浅水湖泊风浪及避风港设计特性

王 爽

山东港通工程管理咨询有限公司，山东烟台 264000

浅水湖泊由于水深较小且为封闭区域，波浪特性与一般开敞海域有所不同，一般总是风起浪成、风止浪息。因此，在避风港等水工建筑物设计中作考虑的因素和设计思路与沿海河口港也有所不同。本文以太湖作为例，阐述了浅水湖泊的风浪及避风港设计方法。

太湖是我国著名的五大淡水湖之一，湖泊面积2427.8km2，实际水面面积2338.1km2。

太湖湖底的平均高程为吴淞零点1.1m，湖底地形极为平坦，无深槽洼地，也无大片滩地。当水位为吴淞零点2.99m时，全湖平均水深仅2m左右。

波浪是湖泊主要水动力过程之一。在湖泊中影响风浪形成和发展的主要因素有风速、风向、水深和风区长度等。由于太湖是一个典型的浅水湖泊，具有风生浪起的特点，风突然增大或减小能迅速引起波浪的增大或减小。太湖湖面开阔，在一般天气条件下，平均浪高在0.2～0.3m左右，当风力为5～6级时，平均浪高可达0.5～0.6m左右，波长约为4～7m。太湖全图及3座避风港位置图如图1所示。

图1 太湖地形地理形势图

1 资料和方法

太湖地区无长期波浪观测资料，本文的波浪计算采用风场资料间接推算波浪的方法。

1.1 设计风速

按年最大风速采样法，对东山站10min平均的最大风速资料进行频率分析，得到各个风向的不同重现期的设计风速值列于表1。统计分析采用的理论分布为P-Ⅲ型。

表1 太湖不同重现期计算风速 （m/s）

1.2 计算水位

拟建避风港基本沿太湖航线布置，根据《江苏省内河航道技术等级批复文件汇编》，采用太湖航线湖区的通航水位作为避风港的设计水位，设计高水位取4.42m，设计低水位取2.57m （吴淞基面，下同） 。

1.3 计算方法

本文采用莆田试验站风浪计算公式[1]

式中—对岸风区长度（ m） ；

—计算风速（ m/s） ；

—平均波高（ m） ；

—有效波高（ m） ；

—平均波周期（ s） ；

—有效波周期（ s） ；

—重力加速度（ 9.81m/s2） ；

为了比较水域形状及水下地形的影响，风区分别采用对岸风区和能量法风区两种方法进行波浪要素计算。水深采用平均水深。

2 数据分析

2.1 设计波浪

本文计算时引用了《国家堤防工程规范》 （GB） 推荐的风成浪计算公式，根据太湖三个港址，分别量取各个风向对应的风区长度以及相应的平均水深，为了充分考虑周边地形地物对风场要素 （风区长度） 的影响，计算中同时采用对岸风区法和有效风区法进行波浪要素的计算。依照前面确定的两种设计水位、8个风浪方向 （实际是16个方位） 以及两种风浪重现期等多种组合的详细计算3个港址的设计波高，且取其大者作为设计波要素，结果见表2。由表2可见，不同的港址其控制波向是不同的，1#港址的主要控制波向为WSW向最大，50年一遇累积率1%的波高可达1.27m、其次为SW和NW向，相同条件下的波高可达1.26m；2#和3#港址的主要控制波向为NW、NNW向，50年一遇累积率1%的波高可达1.23m和1.27m。这与本地区的大风天气主要是寒潮和台风控制有关。由于三个港址的东南方向距离湖边较近，所以东南风引起的风浪并不起控制作用。

表2 年极值平均风速下设计波浪表

为了反应常年风速对防波堤的影响，本文还计算了多年年极值风速平均值条件下各个港址处的波浪要素，结果表明，在多年年极值风速平均值 （大约为2年一遇的发生概率） 条件下，所有拟建港址处的1%的大波波高均不超过1.0m，一般为0.7～0.8m左右。

2.2 港内波高[2-3]

太湖里的波浪完全是风浪，具有波周期小 （一般在1～2s） ，波长短 （一般为4～10m） 等特点，只要基本正向入射的波浪，其有效口门宽度与入射波波长之比 （B/L） 均大于5，一般都在8～10m的范围内，由此可见，此时无论防波堤如何布置，波浪都可直接传播至港内，所以港内波高几乎等于口门处波高。

因此本次拟建的三个港区，均可设A、B两个港池，以适应不同风向出现时的避风要求。且各个港池的口门朝向基本与本地区的较少出现的风向相一致，这样就保证了避风港的有效作业天数。至于那些与避风港防波堤口门成一定角度的风向发生时的港内波高情况，经计算表明，仅仅在近靠口门处2～3倍波长 （约10～15m） 范围内，对船舶的停泊有一定影响，而港内大部分面积则不受影响。

为了更好地分析各个港区在常年情况下的泊稳条件，本次计算时分别对4m/s、5m/s、8m/s、10m/s以及50年一遇设计风速和100年一遇设计风速都进行了计算，4m/s和5m/s的风速大小相当于该地区常年平均风速，而8m/s和10m/s的风速大小则相当于该地区多年年极值平均风速。由计算结果可见，在常年平均风速作用下各个避风港内的波高一般在0.2～0.3m范围内，而在正对着口门方向的多年一遇风速作用下，避风港内的波高则较大，可能影响船只停泊；但如前分析，若每个港址均有两个港池，可根据不同风向交换使用，众所周知同一时刻不可能出现两个风向，因而不会对避风港的作用产生实质性的影响。

4 结语

（1） 由于太湖全湖水深较浅，因此由风成浪公式计算得设计波浪均较小。年极值风速下，三个港址平均波高在0.1～0.4m之间，百年一遇风速下，三个港址的控制波向的平均波高也仅为0.6m左右。因此，太湖全湖水深较小，波浪以风生浪为主，波高较小。

（2） 由于太湖波浪波高小、波周期较小，因而波长则较短，故有效口门宽度与入射波波长之比 （B/L） 一般都在8.0～10.0以上，这时防波堤几乎没有掩护作用，波浪直接进入港内，使港内波高近似等于口门处波高。因此在设计时，可在每个港址设两个港池，根据不同风向交换使用，各个港池的口门朝向基本与本地区的较少出现的风向相一致，这样就保证了避风港的有效作业天数。

[1] JTS145-2015，港口与航道水文规范[S].

[2] 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.

[3] Fengweibing，hongguangwen，An Analytic-Numerical Solution of Wave Transformation[J].China Ocean Engineering，Vol.9.No.1.pp.43-50.