SWAN模型在海岛工程中的应用

王慧+刘锦秀

摘 要：通过收集工程附近海域地形、气象、波浪等资料，采用大范围波浪传播变形SWAN模型计算工程设计波浪要素，通过各种工况组合推算波浪的传播变形，给出不同重现期下的设计波浪要素，为本工程平面布置设计提供依据。

关键词：波浪 设计波要素 重现期 平面布置

1.工程概况

本项目位于汕尾市红海湾经济开发区遮浪岩海岛，坐落于汕尾市东南偏南的遮浪角海岬角处，处于115°33′31.079″E、22°39′47.313″N的地理位置，是广东省美丽十大岛屿之一。在遮浪岩及遮浪半岛建设登岛码头和接驳码头各一座，均为高桩墩台结构，长32m，宽8m。为了给工程设计提供科学依据，采用大范围波浪传播变形SWAN模型计算工程设计波浪要素，通过各种工况组合推算波浪的传播变形，给出不同重现期下的设计波浪要素及港内泊稳条件。

2.波浪数学模型简介

近年来，以第三代风浪为代表的波浪生成与演化的方向谱计算模型越来越多地在工程中得到应用。本工程中采用第三代风浪模型中得到广泛应用的SWAN模型来模拟大模型和小模型的波浪变形。SWAN模型采用动谱平衡方程描述风浪生成及其在近岸区的演化过程。在直角坐标系中，动谱平衡方程可表示为：

通过求解方程2-1可以得到风浪从生成、成长直至风后衰减的全过程；也可以描述在给定恒定边界波浪时，波浪在近岸区的折射和淺水变形。

3.设计波浪要素计算

3.1工况组合

遮浪岩所在海域开敞向南，直接受SW～SE向浪作用。受遮浪角掩护，岛屿受NE～E向浪作用较小。波浪计算时主要考虑SW、S、SE外海来浪以及WNW向小风区风成浪。设计波浪要素采用可描述复杂折绕射、浅水变形、破碎、反射（全反射、部分反射）的SWAN模型进行计算。根据码头所处位置分析，附近海域的波浪主要是受浅水折射、绕射综合作用的波浪场。首先利用遮浪站重现期波浪素，采用大范围海域波浪波浪传播变形的SWAN模型率定模型边界；其次利用经过率定的SWAN模型计算不同浪向、设计水位条件下设计波浪要素。

模型网格如图2所示。模型范围覆盖遮浪岛附近海域，包含了红海湾、碣石湾，外海至最大水深约60m处。模型采用非结构网格，共有60938个网格节点，111585个计算单元。计算单元的最小单元为20m，最大为2000m。

3.2计算结果

（1）从各向波浪传播特征来看，SE向浪受到遮挡岛的阻挡，到达工程水域以绕射为主；SW向从工程西侧开阔水域入射，到达工程位置前受边界阻挡较小，以折射变形为主；S向波浪介于SE、SW之间，包含了绕射、折射共同作用；WNW向波浪为小风区浪，达到工程水域时波向逐渐转为W向，工程附近以折射为主；

（2）从各向设计波浪要素的强度来看，SW向波浪为最不利波向，其次为S向；工程位置对于SE向浪掩护效果较好；WNW向波浪为小风区浪，相比与其余三个主要波向，量值较小；

（3）从两个平面方案的波浪特征分析，方案一码头相比于方案二更靠近湾内岸线，水深更浅，所以其设计波浪值较小；在登岛码头位置，两个方案的码头均位于岛后，且距离较近，掩护条件相差不大。

4.结论

（1）设计波浪要素计算表明，SW向波浪对工程最为不利，S向次之。两方案登岛码头设计波要素相差不大，方案一接驳码头掩护条件优于方案二。

（2）建议合理设计方案结构，尽量降低码头前的波浪反射。

参考文献：

[1]《广东省海堤工程设计导则》（DB44 T182-2004）.广东省质量技术监督局，2004.

[2]《港口与航道水文规范》.中华人民共和国交通运输部.JTS145-2015.

[3]Holthuijsen，L.H. N. Booij and R.C. Ris. A spectral wave model for the coastal zone，Proceedings 2nd International Symposium on Ocean Wave Measurement and Analysis，New Orleans，Louisiana，July 25-28，1993，New York.