韦帕台风对连云港典型水域波能损耗及悬沙含沙量影响研究

杨 氾，张 玮

(1.河海大学 港口航道及近海工程学院，江苏 南京 210098;2.南京水利科学研究院，江苏 南京210024)

韦帕台风对连云港典型水域波能损耗及悬沙含沙量影响研究

杨 氾1，2，张 玮1

(1.河海大学 港口航道及近海工程学院，江苏 南京 210098;2.南京水利科学研究院，江苏 南京210024)

旨在建立淤泥质海岸条件下波能功率沿程损耗和水体悬沙垂向悬浮功率之间的时间对应关系。通过韦帕台风时期连云港波浪数学模型，求解了测点处波能功率沿程损耗的变化过程。结合实测资料进行分析后认为，该过程与波高过程存在相位差，同时与实测水体悬沙含沙量变化过程对应关系较好。结合以往研究成果，说明利用波能功率衰减变化推求淤泥质海岸风天条件下的水体含沙量变化可以同时满足空间和时间上对应关系。还分析了底部摩阻损耗与底部含沙量之间的对应关系，两者在时空分布上也较为吻合。通过韦帕台风实测资料和数学模型结果，推求出波能功率沿程损耗与悬沙垂向悬浮功率之间的转化因子为0.3。

淤泥质海岸;台风;波能损耗;含沙量;连云港

我国有着漫长的淤泥质海岸线。随着观测试验手段不断提高以及理论研究成果的不断积累，人们对于淤泥质海岸岸滩泥沙运动机理的认识逐渐深入，通过现有实测风、浪、流资料推求岸滩变化成为合理规划保护、利用和开发淤泥质海岸方案的有力手段和重要依据。在淤泥质海岸，岸滩冲淤变化主要受到水体悬浮含沙量变化的影响。因此，研究分析水流、波浪条件与水体含沙量之间的关系对于有效预测岸滩变化很有意义。众多学者引用挟沙力建立起其与动力条件之间的关系，如刘家驹［1］、曹祖德［2］、窦国仁［3］等人分别提出了各自的水体挟沙力公式，其他学者也分别基于最新的观测结果针对风天条件下淤泥质海岸挟沙力展开研究［4］，这些成果在以往实际工程应用中取得了良好的效果。

随着对于泥沙回淤计算精度要求的逐渐提高，近年来广泛受到关注的大风浪泥沙骤淤问题不仅需要预报骤淤量，更需要掌握大风浪过程中的含沙量变化过程。如文献［5］所述，目前基于挟沙力研究成果所计算出的平均含沙量，只能反映较长时间动力条件相对应的含沙量，如年平均含沙量，难以反映出大浪期间随时间变化的含沙量过程，难以反映实测资料中含沙量变化滞后于动力变化的过程［6-7］。针对这一问题，孔令双［8］认为泥沙运动受到惯性作用，因此滞后于挟沙力变化过程;吴德安［9］认为动力作用需要时间过程，即存在动力的滞后性;窦国仁［3］认为含沙量不仅受挟沙力作用，也与前期及来流方向的含沙量有关。

从能量角度上讲，风天时刻剧烈的水体运动所产生的紊动能量是导致水体含沙量升高的直接原因，水体悬沙悬浮所需要的悬浮功率应等于或小于水体紊动功率，两者在变化趋势上应保持一致。波浪在向近岸传播过程中的能量损耗是引起水体紊动能量升高的最大来源，也是维持水体悬沙悬浮和近底含沙量增大的主要原因。基于此，以2007年连云港韦帕台风时期观测资料为依据，依托波浪数学模型手段，分析和研究波能功率沿程损耗随时间变化过程的特点，通过其与实测水体含沙量变化过程的对比，分析两者在时间变化上的关系;建立波能功率沿程损耗与水体泥沙悬浮功之间的理论公式，通过实测资料推求两者之间的转换因子系数。

1 实测资料分析

连云港地处江苏省北部黄海海州湾西南岸，属于我国比较典型的淤泥质海岸之一。2007年9月16日，第13号台风“韦帕”(Wipha)在西太平洋洋面上生成，并与2007年9月19日2时20分在浙江省苍南县霞关镇境内登陆，最大风力为14级(45 m/s)，并在登陆后不久减弱为热带风暴，于9月20日凌晨5时在江苏省灌南县境内离岸，最大风力为8级(18 m/s)。台风离岸过程中，对于连云港海域造成了一定的影响，其中大西山海洋站实测瞬时最大风速达到28.8 m/s，为近年来对连云港影响较大的一场台风。交通运输部天津水运工程科学研究院在该海域设立了2个测站，分别位于－3 m和－5 m水深处，在台风过程中实时记录了水流、波浪及水体含沙量等资料［7］，为分析风天条件下连云港水动力条件及泥沙运动提供了基础。

在淤泥质海岸，波浪作为泥沙悬扬主要的能量来源，在挟沙力公式中可以通过波高的平方来表示。根据观测资料做出－3 m、－5 m测点处波高平方与水体垂向平均含沙量及近底含沙量随时间的变化过程(图1)。

图1 2007年韦帕台风时期连云港实测－3 m、－5 m测点处波能与含沙量变化过程Fig.1 The progress of the wave power and SSC at-3 m and －5 m points in Lianyungang during Typhoon Wipha，2007

图1可以看出，两次峰值时刻，含沙量峰值滞后于波高峰值约0.5～1.0个小时，这说明实际含沙量过程滞后于波高及波能过程。

从图2可以看出，同一时刻，－5 m、－3 m测点实测波高之间存在一定的差距，这是因为波浪在传播过程中受到底部摩阻作用和破波因素影响存在波能的沿程损耗。基于线性波理论，一个波周期内单位宽度断面上波能E在传播方向上的沿程损耗率可以表示为

图2 －3 m、－5 m测点实测波高及两测点间波高差距随时间变化过程Fig.2 The progress of the wave height at－3 m and －5 m point and their difference

考虑到淤泥质海岸岸滩变化坡度较小，从实测地形上来看，在－3 m和－5 m测点之间，岸滩边坡基本保持不变;此外，根据以往研究成果，缓坡条件下，随着坡度的减小，底部摩阻损耗会逐渐取代破波损耗，称为波浪传播过程中的主要损耗方式。假设底部摩阻沿程损耗在边坡不变时可以为一定值，且－5 m至－3 m测点之间波高沿程衰减率可近似表达为波高差与距离的比值，即:

将－3 m及－5 m测点处的一个周期断面波能沿程损耗率近似表示为

上式说明，－3 m及－5 m测点处的波能沿程损耗率的变化过程受该点处波高H及两点间波高差ΔH两者变化过程的共同影响。韦帕台风时刻徐圩海域存在两次波浪峰值时刻，分别为20日的凌晨及上午9点左右。从图2中可看出，20日凌晨1点左右，两测点波高先后达到峰值，但波高差峰值晚于波高峰值1小时后出现;20日上午9点，两测点波高同时达到峰值，而测波高差峰值于晚于波高峰值2个小时出现。这说明，波高变化过程与测点间波高差变化过程在时间上存在相位上的差距，后者滞后于前者。考虑到两者在数值上共同决定了波能沿程损耗的变化过程，因此可以推论，断面波能沿程损耗∂E/∂x变化过程与波高H变化过程存在一定程度上的相位差距，前者滞后于后者。

当该断面能量以一定波速向岸传播过程中，由于底部摩阻影响，同时也伴随着波速的衰减。采用波能功率沿程损耗∂P/∂x来代替∂E/∂x进行分析，可以更综合反映出单位时间内断面波能衰减和波速衰减所产生的紊动能量，即紊动功率。依据线性波理论有:

即波能功率损耗应等于断面波能的沿程损耗和波群速度沿程损耗两部分组成。∂P/∂x可以近似看做单宽波能在经过单位长度后转化为的紊动功率，由此可以进一步推论，某测点处由波浪引起的紊动功率的变化过程应滞后于该点处的波高变化过程。

台风天实测资料获取难度较大，测点数量较少。为了进一步说明波能功率沿程损耗变化滞后于波高变化这一特性，拟通过建立韦帕台风时期连云港数学模型，得到近岸破波区波浪功率沿程分布，进而推求出波能功率沿程损耗随时间变化过程，为随后的分析奠定基础。

2 数学模型建立

波浪数学模型计算范围西自现有岸线，北起日照(35°22'30″N，119°33'E)，东至(35°22'30″N，120°17'E)，南至废黄河口附近(34°17'00″N，120°17'E)，东西宽约 99.7 km，南北长约 119.3 km，模型范围约8 648 km2(图3)。水下地形根据实测资料确定。考虑到计算范围较大，波浪模型采用动谱能量守恒方程:

式中:N为动谱能量密度;σ为相对波浪频率(当坐标系随水流运动时观测到的频率);θ为波向;Cx，Cy为波浪沿x、y方向传播的速度;Cσ，Cθ为波浪在σ、θ坐标下的传播速度。S为源汇项，如式(7)表示

式中:Sin为风能输入项;Snl为非线性波－波相互作用的能量传输;Sds为波浪白帽耗散造成的能量损失;Sbot为波浪底部摩阻所造成的能量损失;Ssurf为波浪破碎所导致的能量损失。

模型网格采用三角形网格，并在连云港周边海域加密网格，最小网格尺度100 m，最大网格尺度5 000 m，如图3所示。考虑到常风天条件下，连云港波浪较小，而韦帕台风临近连云港时处于离岸状态，连云港附近海域波浪主要为风浪，浪高、浪向受风速、风向影响较大，而外海传波对于连云港波浪影响较小，因此东、北两条水边界设定为透浪边界，允许能量传出，西、南边界为陆边界。风场资料和潮位资料采用大西山实测风资料和潮位资料。

首先采用多年波浪实测资料进行对模型进行验证和参数率定。底部摩阻系数采用龚崇准推荐值kn=0.01，波浪破碎指标采用Ruessink推荐计算公式，波浪谱采用JOSWAP谱。根据连云港大西山海洋站(34°47'N、119°26'E)1962 至2003 年实测波浪资料统计［10］，连云港常浪向为NE向。强浪向为NNE向，NE次之。因此综合考虑后，采用50年、25年、10年、2年一遇NE向波浪资料，并结合文献［11］推求－20 m等深线深水波要素，进行模型的验证和率定，验证结果如表1所示。可以看出所建立波浪数学模型基本符合实际，可用于进一步计算韦帕台风时期的波浪情况。

图3 波浪模型范围及网格(北京54座标120°E)Fig.3 The range and the mesh of wave model

表1 连云港大西山及深水波要素验证Tab.1 The verification of the wave at Daxishan，Lianyungang and the deep water

计算参数中，时间步长Δt=30 s。模型计算时间从2007年9月15日12点开始，至9月21日0点结束，重点关注18日18时至20日12时的波浪过程。风场采用整点实测风速资料，潮位采用现场实测潮位结果，暂不考虑潮流对于波浪的作用。

韦帕台风浪模型采用－3 m和－5 m测站实测资料进行验证，验证结果见图4。可以看出，各测点的计算波高和实测值基本符合，变化过程趋于一致，较好的反映出两次峰值期间的波浪变化过程，由此可以认为建立的台风浪模型能较好的模拟韦帕台风时期连云港周边波浪随时间的变化过程，并以此为基础进一步研究分析波能功率沿程损耗情况。

图4 －3 m、－5 m测点处波高验证Fig.4 The verification of wave height at－3 m and －5 m points

3 波能功率损耗的计算分析

上文依据实测资料得到波能功率沿程损耗∂P/∂x变化滞后于波高H变化这一推论。受到折射效应的影响，在向近岸传播过程中，波向接近于横向断面传播，此时可以认为横向断面上波能功率沿程损耗∂P/∂x最大。由于实测资料中两测点连线与横向断面线有较大的夹角，为较为真实的反应出实际波浪传播过程中的波能沿程损耗，需分别经过这两点建立横向断面(图5)。

通过数学模型计算结果提取处各点的波能功率，可得到起横向断面分布(图6，以2007年9月20日9时为例)。可以看出，边坡越大，波能功率沿程损耗率亦增大;当边坡保持基本不变时，波能功率沿程衰减率在较短距离内亦可认为保持不变。因此提取各测点附近横向断面内波能功率值，认为其沿程线性衰减，从而得到该点处∂P/∂x的变化过程。

图5 测点及断面布置示意Fig.5 The sketch diagram of the point and profile

图6 2007年9月20日9时左右大浪时刻波能功率横向断面分布Fig.6 The cross-profile of wave power at 9pm，Sept.20，2007

考虑到在崩破波条件下，波浪的底部摩阻损耗对于底部泥沙的掀起作用远大于破波。为了分析底部含沙量的变化过程，有必要单独计算底部摩阻损耗。通过提取测点处波高H、周期T、水深h、底床质点水平速度ub，根据线性波理论和Jonsson［12］可以求解得到底部摩阻损耗功率Pbot。由此可以台风过程期间各测点处的波能功率沿程损耗以及底部摩阻损耗随时间变化的过程(图7)。从中可以看出:

1)各测点波能功率沿程损耗随时间的变化与波高变化第一次峰值时刻存在一个小时的相位差，前者晚于后者;第二次峰值时刻滞后半个小时。

2)各测点底部摩阻波能功率损耗随时间变化与波高变化在第一次峰值时刻存在一个小时的相位差，前者晚于后者;第二次峰值时基本吻合。

3)在淤泥质海岸，底部摩阻损耗是波能损耗的主要形式。随着水深减小，底部摩阻损耗越大，同时其在波能功率损耗中所占的比重也越大，占总损耗的一半以上。

由此可见，无论是实测资料还是数学模型计算结果都表明，在台风条件下，淤泥质海岸某一点处波能损耗(波能功率损耗)变化过程滞后于波高变化过程。此处需说明，模型结果中滞后时间比实测资料略小，原因在于模型计算断面为岸滩横向断面，而实测资料断面与岸线并不垂直。后者不仅存在横向岸滩损耗，同时也存在沿岸向岸滩损耗，因此两者结果在数量上并不完全一致，但特性相同，均表现出滞后现象。

图7 －3 m、－5 m测点处波能功率损耗、底部摩阻损耗随时间变化过程Fig.7 The progress of the loss of wave power and its bottom friction loss at－3 m and －5 m points

4 波能功率损耗与泥沙含量关系分析

引起水体含沙量增大的主要动力来源为波浪的底部切应力作用以及破波所造成的水体紊动，因此将波能功率损耗与近底水体含沙量以及垂线泥沙悬浮功率Pssc进行对比分析。Pssc如下式定义:

式中:ω为泥沙沉速;S为垂向平均含沙量;ρs，ρ分别为泥沙颗粒密度和水密度;h表示水深。通过对结果(图8)进行分析可得出以下结论:

1)淤泥质岸滩上，波能功率沿程损耗变化能体现出与水体含沙量变化的对应关系。波能功率衰减峰值、谷值时刻时垂向整体悬浮功都有明显的对应峰值、谷值出现，且两者增减变化基本无相位差距。

2)各点摩阻损耗变化与底部含沙量变化对应关系明显，突出表现在底部含沙量峰值时刻前后，当波能功率底部摩阻损耗发生变化时，底部含沙量亦发生变化，变化趋势相同。两者峰值、谷值时刻对应关系亦十分明显。

3)从－3 m、－5 m测点波能功率损耗随时间变化关系上可以看出，连云港地区经历了两次比较大的大浪过程，突出体现了台风在灌云离岸过程中前沿风场及中心风场对于波浪场的影响。因此，波能损耗亦有明显的两次比较明显的峰值，且大小接近。从观测资料可以看出，第二次损耗峰值时刻对应含沙量峰值明显大于第一次。这一现象可以从挟沙能力来解释:①第一次峰值时刻持续时间较短，此时水体实际含沙量可能并未达到水体挟沙能力含沙量，但近底的紊动效应已经破坏了原有底床的稳定结构，动力衰减后重新回落到底床上的悬沙在动力增强时更容易进入二次悬扬状态，突出表现在第一次和第二次峰值之间，当波能功率底部摩阻沿程损耗出现小幅度的变化时，近底含沙量会同步出现较为剧烈的变化;②第二次峰值时刻持续时间较长，加之第一次峰值时刻对于底床的扰动作用，使得底沙更加容易悬浮进入水体。此时虽然损耗峰值比第一次要小，但水体实际含沙量可以认为已经达到水体挟沙能力含沙量，突出表现在第二次峰值过后波能功率沿程损耗变小时，水体泥沙悬浮功及近底含沙量都表现出衰减趋势，且趋势相同，说明在这一过程中，水体挟沙能力的减小导致水体含沙量减小，因此可以认为此时水体实际含沙量已经达到了挟沙能力含沙量。

图8 －3 m、－5 m测点波能功率损耗、底摩阻损耗与泥沙悬浮功、底部含沙量关系Fig.8 The relationship between the on-way wave power loss and the work of suspended sediment，and that between the bottom friction loss and the SSC at bottom

此处需指出，波能功率沿程损耗与水体挟沙力都是反映水流挟带悬浮泥沙的能力，但两者存在一定的区别。从目前的水体挟沙力计算公式可以看出，纯波浪条件下，水体挟沙力基于现有水流能量，与波高的变化过程是同步的;而波能功率沿程损耗则是基于基于波浪沿程变化梯度，滞后于波高的变化。

综上所述，波能沿程损耗能更综合、完备地体现出与水体含沙量的对应关系。其中，波能功率损耗过程与悬沙悬浮功过程吻合较好，两者基本上无相位差距，这也反映了紊动能量转化为泥沙悬浮运动能量时的即时性;波浪底部摩阻损耗过程与底部含沙量变化过程也较为吻合，基本无相位差。这说明，在风天条件下，从能量平衡角度利用波浪功率沿程损耗变化过程来分析和推求淤泥质海岸破波区岸滩水体含沙量变化过程是可行的。

5 理论分析及公式建立

采用波能功率沿程损耗来代替波能沿程损耗进行分析，因此结合文献［13］的结果，通过采用波能功率替换断面波能，基于能量守恒，可得到如下等式:

式中:Pw表示单位宽度上的波能功率;η表示波能功率损耗转化的效率因子;ρs，ρ分别表示泥沙颗粒密度和水密度;S表示在垂向平均含沙量;ω表示沉速;h表示水深。相比文献［13］，该式同时考虑了波高和波周期沿程的变化情况。公式存在两个未知量，当已知某一时刻波浪功率能量沿程损耗时即可推求水体平均含沙量。

所以当已知波能功率沿程损耗∂Pw/∂x以及含沙量时，可推求效率系数η:

式(10)中，对于观测点，水深h可以通过观测资料获得，泥沙沉速ω根据连云港淤泥在海水中的沉速可取为ω=3 cm/s，ρs可取1.2×103kg/m3。上文中已经由连云港韦帕台风波浪数学模型得到实测点处的∂Pw/∂x，结合实测含沙量，进而可以推求出η。综合考虑后，在排除底床扰动影响的前提下，选取19日17时至20日6时一个完整潮位过程中－3 m、－5 m测点处波能损耗功率和水体含沙悬浮功通过式(10)来推求效率因子η，计算结果范围为0.08至0.49，平均值为0.3，与文献［13］计算结果相符，比文献［13］结果略大。结合文献［13］结论可以认为，在已知合适的效率因子η前提下，式(9)能同时充分反映出风天条件下淤泥质海岸水体悬浮泥沙的空间分布和时间变化过程。

6 结语

1)建立韦帕台风时期连云港波浪数学模型，通过验证，与实测资料符合较好，可以反映台风期间波浪变化过程，为研究波能损耗与水体含沙量之间的关系提供了分析基础;

2)实测资料和波浪数学模型均表明，风天条件下，淤泥质海岸波能功率沿程损耗随时间变化的峰值时刻晚于波高峰值，存在至少一个小时的相位差;

3)通过损耗类别分析后认为，在淤泥质海岸条件下，底部由于摩阻产生的波能功率损耗占总损耗达到一半以上，并且水深越小，比率越大;

4)在淤泥质海岸条件下，某点的波能功率损耗随时间变化过程线与该点处水体垂向平均含沙量随时间变化过程吻合程度较好，可作为一个推断后者时空分布的重要依据;

5)在淤泥质海岸条件下，某点波能功率的底部摩阻损耗变化过程与底部含沙量的变化过程在时间上吻合程度较好，可以作为一个推断后者时空分布的重要依据;

6)建立了波能功率损耗与泥沙悬浮功率之间的理论公式，并通过韦帕台风实测资料推求出波能功率损耗与泥沙悬浮功率的转换因子为0.3。

本次模型中暂未考虑波-流相互作用及风吹流所造成的紊动损耗计算。如何考虑风天条件下水体波浪、潮流运动产生的紊动能量量化计算，这将在今后的工作中展开。

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The influence of Typhoon Wipha on the loss of wave power and the suspension sediment concentration during wind process on muddy coast in Lianyungang

YANG Fan1，2，ZHANG Wei1
(1.College of Port，Coastal and Offshore Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China;2.Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210024，China)

This paper aims to establish the temporal relationship between the on-way loss of the wave power and the vertical power of the suspension sediment on the muddy coast.First，the process of the wave power on-way loss was calculated through the mathematical wave model at Lianyungang in Typhoon Wipha(2007).Both the observation data and the model result show that the process of wave power on-way loss lags behind that of wave height and is in good agreement with the process of suspension sediment concentration.The result of this paper and the existing research achievements show that the wave power on-way loss has both spatial and temporal correspondence with the vertical mean sediment concentration.This paper also analyzes the relationship between the wave power friction loss and sediment concentration at base，which also has a temporal correlation.Finally，based on both the field data in Typhoon Wipha and the result of mathematical model，the efficiency factor between wave power on-way loss and the vertical suspension power of the sediment is calculated，and it is 0.3.

muddy coast;typhoon;loss of wave power;sediment concentration;Lianyungang

TV148

A

1005-9865(2012)04-0082-08

2011-10-08

国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2012AA112509);江苏省交通科学研究计划资助项目(20100714-30HDKY001-2);2011年度江苏省研究生培养创新工程(CX2211-0449)

杨 氾(1987－)，男，江苏南京人，博士生，主要从事淤泥质海岸波浪运动及其影响的研究。E-mail:yf1412@hhu.edu.cn