旅顺新港旅游休闲区波浪数值模拟研究

刘昌凤，施忠良，郑 兴，王荣泉，曹光磊

(1.大连海洋大学 海洋与土木工程学院，大连 116023；2.大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，大连 116024；3. 中交天津港湾工程设计院有限公司，天津 300461)

旅顺新港旅游休闲区波浪数值模拟研究

刘昌凤1,2，施忠良3，郑 兴3，王荣泉2，曹光磊2

(1.大连海洋大学 海洋与土木工程学院，大连 116023；2.大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，大连 116024；3. 中交天津港湾工程设计院有限公司，天津 300461)

工程海域的波浪条件是港口规划设计中需要考虑的首要因素。针对旅顺新港旅游港区扩建预案，应用水动力学软件MIKE21的SW和BW数学模型对防波堤建设前后工程海域的波浪场进行数值模拟。根据工程区域水深及地形变化特点，采用远场大区域推算与近场小区域精细模拟相结合的方法，计算了拟建水工建筑物的设计波浪要素及港内波况。结果表明：工程受NW和NNW方向波浪影响较大，当重现期为50 a时，外护岸、防波堤和泊位处的有效波高分别为4.74 m、5.66 m和1.10 m；若在防波堤和外护岸西侧增加一条垂直于NW方向的潜堤，外护岸、防波堤和泊位处的有效波高分别降至3.43 m、3.79 m和0.75 m。

旅顺新港；波浪；MIKE21；数值模拟

图1 工程位置卫星云图Fig.1 Satellite image of project location

旅顺新港旅游港区位于旅顺西侧羊头湾的月亮湾北部，地处辽东半岛最南端、南濒黄海，西扼渤海水道，地理位置为38°48.5′N、121°08′ E，港区所在位置卫星图如图1所示。本工程拟在月亮湾北部修建防波堤及护岸等水工建筑物。在水工建筑物的设计中，波浪掩护效果、港区水域流态、泥沙淤积等是确定其平面选线的关键性问题[1]，需要根据现有方案进行数值模拟研究和物理模型试验。

由于物理模型试验具有成本高、周期长的缺点，在项目设计初期通常采用数值模拟研究进行方案优选[2-3]。MIKE21系列软件是由丹麦水工研究所(DHI)开发的水动力计算软件，其波浪传播模块能够计算波浪自外海向近海的传播变形，风生成浪以及近海建筑物附近的波浪变形等问题[4]。目前，该软件已经在国内港口工程项目中得到了广泛应用[5-9]。

图2 水师营气象站风玫瑰图Fig.2 Wind rose diagram of Shuishiying station

1 工程海域水位、风和波浪条件

工程海域的极端高水位2.91 m，设计高水位2.27 m，设计低水位0.10 m，各水位均以当地理论最低潮面为基准。根据旅顺当地水师营气象站的统计资料，该地区多年平均风速为3.82 ms，最大风速为32 ms，强风向为NNW方向，常风向为NNE方向，频率31%，次常风向为N方向，频率27%(图2)。

与港区临近的北隍城海洋观测站(38°24′N、120°55′E，距港址约50海里)，该站的S-SW-W-NW向波况基本能反映本港区深水波浪，故采用该站的波浪资料进行深水波浪分析。根据测站的统计资料，该地区常浪向为NW方向和NNW方向，强浪向为NW方向，各重现期波浪数据如表1所示。

表1 北隍城观测站不同重现期有效波高Tab.1 Significant wave heights of different return period at Beihuangcheng station

2 深水波浪要素计算

为了精细模拟工程区域设计波要素及港内波浪情况，项目采用MIKE21软件中的SW模型，通过大范围波浪场推算，得到工程区域-20 m等深线处的波浪要素。

2.1 MIKE 21 SW计算模型

MIKE21 SW模型可考虑波浪绕射、浅水变形、局部风成浪、海底摩擦和波浪破碎的影响，可用来进行大范围的波浪场计算。在笛卡尔坐标系下，MIKE21-SW的控制方程表示为

(1)

式中：N为波作用密度，σ为相对频率，V=(cx,cy,cσ,cθ)为波群速度，cx、cy分别表示波作用在地理空间(x,y)中传播时的变化，cσ表示由水深和水流变化引起的相对频率的变化，cθ表示由水深和水流引起的折射，S指能量平衡方程中以谱密度表征的源函数，式中各传播速度均采用线性波理论计算。

表2 工程区域-20 m等深线处设计波要素Tab.2 The designed wave parameters at -20 m water depth counter in project location

2.2数值计算结果

考虑主要入射波浪方向、工程区域以及北隍城测站所在位置，选定东西向长106 km、南北向长118 km的矩形作为大区域的计算范围，计算域左下方点A的地理坐标为(E120.2°，N38.2°)，如图3所示。

图3 大区域模型计算域Fig.3 Computational domain of a large area model

采用MIKE 21 SW模型推算大区域模型波浪场，给出工程区域湾口深水处(-20 m等深线)设计波浪要素(表2)。

从计算结果可以看出：(1)工程海域强浪向NW和次强浪向NNW的推算结果与北隍城测站波浪统计资料相吻合，说明大区域模型建立合理，结果可靠；(2)受地形掩护及水深变浅引起波浪折射的影响，这两个方向的外海来浪传至本工程区域时向湾内发生偏转，在防波堤设计中应重点考虑。

3 防波堤、护岸设计波要素和港内泊稳计算

3.1 MIKE 21 BW计算模型

MIKE21 BW模型考虑地形和水工建筑物对波浪的折射、反射和绕射以及底部摩阻损耗等的影响，可用于码头设计波要素和港内泊稳计算。BW模型的基本方程为

(2)

(3)

(4)

式中：P、Q为X、Y向流速水深积分；FX、Fy为X、Y向水平应力；d为总水深；n为孔隙率；C为谢才系数；α、β为空隙介质中层流和紊流的阻尼系数；ξ为波面升高；ψx和ψy为色散项。

3.2平面布置方案

在本项目的4个平面布置方案中，拟建防波堤均为圆弧形且位置相同：方案一为基本方案(图4-a)，方案二在防波堤和外护岸西侧增加一条垂直于NW方向长度为400 m的潜堤(图4-b)，方案三在防波堤和外护岸西侧增加一条与平行于防波堤长度为500 m的潜堤(图4-c)，方案四将防波堤按现有弧度延长100 m(图4-d)。方案二和方案三中潜堤断面设计保持一致，其断面图如图5所示。

4-a 方案一(基本方案) 4-b 方案二(垂直潜堤方案) 4-c 方案三(平行潜堤方案) 4-d 方案四(延长防波堤方案)图4 工程方案的平面布置Fig.4 Layout of engineering projects

3.3数值计算结果

图5 平面布置方案二和方案三中的潜堤断面图Fig.5 Cross-section view of submerged breakwater in scheme Ⅱ and scheme Ⅲ

外护岸和防波堤的设计波要素由工程区域原始地形计算得到，而港内波况由工程建成后的地形计算得到。按照50 a重现期的设计标准，选取NW、W、WNW、SW和NNW 5个波向，以及极端高水位、设计高水位和设计低水位3种情况进行数值计算。考虑到外海波向传到工程区域后发生偏转、以及工程方案布置和模型计算的要求，不同波浪入射时计算模型的区域选取如图6所示。在方案二和方案三中，潜堤的影响可以通过修改地形实现，图7-a和图7-b分别为垂直潜堤方案(方案二)和平行潜堤方案(方案三)的MIKE21 BW模型地形图。

3.3.1 外护岸及防波堤

对外护岸和防波堤进行分段，并提取每段外护岸和防波堤的最大波要素，表3给出了在极端高水位和重现期为50 a的条件下，外护岸及防波堤有效波高统计值。

图6 MIKE 21-BW模型计算区域示意图Fig.6 Sketch of calculation ranges in MIKE 21-BW model

7-a 垂直潜堤方案(方案二)地形图 7-b 平行潜堤方案(方案三)地形图图7 潜堤方案地形图Fig.7 Topographic maps of two submerged breakwater schemes

港内测点方案一方案二方案三外护岸NW4．743．433．29NNW3．342．412．43WNW3．01--SSW1．87--防波堤NW5．663．793．74NNW4．783．193．34WNW3．27--SSW1．29--

从表3可以看出：(1)由于工程位于开敞海域，对其影响最大的波浪仍是NW方向，其次是NNW方向；(2)在方案二和方案三中，外护岸和防波堤前的设计波高明显减小，对于垂直潜堤方案(方案二)，波高的降幅在27.6%～33.3%；对于平行潜堤方案(方案三)，波高的降幅在27.2%～33.9%，两种方案的计算结果差别并不明显，但方案二中潜堤长度小于方案三，从工程造价角度考虑，建议采用垂直潜堤方案(方案二)。

3.3.2 港内泊稳

选取19个控制点验算港内泊稳情况，其中1～6号是泊位处测点，7～8号是港池内测点，9～11号是航道内测点，12～15号是世界和平公园处测点，16～19号是旅顺新港东防波堤处测点，控制点布置如图8所示。

在对工程实施后港内泊稳的计算中，考虑了小风区局部风浪[10]的影响。根据《海港水文规范JTS 145-2-2013》规定，港域风区长度超过1 km时，需同时考虑绕射波与局部风浪的合成，合成后的波浪按式(5)计算。

图8 港内泊稳条件控制点布置Fig.8 Layout of control points for berthing conditions

(5)

式中:H为港内计算点波高，H1和H2分别为计算点绕射波高和局部风浪波高。

选取SSE风向的3、4号测点研究绕射波与局部风浪的叠加作用。表4给出了3、4点在SSE向风作用下形成的局部小风区有效波高。为保证安全，将SSE风向下测点局部风浪与各向外海波浪进行叠加，得到港内3、4测点在局部风浪与外海波浪共同作用下的波浪条件(表5)。

表6给出了外海NW向50 a一遇波浪作用下港内的有效波高。图9给出了在重现期为50 a和设计高水位条件下，采用不同设计方案时港内的比波高分布。

综合分析表6和图9的计算结果，可以看出：(1)对港内泊稳影响较大的外海波浪为NW方向；(2)设置垂向潜堤(方案二)或延长防波堤(方案四)后港内波高都会减小，采用方案二泊位处波高最多降低30%，采用方案四泊位处波高最多降低10%。可见，设置垂向潜堤对港内掩护效果更为明显，因此建议采用平面布置方案二。

表4 SSE风向港内3、4测点局部风浪的有效波高
Tab.4 Significant wave heights of observation points 3 and 4 in harbor induced by the SSE direction wind m

测点极端高水位设计高水位设计低水位30．420．420．3340．430．410．30

表5 港内3、4点在小风区局部风浪和外海50 a一遇波浪作用下的波浪条件Tab.5 Wave conditions of points 3 and 4 in small fetch under the waves with 50 a return period

表6外海NW向50 a一遇波浪作用下港内有效波高
Tab.6 The largest significant wave heights in harbor induced by the NW direction wave with 50 a return period m

港内测点方案一方案二方案四极端高水位设计高水位极端高水位设计高水位极端高水位设计高水位泊位10．880．910．650．650．800．8520．981．020．640．660．840．8931．061．070．680．710．880．9340．890．930．720．740．930．9850．991．050．740．770．941．0061．081．100．750．780．951．00港池71．010．960．700．730．900．9681．030．980．670．690．850．91航道91．183．450．970．900．850．89104．771．113．323．133．913．59113．264．474．293．644．744．61世界和平公园121．051．030．740．730．950．99130．921．010．790．780．930．95141．061．010．760．690．840．87150．940．980．800．740．960．95旅顺新港东防波堤166．035．85．855．945．995．96175．324．864．814．825．725．71185．955．724．053．885．275．28195．294．783．743．644．774．74

图9 外海50 a一遇波浪和设计高水位下的港内比波高图Fig.9 Relative wave height distribution in port under return period of 50 a at design high water level

4 结论

(1)对于基本布置方案(方案一)，在50 a一遇NW方向波浪作用下，外护岸处有效波高可达4.74 m，防波堤处有效波高可达5.66 m，内护岸处有效波高为1.19 m。

(2)对于设置垂向潜堤方案(方案二)，在50 a一遇NW方向波浪作用下，防波堤处有效波高减小27.6%～33.3%，泊位处有效波高最大降幅约为30%。

(3)对于设置平行潜堤方案(方案三)，在50 a一遇NW方向波浪作用下，防波堤处有效波高减小27.2%～33.9%，且潜堤长度大于方案二。

(4)对于延长防波堤方案(方案四)，在50 a一遇NW方向波浪作用下，泊位处有效波高最大降幅约为10%，其掩护效果不如方案二。

综上所述，在4个平面布置方案中，从波浪掩护效果和工程造价角度考虑，方案二最优，但方案的最终选取还应综合考虑潮流和泥沙的影响。

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Numerical simulation of wave condition in tourism and leisure zone of Lushun new harbor

LIUChang-feng1,2,SHIZhong-liang3,ZHENGXing3,WANGRong-quan2,CAOGuang-lei2

(1.CollegeofOceanandCivilEngineering,DalianOceanUniversity,Dalian116023,China;2.StateKeyLaboratoryofCoastalandOffshoreEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China; 3.TianjinPortEngineeringDesign&ConsultingCompanyLtd.ofCCCCFirstHarborEngineeringCompanyLtd.,Tianjin300461,China)

Wave condition in project area is a primary factor of harbor design. In the expansion project of Lushun new harbor, a hydrodynamic model MIKE21 was applied to simulate the wave field before and after the breakwater construction. According to characteristics of water depths and geography in the project area, both far field and near field analytical methods were adopted to calculate the design wave parameters of proposed marine structures and wave conditions in harbor. The results show that: waves in both NW and NNW directions have greater influence, while the significant wave heights outside the revetment and the breakwater are 4.74 m and 5.66 m as well as 1.10 m at berth; if there is a submerged breakwater built perpendicularly to NW direction, the significant wave heights at revetment, breakwater and berth can be reduced to 3.43 m, 3.79 m and 0.75 m.

Lushun new harbor; wave; MIKE21; numerical simulation

TV 139.2;O 242.1

：A

1005-8443(2017)04-0351-06

2016-06-01；

：2016-09-18

国家自然科学基金资助项目(51409039)；辽宁省教育厅一般项目(L201601)

刘昌凤(1981-)，女，黑龙江省加格达奇人，讲师，主要从事港口﹑海岸和近海工程研究。

Biography：LIU Chang-feng (1981-), female, lecturer.