大连长兴岛北港区波浪条件数值模拟研究

肖 辉

（交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456）

大连长兴岛北港区波浪条件数值模拟研究

肖 辉

（交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456）

利用国际通用的MM5风场模式和SWAN浪场模式，通过推算影响工程海域的台风和寒潮大风天气过程，得到工程海域-30 m等深线处不同重现期设计波要素，然后采用MIKE 21 NSW和BW波浪数学模型，对工程规划方案设计波要素和港内波况进行了计算。结果表明：工程受N向和NNE向风浪影响相对较大，外海波浪传播至防波堤处无明显衰减；设计高水位重现期50 a时防波堤处最大H1%约7.3 m；防波堤对港内围堰掩护较好，建成后港内波浪条件明显改善。

波浪；深水波要素；长兴岛；北港区

Biography：XIAO Hui（1981-），female，assistant professor.

大连长兴岛北港区位于辽东半岛马家咀和高脑子角之间，地理位置约为 39°32′N，121°14′E。规划港区依陆地岸线布置，由东、西防波堤环抱形成单口门港池，港池水域面积约为430万m2。东、西防波堤走向与等深线趋于一致，其中西防波堤位于马家咀东北部浅礁上，最小水深约-2 m；东防波堤位于高脑子角西南向-15 m等深线处；30万t矿石码头布置在西防波堤外，30万t原油码头布置在东防波堤外，两者均处在-20 m等深线附近（图1）。港区所在的自然水深较好，但对SW—N—NE向外海来浪均无岛屿等天然地形掩护，因此需对影响该港区建设的波浪动力条件进行研究，为工程建设提供波浪设计的依据。

图1 工程位置示意图Fig.1 Location of project

1 工程海域实测风浪条件

工程海域附近常年受季风气候影响，冬季盛行东北风，春季多偏南风，秋季多偏北风，夏季盛行南—东南风。影响工程海域的恶劣天气主要为热带气旋、温带气旋和寒潮［1］，热带气旋平均每年约一个，发生季节一般在7～8月；主要灾害性天气是12～3月份发生的寒潮，寒潮平均每年约为2次，持续性寒潮天气将造成海域冰情严重，影响港口运营和船舶安全航行。

根据长兴岛海洋站2004年12月～2007年11月的风、浪资料统计（图2和图3）：（1）常风向为NE—N向，频率为31%，平均风速为9.3 m/s；次常风向为SSW—WSW向，频率为27%，平均风速为7.7 m/s；强风向为NE向和NNE向，最大风速为32 m/s。（2）常浪向为NE—N向，频率为34%，平均为1.22 m；次常浪向为SSW—WSW向，频率为22%，平均为0.69 m；强浪向为NE，最大波高为5.4 m，次强浪向为NNE向，最大波高为5.2 m。从中可知，强、常风向与浪向较一致，反映该海域主要以风浪为主。

图2 长兴岛海洋站风玫瑰图Fig.2 Wind rose of Changxing-island station

图3 长兴岛海洋站波浪玫瑰图Fig.3 Wave rose of Changxing-island station

2 深水波要素推算

目前工程海域无外海观测的、并可直接加以利用的气象和波浪资料。工程附近长兴岛海洋站的波浪观测离岸边较近，但该资料难以用来推算长兴岛外海的波浪要素。

利用目前国际通用的风浪场模式（MM5风场模式［2］和SWAN浪场模式［3］），推算了1988～2007年共计20 a间影响工程海域的台风和寒潮大风天气过程［4］，给出工程海域-30 m等深线处不同重现期设计波要素（表1）。从中可见，工程外海-30 m水深处强浪向为N向，其次为NNE向，50 a一遇有效波高分别为4.99 m和4.39 m。推算结果的强浪向和次强浪向与长兴岛现有的多年风资料的强风向和次强风向相吻合，结果与有关文献比较，也基本相符［5-7］，这表明模型建立合理，成果可靠。

表1 长兴岛海域-30 m水深处不同重现期有效波高Tab.1 Significant wave height of different return periods at-30 m depth in Changxing-island sea area m

3 防波堤和围堰的设计波要素计算

3.1 计算模型

采用MIKE 21 NSW 模型［8-9］，对工程前海域的波浪场进行计算，以推算工程区结构物位置的设计波要素。该模型能考虑由于地形变化引起的波浪浅水变形和折射效应，并考虑了底部摩阻和波浪破碎引起的能量损耗，能很好地描述波浪在近岸的传播过程，可以用来进行大范围的波浪场的推算。其基本方程如下

式中：x、y为笛卡尔坐标；θ为波浪的传播方向；cgx、cgy为波群速度在x、y方向的分量；cθ为波浪在θ方向传播的速度；T0、T1为源项；m0（x，y，θ）、m1（x，y，θ）为0时刻和1时刻的作用谱。方程等式的左边项考虑了波浪折射和浅水变形，T0、T1考虑了风区内风成浪和由于底部摩阻及波浪破碎所引起的能量耗散。

模型选取的计算区域如图4所示。计算波向包括SW—N—NE向9个波向，计算水位包括极端高、设计高、设计低和极端低水位。计算时的地形为天然地形加开挖航道，没有防波堤、围堰和外码头工程。

3.2 工程方案

对长兴岛北港区（30万t矿石码头和30万t原油码头）的4个方案进行了研究。4个方案的西防波堤位置基本相同，东防波堤布置略有不同，造成口门宽度和航道走向略有不同，但航道宽度和水深相同，航道宽度均为270 m，航道均挖深至-18.3 m（图5）。方案1的口门宽度为600 m，入港航道走向为86°～266°；方案2的口门宽度为480 m，入港航道走向为82°～262°；方案3的口门宽度为500 m，入港航道走向为83°～263°；方案4的口门宽度为500 m，入港航道走向为85°～265°。

3.3 计算结果及分析

对防波堤和围堰进行分段，分别提取每段防波堤和围堰的最大波要素，分段情况见图5，其中方案1、2、4中的西防波堤布置相同，包括W1～W3三段，方案3除了该三段外，增加了W4段；东防波堤根据不同方案分为二段或三段（E1、E2和E3）；围堰分为Y1～Y4四段，东围堰为Y1、Y2段，西围堰为Y3、Y4段。

图4 大范围波浪场计算示意图Fig.4 Sketch of wave calculation range

图5 规划方案平面布置Fig.5 Layout of planning project

表2为设计高水位重现期50 a波浪条件下，4个方案东、西防波堤和围堰的最大H1%波高统计结果。从计算结果来看，因工程位于开敞海域，影响最大的浪向仍为N向，其次为NNE向：

表2 设计高水位重现期50 a波浪条件下最大H1%波高统计Tab.2 The maximum H1%wave height under 50 a return period wave action at design high water level m

（1）西防波堤W1～W3三段的最大波高发生在W3段，最大H1%波高为7.05 m，方案3的W4段最大H1%波高为7.23 m。

（2）东防波堤方案1的最大H1%波高为6.65 m，发生在E2段；方案2的最大H1%波高为7.32 m，发生在E1段；方案3的最大H1%波高为7.04 m，发生在E1段靠近口门的堤头处；方案4的最大H1%波高为7.25 m，发生在E3段，E3段对E1段堤头部位略有掩护。

（3）围堰各段最大H1%波高为7.03 m，发生在Y4段。

4 港内波况计算

4.1 计算模型

港内波浪场计算采用MIKE 21 BW［8-10］波浪数学模型，并考虑小风区成浪。BW模型考虑了浅水效应、折射、绕射、反射、底摩阻和波浪的非线性等要素，可以模拟外海波浪传播至防波堤处的传播过程。数值模式的基本方程为

式中：P·Q 为 x、y方向流速水深积分；Fx、Fy为 x、y方向水平应力；d为静水深；ξ为波面高度；h 为总水深；α、β为层流和紊流阻力系数；Ψ1、Ψ2为色散项；脚标（*t、*x、*y）表示物理量（*）所对应的时间，x方向和 y方向偏导数。

4.2 港内波况分析

对SW—N—NE向共9个波向和上述4个方案进行了计算（图6），计算结果表明：

（1）NE向和NNE向波浪向港内传播时，东防波堤对港内水域的掩护很好，各方案各计算控制点比波高均在0.12以下，该向浪对港内码头泊稳没有影响。

（2）N向波浪向港内传播时，有部分波浪绕射进入港内，方案1和方案4中该向来浪对围堰Y4段的影响较大，最大比波高分别为0.32和0.45；方案2和方案3由于东防波堤的有效掩护，比波高均在0.15以下。

（3）NNW向波浪向港内传播时，对围堰Y4和Y3段的交接处影响较大，港内其他水域波浪掩护较好。（4）NW向和WNW向波浪在东防波堤的掩护下绕射进入港内，对围堰Y3段的影响较大，各方案比波高分别在0.42和0.38以上。

（5）W向浪正对口门，对围堰Y2和Y3段影响均较大，各方案中这两段的比波高在0.36～0.45以上，该向浪作用下，港内波况相对其他各向浪要差。

（6）WSW向波浪传播至港内时，对围堰Y1与Y2交接处的影响较大，该向浪作用下，方案1港内波况较其他方案略差。

（7）SW向波浪主要对防波堤E1段内侧码头水域影响较大，比波高在0.35～0.42以上。

图6 各方案港内比波高分布图Fig.6 Relative wave height distribution in port of each project

综上所述，防波堤工程实施后，对强浪向（N向）和次强浪向（NNE向）均得到很好地掩护。对方案1港内影响较大的波浪主要为NNW向和W向浪；对方案2港内影响较大的波浪W向和WSW向浪；对方案3和方案4港内影响较大的波浪主要为NW向，其次为W向。从各方案的控制点H4%波高的计算结果来看，港内波况方案1相对其他方案略差，主要是其口门最宽，方案3略优，但方案的最终选取还应综合考虑潮流、泥沙和海冰的影响。

5 主要结论

（1）长兴岛海域主要受风浪影响，强风向和强浪向均位于NE向～N向。

（2）长兴岛海域-30 m水深处强浪向为N向和NNE向，其中50 a一遇最大有效波高为4.99 m。

（3）北港区规划防波堤所处水域开敞且水深较大，最大影响浪向为N向，设计高水位50 a一遇最大H1%波高在7.3 m左右。

（4）防波堤工程实施后，对强浪向（N向）和次强浪向（NNE向）均得到很好地掩护，港内波况条件得到明显改善，4个规划方案港内波况条件方案1略差，方案3略优，方案的最终选取还应综合考虑潮流、泥沙和海冰的影响。

［1］李孟国，麦苗.大连长兴岛北港区（30万吨矿石码头和30万吨原油码头）自然条件分析、潮位计算与潮流泥沙数学模型研究［R］.天津：交通部天津水运工程科学研究所，2008.

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LIU Y H.The Numerical Simulation Research on Wave Condition of Qinzhou bay［J］.Port engineering technology，2007（5）：6-9.

Numerical simulation research on wave condition in north harbor area of Dalian Changxing Island

XIAO Hui
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin300456,China）

Using international general MM5 wind model and SWAN wave model,the typhoon and the coldwave process which influenced the project sea area were calculated,and the design wave elements for different return periods at-30 m depth were obtained.Then using MIKE 21 NSW and BW wave mathematical model,the design wave elements and wave conditions were calculated.The results show that：the N and NNE wind waves have a great influence on the project,and the wave propagation from the outside sea area to breakwater has no significant attenuation.The design wave heightH1%at high water level with 50 a return period is about 7.3 m,and the wave condition of cofferdam and harbor are improved with completion of breakwater.

wave；depth wave factor；Changxing-island；north harbor

TV 139.2；O 242.1

A

1005-8443（2013）06-0482-06

2013-01-15；

2013-02-20

肖辉（1981-），女，湖南省沅江人，助理研究员，主要从事近海工程波浪泥沙研究。