值上是偏小的[2]。

在孟加拉灣海域幾乎不存在由地震而引發(fā)的長(zhǎng)波現(xiàn)象，所以波高與周期之間呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性特征。利用上述規(guī)律，可推算已知波高情況下對(duì)應(yīng)周期或者運(yùn)用已有的風(fēng)浪周期與波高統(tǒng)計(jì)規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，以上方法適用于在開(kāi)闊型水域的近岸波要素計(jì)算。受到安達(dá)曼海島嶼的掩護(hù)，可在海灣內(nèi)發(fā)展大型開(kāi)敞式碼頭，同時(shí)也應(yīng)該考慮到臺(tái)風(fēng)的影響，適當(dāng)增加港口建筑物等級(jí)以避免破壞或損失。

3結(jié)語(yǔ)

（1）孟加拉灣東海岸同時(shí)存在季風(fēng)和臺(tái)風(fēng)的影響，因此風(fēng)浪與涌浪共同影響使得在對(duì)孟加拉灣東海岸各地區(qū)建港條件分析時(shí)，波浪特點(diǎn)、強(qiáng)度和防護(hù)措施具有較大差異。在孟加拉灣東海岸進(jìn)行港口、電廠以及島橋建設(shè)時(shí)應(yīng)該綜合考慮季風(fēng)、臺(tái)風(fēng)、地形以及涌浪等因素。

（2）波浪極值資料是影響工程設(shè)計(jì)參數(shù)的主要因素，應(yīng)對(duì)這些資料進(jìn)行重現(xiàn)期分布研究。除波高之外，波向與波周期也應(yīng)結(jié)合工程特點(diǎn)進(jìn)行分析。臺(tái)風(fēng)浪、季風(fēng)浪和浪向頻率分布規(guī)律對(duì)港口選址規(guī)劃的選擇具有重要意義。

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