山东半岛设计波要素研究

石小翠，范 飞，梁丙臣

（中国海洋大学海岸工程系，青岛266100）

山东半岛设计波要素研究

石小翠，范 飞，梁丙臣

（中国海洋大学海岸工程系，青岛266100）

文章主要对山东半岛的设计波浪要素进行了模拟研究。首先，运用第三代波浪模型SWAN模型，对山东半岛1996～2011年的风场进行了波浪模拟，并与观测值进行了比较，拟合结果良好，表明了模型的准确性。然后再根据模拟结果对山东半岛波浪分布情况进行了研究，运用P-III型曲线对黄河三角洲、成山头、青岛的斋堂岛这3处进行极值统计，得到不同重现期条件下的波浪要素。研究结果表明山东半岛波浪最大处在成山头。

海岸工程；波浪后报；极值分布

波浪是影响近海工程和海岸工程中主要因素之一。由于波浪每年都会造成我国财产和人员的损失，因此对波浪的研究变得十分有意义［1］。山东半岛被渤海黄海环绕，具有人口密度广，海岸线长等特点，因此对山东半岛波浪进行研究，对这一地区的工程建设有着一定的应用价值。为了研究山东半岛的波浪要素分布情况［2］，本文运用第三代波浪模型SWAN模型对山东半岛的波浪进行了模拟研究，本文大体主要可分为3个部分：首先，以1996-1～2011-12的风场数据为驱动，运用波浪模型SWAN对东中国海的波浪进行了模拟，再对山东半岛地区进行了嵌套，然后与黄河口、鳌山湾和千里岩这3个测站处的波高和周期进行了验证，以确保计算结果的准确性；最后，利用P-III曲线对黄河口、成山头、青岛海域浅水区各重现期的设计波浪要素进行了研究［3］，研究结果表明山东半岛波浪分布特点是波高由东往西，由南往北递减［4］，成山头附近50 a一遇波高能达到12.5m，斋堂岛附近50 a一遇波高能达到9.9m。

1 理论介绍

1.1 波浪模型理论

第三代波浪模型SWAN主要是基于能量守恒的一种波浪谱模型。在直角坐标系统中，SWAN模型的主导方程可表示为［5］

式中：N为波浪作用谱密度（action density），即N（σ，θ）=E（σ，θ），E（σ，θ）为波浪密度谱函数，cx、cy分别为波σ浪在x、y方向上的传播速度的分量分别是速度σ、θ向的分量。

能量输入输出项

其中式（2）的右边的五项分别代表风能的输入，三波和四波相互之间的非线性作用，白帽现象导致的能量损失，底部摩擦导致的波能损失以及水深地形变浅导致波浪破碎引起的能量损失。

1.2 波浪模型参数设定

模拟过程中所采用的风场数据是基于大气模型WRF计算出来的，它的覆盖范围为117°E～131°E、24°N～41°N，空间步长是0.1°×0.1°，时间步长是3 h，时间计算范围是从1996-1-1～2011-12-31。整个波浪模拟过程可分为两步：首先是以风场为驱动条件对整个东中国海的波浪进行了模拟，然后再对山东半岛地区进行了嵌套。在对东中国海波浪进行模拟时，计算空间范围为117°E～128.01°E，28°N～41°N，空间步长取为0.056°×0.068°，计算时间步长是1 h，输出时间步长是3 h。在对山东半岛进行嵌套时的空间计算范围是117.5°E～124.01°E，35°N～38.51°N，空间步长为0.018 6°×0.013 5°，计算时间步长为1 h波浪场输出时间步长为3 h。图1显示了山东半岛水深地形图，图中符号*1、*2、*3分别标识了本次计算统计点的位置，图中#1、#2、#3处分别代表了测站的位置。

1.3 波浪验证

为确保波浪模拟的精度，本文利用黄河口、鳌山湾和千里岩这3个测站处的波高和周期结果对模型进行了验证［6］。如图2所示，下图中左图分别是是黄河口、鳌山湾和千里岩三处观测的有效波高值与模拟值的比较，右边分别是这三处周期比较图。从整体看，观测值与模拟值拟合的很好，不仅变化趋势相一致，而且最大值也很相近；但也稍微有些局部差异，这主要是由于水深地形和风场的精确度造成的。

2 波浪分布研究

图3是山东半岛16 a的最大波高和平均波高图，从图中可以看出最大波高是由陆地到海洋呈递增的趋势，其中在山东半岛的成山头站点有效波高最大，大约是6.1m。平均波高也是从离岸到近岸有递减趋势，其中也是成山头的平均有效波高最大，大约是1m，这主要是由于水深的分布特点是由东往西递减，由南往北递减，在日照东侧最大水深处达到70 m左右，而在黄河口附件水深最大处只有20 m左右，这是由于波浪来自于大洋，并且由黄海传进山东，黄海的波高要普遍高于渤海内的波高［7］。

为研究黄河三角洲、成山头和斋堂岛三处的波浪设计要素，分别选取了这三处附近20m水深处的点进行了研究。首先1996～2011年16 a的模拟结果中分别提取出年最大波高和最大周期。通过极值的P-III曲线拟合，得出这3个点的波浪要素。

图4是所绘出的黄河口的16 a最大波高和周期的P-III曲线［8］，表1显示黄河口100 a、50 a、20 a、10 a、5 a一遇的各累计频率波高分布情况，其中可以得到黄河三角洲100 a一遇的波高达8.6m。

图5是所绘出的成山头的16 a最大波高和周期的P-III曲线，并且通过计算得到成山头100 a、50 a、20 a、10 a、5 a一遇的各累计频率波高，表2显示成山头100 a、50 a、20 a、10 a、5 a一遇的各累计频率波高分布情况，其中可以得到成山头100 a一遇的H1%波高可达13.3m。

图6是所绘出的青岛的斋堂岛的16 a最大波高和周期的P-III曲线，并且通过计算得到青岛100 a、50 a、20 a、10 a、5 a一遇的各累计频率波高，表3显示青岛100 a、50 a、20 a、10 a、5 a一遇的各累计频率波高分布情况，其中可以得到斋堂岛100 a一遇的波高达10.6 m。

3 结论

波浪是海岸带最重要的动力因素之一，准确模拟近岸波浪要素具有重要的现实意义。经过上面的计算和分析，可以得知山东半岛波浪分布特点是：由东往西递减，由南往北递减。利用SWAN模型对山东半岛的波浪进行模拟，通过验证后表明模拟结果良好。并且对山东半岛的波浪分布情况做了进一步研究，选取黄河三角洲、成山头、青岛的斋堂岛三处进行了极值波要素推算。结果数据可作为山东半岛附近实际工程的参考。

［1］JTJ213-98，海港水文规范［S］.

［2］谷汉斌，孙精石，郑宝友，等.近岸波浪数学模型的发展［J］.水道港口，2004（6）：1-6. GU H B，SUN JS，ZHENG B Y，et al.Developments of Near-shoreWave Numerical Models［J］.Journal of Waterway and Harbour，2004（6）：1-6.

［3］邱大洪.工程水文学［M］.北京：人民交通出版社，1995.

［4］吴宋仁.海岸动力学［M］.北京：人民交通出版社，1999.

［5］李绍武，梁超，庄茜，等.SWAN风浪成长模型在近海设计波浪要素推算中的应用［J］.港工技术，2012（2）：5-7.

［6］李繁华.山东近海水文状况［M］.山东：山东地图出版社，1989.

［7］Ris R C，Booij N，Holthuijsen L H.A third-generation wave model for coastal regions［J］.Journal of geophysical research，1999，104（4）：7 667-7 681.

［8］Wood D J，Muttray M，Oumeraci H.The SWAN Model Used to Study Wave Evolution in a Flume［J］.Ocean Engineering，2001，28（7）：805-823.

Study of wave climate of Shandong peninsula

SHIXiao-cui,FAN Fei,LIANG Bing-chen
(Ocean engineering college,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

In this paper,the wave climate of Shandong peninsula was mainly studied,which could be divided into two parts.First,wave climate of Shandong peninsula was simulated by SWAN model,which was driven by wind fields from 1996 to 2011.After comparison,the results show that the buoy data are validated with measured data.Then,the P-III curve was used to calculate the extreme value of the Yellow River Delta, Chengshan headland and Zhaitang island.The research results show that the maximum value of wave height of Shandong peninsula occurs in Chengshan headland.

coastal engineering;wave hindcasting;extreme value distribution

TV 139.2；TV 142

A

1005-8443（2013）05-0376-05

2012-12-10；

2013-01-09

山东省优秀中青年科学家科研奖励基金（BS2011HZ016）；国家自然科学基金（51179178）

石小翠（1987-），女，山东省青州人，硕士研究生，主要从事水利环境数值模拟。

Biography：SHIXiao-cui（1987-），female，master student.