栾家口和蓬莱东港区波浪特性与掩护水域波况研究

连卫东，刘 针

（1.烟台市港航管理局,烟台264000；2.交通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）

烟台港是我国综合运输体系的重要枢纽和沿海主要港口之一，烟台港拟建的蓬莱东港区和栾家口港区位于黄渤海分界、渤海海峡的南部、山东半岛的北部，地理位置见图1。对港区附近海洋站测波资料进行了分析，该海区近海波浪是以风浪为主的混合浪［1-2］。利用波浪数学模型对两港区防波堤码头建设前后的波浪进行模拟，研究掩护水域内波浪传播的特性和减小港内波高的有效措施。

图1 工程位置Fig.1 Project location

1 波浪特性分析

利用相邻龙口海洋站和蓬莱海洋站的观测资料对港区波浪进行研究。龙口海洋站位于龙口湾外，测站37°41.1′N，120°13.3′E，具有多年的观测资料，该站测波浮鼓设在屺坶岛高角 NNW 方向，距岸 528 m，水深-15.7 m。蓬莱海洋站位置 37°50.0′N，120°45.0′E，浮标（传感器）处基准面水深-19.0 m。

龙口海区属于以风浪为主、涌浪为辅的混合浪海域，常浪向为NE向，频率为9.03%，次常浪向为NNE向，频率为5.16%，强浪向为NE向，大于4 m的波浪出现频率为0.14%。

龙口测站1992～1994年波玫瑰见图2。龙口海区常风向和强风向均为NE向，次常风向为S向，E-SSW向的频率和为29.36%，龙口所在海区，E-S-SSW向为陆上来风，在此风向作用下波高较小，龙口海区无浪频率为73.72%。

蓬莱海区也属于以风浪为主、涌浪为辅的混合浪海域，常浪向为NNE向，频率为6.82%，次常浪向为NE向，频率为5.91%。强浪向为NE向，大于3.5 m的波浪出现频率为0.02%，波玫瑰见图3。蓬莱海区常风向为WSW向，频率为15.37%，强风向为NNE向，次常风向ENE向、SE-SSW向的频率和为12.9%，蓬莱所在海区，SE-SSW向为陆上来风，在此风向作用下波高较小，蓬莱海区无浪频率为71.89%。

图2 龙口测站波玫瑰图（1992～1994）Fig.2 Wave rose of Longkou station（1992～1994）

图3 蓬莱测站波玫瑰图（1992～1994）Fig.3 Wave rose of Penglai station（1992～1994）

栾家口港区所在海域SW-ENE侧为大陆，WNW-NNW向面向渤海湾；N-NE向一侧也朝海，但受南长山岛、北长山岛、大小黑山岛的掩护，与WNW-NNW相比，风距相对较短；距该港约6 km有一浅滩——登州浅滩，全长约6 km，平均宽度为0.6 km。该浅滩轴线与海岸线夹角为45°，基本上呈东西走向，使大波不易进入港区，对港区有一定的掩护作用。

2 港区口门波要素

龙口海洋站有1960～1982年23 a波浪观测资料，对各向波高年极值利用P-III曲线适线法得到不同重现期波要素（表1），把龙口测站的波要素作为数学模型的率定点，调整模型的参数，使波浪传播到率定点时和已知波要素一致，从而得到工程区设计波要素。防波堤和码头建设前设计波要素的模拟采用TK-2D［3］的PEM波浪数学模型。进行波浪模拟时，选取东西约75 km、南北约50 km作为计算范围，网格步长20 m。栾家口港区的强浪向为偏WNW向，由于北部岛屿和陆域的掩护偏N-ENE向波高较小，蓬莱东港区的强浪向为偏NE向。

利用TK-2D的PEM波浪数学模型推算得到平面布置方案口门位置波要素，作为港内波况计算的初始边界条件。栾家口港区和蓬莱东港区口门处H4%波高见表2。

表1 龙口测站水深15.7 m波要素Tab.1 Wave parameters of 15.7 m depth in Longkou

表2 港区口门波高Tab.2 Wave height at the entrance of port m

3 港内波高分析

防波堤码头建成后港内波况的计算采用MIKE21之BW［4-8］波浪数学模型，采用矩形网格，网格步长△x=△y=4 m，时间步长△t=0.1 s。不规则波波浪模拟波谱采用JONSWAP谱。

3.1 蓬莱东港区

蓬莱东港区方案平面布置见图4，口门宽300 m，初始方案码头和防波堤结构型式均按照直立式码头全反射进行模拟，在NE向浪作用下，由于东侧防波堤的掩护，进入港内的波浪较少。数学模型模拟计算了重现期2 a，WNW、NW、NNW、N和NNE向浪作用下港内波高，1#码头的控制浪向是NNE向，波高为2.66 m，2#、3#和4#码头的控制浪向是NW向，波高分别为3.28 m、3.73 m和3.58 m。在NW向浪作用下，在2#码头、3#码头和4#码头区域波浪发生多次反射，此区域内比波高1.2～1.3，港内比波高分布见图4，比波高为港内计算点波高与前2节计算出的口门处起始波高之比，为减小由于码头反射引起的波高增大，改变直立码头的结构型式，采用高桩等反射率小的码头结构，反射率按照30%～40%重新对NW向浪作用下港内波高进行计算，港内比波高分布见图5，采用反射率小的结构后，港内波高明显减小，3#码头前波高减小了68%，波高结果见表3。

表3 蓬莱东港区港内波高分布Tab.3 Wave height distribution of east port area of Penglai Port m

图4 蓬莱东港区初始方案比波高分布Fig.4 Relative wave height distribution of original option in Penglai Port

图5 蓬莱东港区优化方案比波高分布Fig.5 Relative wave height distribution of optimized option in Penglai Port

3.2 栾家口港区

在栾家口港区的北部布置255°～75°走向的导堤，西口门宽380 m，东口门宽460 m，导堤长860 m。初始方案码头和防波堤结构型式均按照直立式码头全反射进行模拟，在WNW、NE向浪作用下，由于防波堤的掩护，进入港内的波浪较少。模拟计算了重现期2 a，NW、NNW、N和NNE向浪作用下港内波高，1#码头的控制浪向是NNE向，波高为2.04 m，2#码头的控制浪向是NNW向，波高为2.11 m，3#码头和4#码头的控制浪向是NNE向，波高分别为2.04 m和1.59 m，5#和6#码头的控制浪向是NW向，波高均为2.16 m。在NW向浪作用下波浪传播到港内，在5#码头和6#码头区域内波浪发生多次反射，此区域内比波高0.7～1.0，比波高分布见图6。为减小由于码头反射引起的波高增大，改变直立码头的结构型式，在5#和6#码头位置采用高桩等反射率小的码头结构，反射率按照30%～40%重新对NW向浪作用下港内波高进行计算，比波高见图7，采用反射率小的结构后，5#和6#码头前波高明显减小，波高结果见表4。

从蓬莱东港区和栾家口港区的港内波高计算可以看出，波浪在直立式码头前发生全反射，波浪在掩护水域又发生多次反射，港内波高较大，通过采用高桩等反射率小的码头结构型式，波高有很大幅度的减小。主要原因是波浪传播到直立式码头前，反射波高较大，蓬莱东港区2#码头前比波高1.1，波浪发生多次反射后比波高为1.1*（*=1，2，3…）大于1，多次反射区域内波高较大。采用反射率小的码头结构型式后，部分波能被消散，2#码头前比波高0.6，波浪发生多次反射后比波高为0.6*（*=1，2，3…）小于1，波高有较大幅度减小。建议在波浪发生多次反射的掩护水域采用反射率小的码头结构型式以减小港内波高。

图6 栾家口港区初始方案比波高分布Fig.6 Relative wave height distribution of original option in Luanjiakou port area

图7 栾家口港区优化方案比波高分布Fig.7 Relative wave height distribution of optimized option in Luanjiakou port area

4 结论

通过海洋站实测水文资料，分析了烟台港蓬莱东港区和栾家口港区的波浪特性，利用波浪数学模型模拟了防波堤和码头建设前后港区的波高分布，主要结论如下：

（1）工程海区波浪是以风浪为主、涌浪为辅的混合浪，受北部岛屿和浅滩的掩护，栾家口港区的强浪向是偏WNW向，蓬莱东港区强浪向是偏NE向。由于陆域的掩护，两海区无浪频率都很高，均超过70%。

（2）利用龙口海洋站多年波浪观测资料推算出的不同重现期波要素，作为波浪数学模型的率定点，利用TK-2D的PEM和MIKE21的BW波浪数学模型分别对防波堤和码头建设前后工程区波况进行模拟计算。防波堤和码头建设后，在波浪发生多次反射的掩护水域波高较大，采用高桩等反射率小的码头结构型式后，可有效减小港内波高。

（3）数学模型在模拟防波堤和码头的反射时存在一定的误差，港内波况的计算应通过物理模型进一步研究。

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