港口及海岸工程防灾理论体系的研发及其应用❋

刘德辅， 刘桂林， 王凤清， 王永发

(1.中国海洋大学工程学院，山东 青岛 266003； 2.青岛新前湾集装箱码头公司，山东 青岛 266555)

港口及海岸工程防灾理论体系的研发及其应用❋

刘德辅1， 刘桂林1， 王凤清1， 王永发2

(1.中国海洋大学工程学院，山东 青岛 266003； 2.青岛新前湾集装箱码头公司，山东 青岛 266555)

本文介绍了中国自主研发的复合极值分布理论和多维复合极值理论30多年来在国内外的引用和应用，特别是2005年Katrina和2012年Sandy飓风对新奥尔良市和新泽西州及纽约周边带来的灾难性破坏，以及2013年菲特台风诱发上海超警戒水位,都验证了1982及2006年使用上述理论预测结果的正确性。本文就该理论在海洋，海岸、港口等工程防灾设防标准中的应用，对国内外有关规范的防灾标准进行了风险评估和建议。

台风灾害；复合极值分布；多维复合极值分布；海岸和港口工程；规范校核

随着全球气候变暖、海平面上升等因素加剧的趋势，台风、巨浪、暴潮、暴雨、洪水巨灾已成为影响海岸、海洋、水利以及港口工程安全的重大问题。世界气象组织指出：百分之九十的自然灾害为极端气象灾害，例如台风、飓风，热带风暴灾害。1975年尼娜台风在福建登陆，经历108 h北上至河南省,台风带来的暖湿气流遇到了北方的冷空气，导致3天之内降水量达到1 m，板桥水库及下游62个水库的溃决，17万多人死亡，1 200多万人受灾，百万公顷农田被淹，京广铁路100多公里被毁。2006年桑美和碧利斯两场台风共导致1 600多人死亡和失踪，5 000多亿经济损失。桑美台风诱发了7 m巨浪和3.8 m风暴增水，导致沙埕港952只船舶沉没，1 594只船舶毁坏。如果台风延后2 h登陆，则恰逢天文大潮，这种“三碰头”的组合可完全淹没包括若干个核电站在内的福建、浙江大部分土地，其灾难性后果难以估量。这种小概率极端事件的发生是完全可能的。2013年10月8日台风菲特导致暴雨洪水、风暴潮，受天文大潮顶托的共同影响，黄浦江沿线水位上涨迅速，下午2时05分，吴淞口实测水位达5.15 m，超过按国家规范计算的警戒水位0.35 m线[1]。

长期以来，由于概率统计理论和方法上的限制，在港口、海岸、近海及河口城市防护工程的设计仍停留在对实测资料年最大值概率分析基础上，假定年最大值服从某种分布(Gumbel，Weibull或P-Ⅲ型分布等)，估计不同重现期对应的设计波高、水位、风速作为设计标准，对恶劣环境条件下多种荷载共同作用组合的问题一直未得到妥善解决。一些没有理论依据的模式和规定影响到概率预测的正确性和防灾标准的合理性，导致极端气候因素诱发的溃坝，决堤巨灾时有发生[2]。

1 复合极值分布理论(CEVD)及多维复合极值分布理论(MCEVD) 的建立

自1978年代初交通部“海港水文规范编写组”成立以来，进行了全国各地港口的调查研究，特别是1972年3号台风重创大连港，有效波高6.8 m，超过了1896年的台风巨灾，导致大连海域的空前损失,更进一步加深了对台风波浪长期概率预测重要性的认识，启发我们开展了针对台风特征进行台风影响海区设计波浪(及其他致灾因素)概率预测理论和计算方法的研究。

鉴于国内外惯用年极值系列按照某种概率模式(如P-Ⅲ型、Gumbel,Weibull分布)外延推求不同重现期设计值的作法存在的弊端——遗漏了每年各次台风致灾因素提供的重要信息，影响到概率预测结果的置信度，考虑到台风影响不同海区每年出现的频次各不相同，可用离散型随机变量及相应的离散型概率分布表示；台风诱发的致灾因素(风速、增水、波高等)可用连续型极值分布表示，二者的组合在顺序统计学和测度论的理论基础上经过严格的数学推导，可构成一种新的极值分布模式——复合极值分布(简称CEVD)。根据统计检验结果，台风(飓风)影响各海区的频次符合Poisson分布，台风(飓风)波浪的不同特征可分别采用Gumbel和Weibull分布，可构成Poisson-Gumbel CEVD分布(用于中国台风影响海域)[3]和Poisson-Weibull CEVD分布(用于美国墨西哥湾和大西洋沿岸)[4]。

1.1 Poisson-Gumbel复合极值分布(CEVD)

当台风频次为泊松分布，波高符合Gumbel分布时，可简化为：

HP=u+XP/α。

(1)

1.2 多维复合极值分布(MCEVD)的理论求解及应用

在上述复合极值分布理论的基础上进一步建立了一个新的理论分布模式：多维复合极值分布模式，既考虑了不同海区每年台风(飓风，热带风暴)出现的频次，又考虑了它们诱发的多种极端海况(风速、波高、周期、风暴潮、海流等)出现的概率特性。前者可构成一种离散型分布，后者则可用不同的多维联合极值分布表达，从而构成离散型分布与多维联合极值分布组合而成的新分布—多维复合极值分布。以三维复合极值分布为例，经过严格的数学推导，当台风频次为Poisson分布时，三维泊松复合极值分布的表达式如下：

(2)

式中：g(x,y,z)可为任何一种三维联合概率密度函数；G1(u)为分布函数。

新理论自1980年在国外重要学术刊物公开发表后，得到了国内外学术界和工程界的重视、引用和应用。30多年来，CEVD模式不仅正式列入了中国教育部港工专业、海工专业全国统编教材的正式内容，并在近40项工程项目的设计波浪推求中得到应用。 在国家防汛抗旱总指挥部办公室委托项目“中国沿海台风灾害区划、防台风标准应急制定、防台风应急评估标准制定”中，研发了基于多维复合极值分布理论的“双层嵌套多目标联合概率模式”(简称DLNMOPM)，用于沿海各区防台风设防标准的概率预测及灾害区划，2008年经国家防办组织专家验收，下达执行。同年，交通部在国家行业标准“海港水文规范”(JTJ213-98)修订稿中(2013年出版)正式采用了“复合极值分布理论”作为设计波高概率预测的理论和方法，首次取代了该国家行业标准中持续使用近四十年的P-Ⅲ型曲线[5-9]；此外，在美国墨西哥湾及大西洋沿岸、加拿大、尼罗河三角洲的波候、地中海及新加坡的波况和风况，挪威和韩国极端海况研究等多项工程中都得到应用[10-18]。

1.3 2005 、2012美国两场飓风重灾及2013中国菲特台风灾害，验证了CEVD和MCEVD 1982和2006预测结果的正确性

2005年美国发生的Katrina飓风重灾，对新奥尔良的毁灭性破坏，导致新奥尔良市毁灭性破坏，1 800人死亡，800亿美元经济损失。飓风的强度和特征不仅验证了使用复合极值分布理论模式1982年预测结果的正确性(见表1)，也显示了2005灾后使用MCEVD复核结果的合理性(见文献[19]中图8)，同时也表明美国国家海洋和大气管理局(NOAA)制订的上述海区防灾标准—可能最大飓风(PMH)和标准设计飓风(SPH)过低，是巨灾的主要诱因,这一事实已得到公认[1-2]。2008年美国佛罗里达国际飓风研究中心在海岸防护飓风灾害工程设计中，引用了作者的4篇论文[1,3-5]正式用作防护飓风灾害设计标准的依据[20]

2012年10月30—31日桑迪飓风重现堤坝冲毁，特拉华州，新泽西州及纽约周边大面积淹没，大量人员伤亡，数百亿美元经济损失，再次验证了传统的设计标准和工程结构是致灾的主要诱因。作者对上述海区飓风强度预测成果再次得到证实(见文献[19]图8)。

表1 墨西哥湾A区卡特里娜飓风强度概率分析(按文献[19]图8计算)Table 1 Comparison between NOAA and CEVD predicted value (by [19],Fig.8 calculated) /hPa

Note：①Zone number；②Hurrieane example；③Gulf of Mexico Zone A

飓风的强度和特征，验证了使用复合极值分布理论1982年预测结果的正确性(见表1)。图1则为作者使用2002年以来新开发的MCEVD分析飓风及其诱发的灾害性海况，显示2005年以前美国不同学者公开发表对上述海域预测成果，明显低于MCEVD的预测值(见文献[9]中图6)。MCEVD的预测结果显示，重现期100年一遇的风速3区(新奥尔良区)与2005卡特里娜飓风状况相近，明显高于设防标准；8-9区(新泽西，纽约沿岸)则与2012年桑迪飓风最大风速相近 (见表2)。

图1 100年一遇的极端风速对比PNLTCED 及美国学者的概率预测[19.图.8]Fig.1 100 years return period for extreme wind velocities by different predicted results

同样，如图2所示，1982年预测的风暴增水(见文献[4]中的图8)，费城周边(图中虚线)100年一遇风暴增水达到10Ft(3 m),完全为2012年桑迪飓风对新泽西，纽约，特拉华州大面积淹没的事实所证实。

2 多维复合极值分布理论在河口、海岸城市防灾设计标准中的应用

多维复合极值分布模型在推算上海市防洪设计标准中的应用：上海地处长江入海口处，防洪水位极受重视，有关部门多次提高防洪标准，现采用千年一遇水位5.86 m。针对‘中国台风年鉴’1949—1987年资料，吴淞受台风影响期间的实测水位经过风险分析得出，在极端环境条件下影响上海市防洪水位的主要因素为长江下泄洪峰和风暴增水与天文大潮同时发生的“三碰头”组合。计算结果考虑台风暴潮，暴雨洪水与天文大潮的组合，2006年使用MCEVD计算的百年一遇预测结果如表3、4所示，已超过防护工程500年一遇超警戒水位设防标准。10月8日，受天文大潮顶托、上游洪水下泄，本地大暴雨和台风暴潮的共同影响，水位上涨迅速，14：05吴淞实测水位达5.15 m，超过警戒水位0.35 m。

表2 不同方法预测结果比较(见文献[19].图.8)Table 2 Comparison Predicted Results by Different Mrthods([19],Fig.8)

Note：①Comparison Predicted Results by Different Marthods；②Predicted 100-yrs return period wind speed for New Orleans(3 zone)；③Predicted 100-yrs return period wind speed for New Jersey and New York coastal areas(9 zone)

图2 美国大西洋沿岸各区不同重现期风暴增水1982年预测结果([4]中图8)

表3 吴淞港防洪水位Table 3 Design water level at Wuson datum plane

Note：①Joint return period；②Flood；③Storm surge；④Astronomical tide；⑤Design water level

由表可见，按单因素外延的千年一遇上海防洪水位5.86 m仅相当于考虑台风频次，风暴潮、天文大潮、长江上游洪水的联合重现期百年一遇值。正如Kirby和Moss在“美国洪水概率分析总结”一文中指出:“将基于事件取样和联合概率结合起来将大大推动特大洪水概率预测的发展”[10], 而MCEVD理论的立论依据与Kirby和Moss所期待的特大洪水预测模式发展方向不谋而合。 即每年台风过程取样较传统理论方法的年最大值取样，统计数据远远超过传统取样方法，概率预测结果的置信区间远远小于年最大值取样预测值的置信区间，由此可见，应用复合极值理论预测结果在相应的置信区间范围内，必然高于传统理论年最大值预测结果。因此, MCEVD预测结果较传统方法更为合理的结论也就不言而喻了。

表4 台风暴潮，暴雨洪水与天文大潮MCEVD和传统外延法预测结果比较Table 4 Cpmparison between MCEVD and traditional method predicted extreme water level for Shanghai

Note：①Model；②Return period；③Design value；④Tradional method(P-3 model)；⑤Shanghai warning water level(P-3 model)；⑥Typhoon Fitow induced Wuson port observd sea level

3 建议

(1)Katrina飓风带来巨大灾害的教训，对海岸，港口工程的防灾设计标准的确定，特别是滨海核电站防护工程的安全非常重要，全盘翻译引用国外规范的隐患，必须引以为鉴[19]。

(2)鉴于沿海港区大风导致港内集装箱垜倒塌事故时有发生，例如：2014年8月盐田港几十个集装箱遭台风袭击，很多民房破坏，造成500多万损失：2010年8月芜湖港台风导致两座门吊倒塌，造成2死1伤：2005年Octavia轮停靠宁波北仑港，温带气旋袭击，波高7～8 m，造成集装箱损失。建议针对所在海域台风或极端海况可能诱发影响集装箱垜安全的外荷研究和制订港区安全规范。

[1] Liu D F, Pang L, Xie B T. Typhoon disaster zoning and prevention criteria—A double layer nested multi-objective probability model and its application[J]. Science in China (E), 2008, 51(7): 1038-1048.

[2] Liu D F， Li H J， Liu G L， et al. Book Title: Natural Disasters: Prevention, Risk Factors and Management[M]. USA: NOVA Science Publishers, Inc. Chapter 1: Typhoon/ Hurricane/ Tropical Cyclone Disasters： Prediction USA： Prevention and Mitigation, 2013： 1-72.

[3] Liu D F， Ma F S. Prediction of extreme wave heights and wind velocities[J]. Journal of the Waterway Port Coastal and Ocean Division, ASCE, 1980, (WW4): 469-479.

[4] Liu D F, Long Term Distributions of Hurricane Characteristics [C]. Huston: Proc Offshore Technology Conference, OTC4 325, 1982: 305-313.

[5] Liu D F， Pang L. Joint Probability Analysis of Hurricane Katrina 2005[C]. Proc Intern Offshore & Polar Eng. Conf(ISOPE), USA： San Francisco, USA： 2006, 3: 74-80.

[6] Liu D F, Pang L, Xie B T. Typhoon Disaster in China—Prediction, Prevention and Mitigation, Natural Hazards[C]. Germany： Springer-Verlag, 2009， 49： 421-436.

[7] Liu D F， Wang F Q， Wang Y F. Prediction of Typhoon Triggered Sea Hazards in China[C]. Bremen, Germany: Proc OCEANS’ 09, IEEE, 090204-001. 2009.

[8] 刘德辅， 庞亮. 中国沿海台风灾害区划、防台风标准应急制定、防台风应急评估标准制定。国家防汛抗旱总指挥部委托项目(20060120)[S]. 北京： 国家防办组织专家委员会， 2008.

Liu D F, Pang L. “Typhoon Disaster Prediction, Prevention and Guideline of Emergency Plan for China Sea Coasts”: China State Flood Control and Drought Relief Headquarters 2008 established project (20060120)[S]. Beijing： Experts committee of National Disaster Provention Office, 2008.

[9] 刘德辅， 庞亮， 史宏达. 台风影响海区设计波浪概率预测理论、计算方法及规范条文[S]. “国家行业规范”海港水文“2008修订版. 北京： 人民交通出版社， 2013.

Liu D F, Pang L, Shi H D. Design Wave Criteria for Typhoon Influenced Sea Areas: Probability Prediction Theory, Calculation Method and Design Calibrations[S]. Published “ China Code for Sea Port Hydrology”. Beijing: Press of People’s Transportation, 2013.

[10] Kirby W H, Moss M E. Summary of flood-frequency analysis in the United States[J]. J Hydrology, 1987, 96: 5-14.

[11] Ochi M K. Stochastic analysis and probabilistic prediction of random seas[J]. Adv Hydro-Science, 1982, 13: 217-315.

[12] Langley R M, El-Shaarawi A H. On the calculation of extreme wave heights: A review [J]. Ocean Eng, 1986, 13(1): 93-118.

[13] Naffa M G, Fanos A M, Elganainy M A. Characteristics of waves off the Mediterranean Coast of Egypt [J]. J Coast Res, 1991, 7(3): 665-676.

[14] Quek S T, Cheong H F. Prediction of extreme 3 s gusts accounting for seasonal effects[J]. Structure Safety, 1992, 11(2): 121-129.

[15] Cheong H F. Estimation of the minimum pressure coefficient due to gusts [J]. Structure Safety, 1995, 17: 1-16.

[16] Naffaa M G. Wave climate along the Nile delta coast[J]. Journal of Coastal Research, 1995, 11: 219-229.

[17] Bea R. Reliability assessment and management：lessons from hurricane Katrina[C].[s.1]： Proceedings of the Offshore Mech. & Arc. Eng. 2007: OMAE2007-29650.

[18] Chowdhury A G, Huang E, Erwin J. Novel full-scale wind- structure interaction experimentation for mitigating hurricane induced coastal disasters[J]. Far East Journal of Ocean Research, 2009, 2: 1-27.

[19] Liu D F， Shi H D， Liu G L. Risk Assessment for Nuclear Power Plants Against Natural Disasters: Probability Prediction and Disaster Prevention[M]. USA：NOVA Science Publisher Inc. Free Charge Published, 2015.

[20] Coles S, Simiu E. Estimating uncertainty in the extreme value analysis of data generated by a hurricane simulation model[J]. J of Engineering Mech. ASCE, 2003, 129(11): 1288-1294.

[21] Casson E, Coles S. Simulation and extremenal analysis of hurricane events[J]. Appl Statist, 2000, 49(2): 227-245.

[22] Georgiou P N, Davenport A G, Vickery P J. Design wind speeds in regions dominated by tropical cyclones[J]. Journal Wind Eng. Indu Aero. Dyn, 1983(13): 139-152.

StudyonHarbourandCoastalEngineeringDisasterPrediction:TheoryandApplication

LIU De-Fu, LIU Gui-Lin, WANG Feng-Qing, WANG Yong-Fa

(1.College of Engineering, Ocean University of China,Qingdao 266003,China; 2.Qingdao New Qianwan Container Terminal Co.,Ltd.Qingdao 266555,China)

This paper introduced our proposed unit-variant and multivariate compound extreme value distribution (CEVD and MCEVD) models. It is showed that all the planned, designed and constructed coastal infrastructures accepted the traditional safety regulations are menaced by possibility of future typhoon/hurricane disasters and cannot satisfy the safety requirements with the increasing tendency of the extreme natural hazards in the past 35 years. 2005 hurricane Katrina, Rita and 2012 hurricane Sandy induced disasters proved 1982 CEVD and 2006 MCEVD predicted extreme hazards in New Orleans, Gulf of Mexico and Philadelphia areas. 2013 typhoon Fitow induced disaster in China also proved MCEVD 2006 predicted results. This paper shows that all the planned, designed and constructed coastal infrastructures accepted the traditional safety regulations are menaced by possibility of future typhoon/hurricane disasters and cannot satisfy the safety requirements with the increasing tendency of the extreme natural hazards.

Typhoon disaster; CEVD;MCEVD; coastal and port engineering; design code calibration

U656.2

A

1672-5174(2018)02-091-05

10.16441/j.cnki.hdxb.20170162

刘德辅， 刘桂林， 王凤清， 等. 港口及海岸工程防灾理论体系的研发及其应用[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版), 2018, 48(2): 91-95.

LIU De-Fu, LIU Gui-Lin, WANG Feng-Qing, et al. Study on harbour and coastal engineering disaster prediction:Theory and application[J]. Periodical of Ocean University of China, 2018, 48(2): 91-95.

国家自然科学基金项目“基于多目标四层嵌套概率模式的海岸工程风险评估研究”(51379195)；山东省自然科学基金项目“海岸工程多目标三层嵌套联合概率预测及风险评估模式研究”(ZR2013EEM034)资助

Supported by National Natural Science Foundation of China for the Project “Coastal Engineering and Risk Assessment Based on A Four-Layer Nested Multi-Objective Probability Model” (51379195)；Natural Science Foundation of Shandong Province for the Project “Three-Layer Nested multi-Objective Probability Prediction and Risk Assessment in Coastal Engineering” (ZR2013EEM034)

2017-04-10；

2017-05-11

刘德辅(1936-)，男，博导。E-mail：liu@ ouc.edu.cn

责任编辑 庞 旻