通州湾腰沙二港池的泊稳条件

杨春平，陈 涛

（1.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032；2.中港疏浚有限公司，上海 200120）

通州湾腰沙二港池的泊稳条件

杨春平1，陈 涛2

（1.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032；2.中港疏浚有限公司，上海 200120）

波浪是海岸动力中最基本的要素之一，近岸波浪在水下地形及陆域边界等客观条件的影响下将会发生包括折射、绕射在内的各种变形，其物理现象较为复杂。以通州湾匡围工程为例，利用MIKE 21 SW二维波浪数值模型对不同平面布置条件下的腰沙二港池规划码头的泊稳条件进行研究。围垦区的建设有效阻挡了偏北向、偏东向的大部分波浪向码头区的传播，港内水域主要受偏S向的波浪影响。根据模型计算结果，码头区偏南向波浪较小，码头前沿泊稳条件较好。

通州湾；MIKE 21 SW波浪模型；泊稳条件

0 引言

波浪作为辐射沙洲区域的主要海岸动力之一[1]，在塑造独特的辐射沙脊地形方面起着至关重要的作用。在通州湾大开发的背景下，研究该海域的波浪特征对海洋资源的开发利用以及沿岸的工程建设具有重要的意义[2]。辐射沙洲海域的波浪模拟也有不少研究，这些研究对于了解苏北辐射沙洲区的波浪特征是很重要的[3-4]，但对于通州湾水下地形及陆域边界等客观条件发生变化的情况下，该海域的波浪依然有需要进一步研究的地方。本文以通州湾匡围工程为例，采用MIKE 21 SW波浪模型展开了波浪数学模型计算，对不同平面布置条件下的规划码头的泊稳条件进行研究。

拟建通州湾匡围工程区位于长江口北岸江苏省南通市东部海岸，小庙洪水道尾段北侧腰沙上。工程区域南为通州作业区围垦区，北为如东冷家沙边滩。其位置如图1所示。

1 匡围工程平面布置方案

规划码头拟建于通州湾港区港池顶部，相应的设计边界条件应考虑港池围垦形成后。港池口门处近期不设防沙堤，远期将视泥沙回淤情况考虑是否增设防沙堤。因此，本报告分别就口门有防沙堤和无防沙堤进行波浪数值模拟，推算设计波要素。各方案平面布置如图2所示。

图1 工程区位置示意图Fig.1 The location of this project

图2 平面布置示意图Fig.2 The plane layout

1）方案一（无防沙堤方案）

方案一为近期方案，航道及规划码头前沿线以外港池水域底标高为-11.3 m（吕四理论最低潮面，下同），码头前沿线距陆域围堤约125 m，边坡1颐3.5。卸煤码头停泊区设计底标高-13.5 m（需疏浚），综合码头设计底标高-8.2 m。

2）方案二（有防沙堤方案）

方案二为在港池口门附近增设防沙堤的方案，其中东堤堤长534 m，西堤堤长809 m，其余部分与方案一相同。

2 模型简介

本文采用2011版MIKE 21 SW波浪模型进行工程区附近海域波浪数值模拟计算。MIKE 21 SW由丹麦水力研究所（DHI）研发，模型自开发以来吸取了世界范围内大量实际工程的应用经验，在国际河口、海岸及海洋工程设计中得到了广泛应用和持续发展[5]。

MIKE 21 SW模块考虑到的物理现象有：风生浪；波原波间的非线性作用；白帽引起的能量损耗；底摩阻引起的能量损耗；水深变化引发的波浪破碎产生的能量损耗；波浪反射、绕射及浅水变形；波原流间的相互作用；水深变化以及干湿区的影响。

MIKE 21 SW基于波作用守恒方程，采用波作用密度N（滓，兹）来描述波浪。模型的自变量为相对波频率滓和波向兹。波作用密度与波能谱密度的关系为：

式中：滓为相对频率；兹为波向。

在笛卡尔坐标系下，MIKE 21 SW的控制方程，即波作用守恒方程可以表示为：

式中：d为水深；k=（kx，ky）为波数；s为沿兹方向空间坐标；m为垂直于s的坐标。

在球坐标系下：

式中：R为地球半径；准为纬度；姿为经度。波作用守恒方程的形式为：

式中：S为总的源函数。

MIKE 21 SW模型中的源函数项描述了各种物理现象的源函数的叠加：

式中：Sin指风输入的能量；Snl指波与波之间的非线性作用引起的能量损耗；Sds指由白帽引起的能量损耗；Sbot指底摩阻引起的能量损耗；Ssurf指由于水深变化引起的波浪破碎产生的能量损耗。

3 模型设置

根据通州湾匡围区地形地貌特点，选择了辐射沙洲外缘-20耀-25 m等深线作为波浪计算的起始边界，南边界至31毅54忆N，北边界至32毅45忆N。模型计算网格数量是模型的计算时间长短的主要影响因素之一，本波浪模型采用灵活的三角形网格对计算区域进行地形的概化，为了节约模型的计算时间，同时又满足模拟的精度要求，对于外海边界等非本报告重点研究的区域计算网格的边长约为1 km，并在工程附近海域进行了加密，越接近研究区域网格越小，对于匡围区所在区域，网格最小边长约为100 m，计算网格的节点数为21 070个，网格单元格为41 332个，计算时底摩擦系数取为0.01。模型水下地形采用实测水下地形资料，腰沙工程区水下地形更新至2014年实测水下地形。模型的地形及网格如图3所示。

图3 波浪模型的计算网格Fig.3 The computational mesh of the wave model

匡围工程港池口门朝南，对偏东、偏北方向的外海波浪具有较好的掩护作用，港内水域主要受偏S向的波浪影响，特别是口门附近的波高较大，影响码头的泊稳条件。港内波浪主要考虑SE向、S向、SW向3个主要波浪方向。

2013年8月河海大学《通州湾腰沙围垦二期通道工程前沿设计波要素推算》报告收集了距离拟建工程相对较近的吕四气象站、如东等气象站的风速观测资料，采用海-陆风速订正的方法，确定海面上的计算风速，并对辐射沙洲外缘-20耀-25 m等深线处的波要素进行了罗列[6]。参考该报告，本文各方向的设计风速及深水波要素分别如表1、表2所示。

表1 匡围工程区不同重现期风速Table 1 The return period wind speed for the inning project aream/s

表2 各方向-20耀-25 m等深线处的波要素Table 2 The design wave parameters of the-20 to-25 m depth contour in each direction

4 规划码头泊稳条件分析

在匡围工程口门布置有防沙堤和无防沙堤时，规划码头前沿水域设计高水位下2 a一遇设计波浪要素分别如表3、表4所示，SE向、S向、SW向2 a一遇波高波向分布图分别如图4、图5、图6所示。由表可知，在无防沙堤的条件下，码头前沿2 a一遇H4%最大为0.86 m（SE向），对应波周期4.4 s；在有防沙堤的条件下，码头前沿2 a一遇H4%最大为0.70 m（SE向），对应波周期4.4 s。匡围工程港池停泊水域呈南-北向布置，码头前沿设计波浪均为顺浪，波周期均小于6 s；而本区各向2a一遇的设计风速均超过6级风上限（13.8m/s）。由表3、表4可知，在有防沙堤的布置方案下，对于不同重现期、波向、设计水位等各种工况条件，码头前沿的波高均在无防沙堤的布置方案下略有降低，说明口门处防波堤的设置对波浪向码头前沿的传播起到了一定的阻碍作用。总而言之，在有、无防沙堤的条件下，本码头前沿泊稳条件均较好。

表3 码头前沿2 a一遇波浪（有防沙堤）Table 3 2 a return period wave of the harbor basin (with jetty)

表4 码头前沿2 a一遇波浪（无防沙堤）Table 4 2 a return period wave of the harbor basin (without jetty)

图4 SE向2 a一遇波高波向矢量图Fig.4 2 a return period wave distribution form SE direction

图5 S向2 a一遇波高波向矢量图Fig.5 2 a return period wave distribution form S direction

图6 SW向2 a一遇波高波向矢量图Fig.6 2 a return period wave distribution form SW direction

5 结语

1）本文采用MIKE 21 SW波浪数值模型，搭建通州湾海域匡围工程区波浪数值模型，并根据本海域经验参数对波浪数值模型进行调整。

2）基于搭建的波浪数值模型，计算2 a一遇波浪入射情况下匡围工程港池码头附近的波浪分布情况。匡围工程港池口门朝南，外海偏东向的波浪进入该地区后，受到地形、底部摩阻等多种因素的作用，波浪发生较大的变形，波高衰减较快，围垦区的建设有效阻挡了偏北向、偏东向的大部分波浪向码头区的传播；港内水域主要受偏S向的波浪影响，偏南向（S耀SW）的波浪主要受当地小风区风浪的影响，并且水深较浅，码头区的波浪也较小。

3）在无防沙堤的布置方案下，2 a一遇波浪与设计高水位组合时，码头前沿百分之一大波（H1%）最大为1.03 m，对应H4%波高为0.86 m，对应波周期为4.4 s；在有防沙堤的布置方案下，2 a一遇波浪与设计高水位组合时，码头前沿百分之一大波（H1%）最大为0.83 m，对应H4%波高为0.70 m，对应波周期为4.4 s。

4）对于无防沙堤、有导流的平面布置方案，码头前沿2 a一遇H4%波高均较小，波周期<6 s，而2 a一遇风速已超过6级风上限。因此，本码头前沿泊稳条件较好。

[1] 冯卫兵，洪广文.水流中波浪绕射折射数值计算与分析[J].海洋工程，2000，18（4）：13-20.

FENG Wei-bing,HONG Guang-wen.Numerical computation and analysis of wave diffraction-refraction in water with varying current and topography[J].Ocean Engineering,2000,18(4):13-20.

[2] 陆培东.南通通州作业区围垦项目波浪数学模型研究报告[R].南京：水利科学研究院，2011.

LU Pei-dong.Research report on numerical wave modeling for the reclamation project in Tongzhou Bay,Nantong[R].Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute,2011.

[3] 邱桔斐.江苏沿海风、浪特征研究[D].南京：河海大学，2005.

QIU Ju-fei.The characteristics of wind and wave in coastline of Jiangsu[D].Nanjing:Hohai University,2005.

[4] 杨耀中，冯卫兵.南黄海辐射沙脊群波浪场数值模拟[J].河海大学学报：自然科学版，2010，38（4）：457-461.

YANG Yao-zhong,FENG Wei-bing.Numerical simulation of wave fields in radial sand ridge filed of southern Yellow Sea[J].Journal of Hohai University:Natural Sciences,2010,38(4):457-461.

[5]DHI.MIKE 21 SW spectral waves FM module user guide[K].Den原mark:DHI,2011.

[6] 冯卫兵.通州湾腰沙围垦二期通道工程前沿设计波要素推算[R].南京：河海大学，2013.

FENG Wei-bing.Estimation of the frontier design wave elements of channel engineering of the phase II reclamation project in Yaosha,Tongzhou Bay[R].Nanjing:Hohai University,2013.

[7]JTS 145—2015，港口与航道水文规范[S]. JTS 145—2015,Code of hydrology for harbour and waterway[S].

Mooring condition of the second basin at Yaosha in the Tongzhou Bay

YANG Chun-ping1,CHEN Tao2
（1.CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China; 2.CHEC Dredging Co.,Ltd.,Shanghai 200120,China）

Wave is one of the important dynamic factors on coastal area.Under the influence of the objective conditions,such as the underwater topography and water-land boundaries,the near shore wave will occur various kinds of deformation, including diffraction and reflection.The wave physical phenomena are complex.Taking the inning project in Tongzhou Bay as an example,we used the MIKE 21 SW 2-D wave model to study the mooring conditions for the planned harbor of the second Basin at Yaosha in Tongzhou Bay under different layout schemes.The reclamation project can effectively obstruct waves coming from north and east,only south wave can affect the planned harbor basin.According to the model results,the wave from south direction is small and the mooring conditions are good in the planned harbor basin.

Tongzhou Bay;MIKE 21 SW wave model;mooring condition

U656.313

A

2095-7874（2017）04-0063-05

10.7640/zggwjs201704015

2017-02-27

2017-03-14

杨春平（1982— ），女，湖北荆州人，硕士，高级工程师，主要从事港口、海岸及近海工程专业设计工作。E-mail：yangcp@theidi.com