孟加拉湾东海岸筑港波浪条件分析及应用

张亚敬，徐亚男，陈汉宝，谭忠华

（交通运输部天津水运工程科学研究院，港口水工建筑技术国家工程实验室&工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456）

0 引言

孟加拉湾位于印度洋北部，西临印度半岛，东临中南半岛，北临缅甸和孟加拉国，南在斯里兰卡至苏门答腊岛一线与印度洋本体相交，经马六甲海峡与泰国湾和南海相连，海湾为倒U形，面积217万km2，平均水深为2 586 m。孟加拉湾是热带气旋的多发海域，其中登陆东岸的台风约占40%，并且该区域岸滩地势低洼，因此成为世界上受风暴潮浪灾害最为严重的地方。在这种复杂浪、潮、沙综合作用的海域，港口建设成为难题。伴随孟加拉国经济发展，对电力、港口等需求迫切，深入研究孟加拉湾东岸近岸波浪特征，不仅可以为港口及电站工程平面布置、水工结构设计和今后运营管理提供可靠依据，还可为21世纪海上丝绸之路的筑港技术提供参考。

针对孟加拉湾风浪特征的研究，李培[1]、刘金芳[2]等利用多年的北印度洋的气象船舶资料分析北印度洋的气象特点，发现了孟加拉湾风场的分布特点及年际变化特征以及在季风期间风向与波向基本一致。袁俊鹏[3]等人根据1981—2010年NECP的风场资料和JTWC的北印度洋热带气旋路径资料对北印度洋热带气旋活动的时空分布特征进行统计分析，表明孟加拉湾的热带气旋以偏西方向的路径居多。李汀等[4]分析了孟加拉湾盛行西南季风时间及强度大于南海盛行西南季风的时间的规律。徐亚男等[5]统计分析了多年孟加拉湾波浪场、海面风场的特征以及海湾内3个代表性港口的风浪特征。目前多数研究针对于北印度洋或者孟加拉湾整体海域的波浪特征进行了分析研究，而尚未发现针对孟加拉湾东岸浅滩地形波浪传播特征的分析研究。本研究基于实测数据及再分析数据对孟加拉湾风浪特征进行综合特征研究，并重点通过建立数学模型对台风浪及近岸筑港海区波浪传播特性进行细致分析，同时选择3个代表性位置的港口工程进行筑港平面特征与水动力环境的适应性分析。

1 孟加拉湾的波浪特征

从ECWMF（2016—2018年）后报统计数据来分析，数据提取点坐标22.25N，91.625E，位置示意图见图1。非季风期（1—5月，10—12月），盛行东北季风，孟加拉海域波浪集中于SW—S向，常浪向与强浪向均为SSW向，平均有效波高0.55 m。季风期（6—9月），受印度洋西南季风的影响，盛行西南风，孟加拉海域波浪集中于SW—S向，常浪向与强浪向均为SSW向，SSW向浪的发生频率为90.8%。平均有效波高1.03 m。

图1 实测点位置示意图Fig.1 The position ofmeasuring points

东海岸近岸实测波浪数据测点1位于湾顶处，测量时间2019年4月1日—9月30日，测量水深10 m，地理坐标 91°28'34.01″E，22°42'3.71″N，见图1。测量期间最大有效波高为1.99 m，平均有效波高为0.53 m。波浪方向主要集中于SSW—SW向，主浪向是SW向。波高玫瑰图如图2所示。

图2 测点波高玫瑰图Fig.2 Wave height rose ofmeasuring points

测点2位于Kudubdia岛（简称K岛）的南侧深水槽中，测量时间2017年8月16日—11月10日，测量水深27 m，地理坐标为91°48'11.18″E，21°34'50.47″N，见图1。测量期间最大有效波高为2.57 m，平均有效波高0.75 m，最大谱峰周期为19 s，平均谱峰波周期为11 s。波浪方向主要集中于S—SW向，主浪向为SSW向。波高玫瑰图如图2所示。

2 孟加拉湾东岸海域波浪传播特征

2.1 台风浪在孟加拉湾的模拟

根据美国大气海洋局提供的热带气旋资料，1977—2017年孟加拉湾海域生成的热带气旋共151个，平均每年生成3.68个热带气旋。在151场热带气旋中，其中有57场台风对孟加拉湾东海岸产生影响，约占总数的38%。对孟加拉湾波浪传播进行研究，首先对台风浪进行模拟。模拟采用理论风场、背景风场两者的合成风场作为SWAN模型的驱动风场，模型范围及地形见图3。采用0602号热带气旋“马拉”期间Jason-1卫星经过孟加拉湾海域的轨道数据进行验证，卫星轨道如图4。卫星的有效波高数据与SWAN波浪数学模型模拟的有效波高比较见图5。

图3 模型地形图Fig.3 Modeltopographic map

图4 卫星轨道Fig.4 Satellite orbit

图5 不同轨道有效波高对比Fig.5 Comparison ofsignificantwave heights in different orbits

分析SWAN模型模拟的有效波高结果与卫星观测的有效波高误差见表1，总体趋势符合，SWAN模型能够较好地模拟“马拉”期间孟加拉湾海域有效波高的平均变化。根据台风风场分布和对应时刻的有效波高分布可以看出，台风风场分布和有效波高分布具有相似的分布趋势，即存在明显的低值中心同时围绕中心呈现环状的分布特征气旋过程风场（见图6），台风浪场见图7。“马拉”期间引起的最大有效波高为9 m，最大值位于低值中心的右侧。受热带气旋的影响往往伴随着当地海域的风暴潮及台风浪，强台风影响风暴增水最大高达6 m，旋转的台风引起的台风浪方向表现为多样性，模型分析台风浪最大可达9 m以上，台风浪及风暴潮传播到近岸会冲跨或摧毁堤岸、池塘、港口码头以及一些近岸的海上建筑物，台风浪来临的同时还伴随着风暴潮使船只沉没、席卷人畜，给人类造成巨大的损失。

表1 误差分析Table 1 Error analysis

图6 0602号热带气旋过程风场Fig.6 Wind field of tropicalcyclone No.0602

图7 0602号热带气旋过程台风浪场Fig.7 Wave field oftropicalcyclone No.0602

2.2 近岸海浪传播模拟分析

孟加拉湾北部及东部近岸区域的水下等深线呈现NW—SE走向，近岸海域岸滩平缓，平均水深约10 m，东岸海侧存在少量的岛屿。同时本湾区受印度洋洋流作用明显，平均流速是0.8 m/s，季风期平均浪高达1 m，受恒河及布拉马普特拉河影响，多年平均径流量为13 000亿m3，并携带大量泥沙，因此在浪、流、沙综合作用下，岸滩及水下地形复杂，普遍存在水下沙坝及沟槽。波浪从深水传播至浅水区域，会出现波浪的折射及波-波非线性相互作用[6]。

研究采用第三代海浪模式SWAN计算工程区外海域的波浪传播过程。模型采用波浪实测点2数据进行验证。利用经过验证后的模型，计算了1981—2010年的波浪极值，采用P-Ⅲ曲线对工程外海重现期波浪要素条件进行计算和分析，得到外海的水深-15 m极值波浪要素条件，见表2，-15 m水深位置示意图见图1。受台风影响及季风的强浪影响，在外海域-15 m处，50 a一遇最大的波高出现在SSW向，H13%为7.7 m，其次是SW向，H13%为7.2 m。

SSW、SW向波浪场分布见图8。

表2 有效波高极值及平均周期计算结果Table 2 Results ofsignificantwave heightand average period

图8 重现期50 a极端高水位波浪场分布Fig.8 Distribution ofwave fields in extreme high water levelwith 50 a return periods

对于工程近岸波浪的传播特征，考虑了浅水引起的波浪折射、浅水变形引起的波浪破碎、海底地形的摩擦阻力等耗散项。从计算结果看，外海SSW向为该海域的强浪向与常浪向，波浪传播至K岛南侧-30 m水深处有效波高为11.2 m，波浪传播至北侧-10 m水深处有效波高是4.8 m，波向表现为210°。吉大港河口附近有效波高为4.5 m，吉大港以北区域受恒河及布拉马普特河泥沙堆积影响，水深逐渐变浅，波能衰减的速度增加，当水深在-7 m时，波高发生破碎，同时受地形折射影响波浪的方向转变为SW。

当外海作用波浪为SW向时，波浪传播方向与岸线的角度将近45°，当传播至K岛南侧-30 m深槽处有效波高为10.3 m，波浪传播至北侧-10 m水深处有效波高为4.7 m，波向表现为220°，受入射方向影响，SW向浪条件下K岛对北侧的掩护区域减小，受绕射作用及折射作用波浪方向仍为SW向。吉大港河口附近的有效波高为4.2 m，波浪继续传播至湾区的北侧水深在-7.0 m时，波高开始发生破碎现象，同时受地形折射影响波浪的方向转变为WSW向。

外海WSW向浪发生的频率较少，波浪传播至近岸时，与岸线的角度大约近80°，则波浪衰减速度较慢，波浪传播至K岛南侧-30 m水深处有效波高为7.6 m，且K岛的掩护作用不明显。而波浪传播至湾区的北端波浪受地形折射影响显著，波浪方向仍为WSW，有效波高仅为3.3 m。

基于上述孟加拉湾波浪特征，在该海域进行港口建设时，不同的海岸线段需考虑不同形式的平面布置方案[7-8]。

3 工程案例分析

孟加拉国东北及东部沿海，尚无建成的海港案例，孟加拉国最大的港口是吉大港为内河港。受孟加拉湾复杂自然条件及电厂规划、海域使用等综合影响，孟加拉沿岸电厂工程的平面规划呈现差异性，而波浪条件是其重要的影响因素之一。受涌浪及港口管理条件的影响，该水域的过驳效率比较低，极大影响港口的运营效率。研究从波浪角度分析孟加拉湾沿海电厂工程的工程平面方案特征。

EZ电厂项目位于孟加拉湾东侧的顶部，孟加拉第二大城市吉大港以北约70 km的达卡—吉大港工业走廊带，西侧为Sandwip Channel，北侧为Feni河。S.ALAM电厂项目位于孟加拉吉大港南侧，工程所在地正对孟加拉湾，距吉大港市中心约45 km，距离孟加拉首都达卡约250 km。能源岛电厂项目距吉大港直线距离100 km，位于K岛水道南侧的孟斯哈里半岛。3个电厂项目拟装机容量均为2×660 MW，因地理位置不同，所在的水动力条件不同，配套港口项目平面布置存在差异，研究就波浪条件与工程的适应性进行说明。

孟加拉湾沿海岸滩较缓，水深较浅，破碎带范围较宽，且外海强浪向及常浪向均与海岸走向角度较小，因此，在3个工程海域波浪的折射及浅水引起的波浪破碎现象显著。一方面，波浪破碎形成的破碎波浪力是造成近岸工程建筑物的主要破坏因素：另一方面，地形折射引起外海波向在向近岸传播时波浪方向发生改变，影响港区口门及航道的走向。因此波浪对沿岸建港工程的平面布置及结构形式选择有显著的影响。本文选择孟加拉湾不同位置的3个典型工程分析波浪对码头布置形式的影响（表3），工程位置示意图见图1。

表3 电厂项目不同等深线波高波向分布Table 3 Wave heightand wave direction distribution in differentisobath in power plant projects

EZ电厂项目位于湾顶部，潮差大，50 a一遇高水位超过8 m，湾顶处海底平缓，近岸为缓且宽的浅滩，波浪由外海传至工程附近受岛屿掩护波高较小，最大波高为3.4 m，可不必采用防波堤的防护形式。码头平面布置采用栈桥式，节省投资且施工方便，该项目栈桥与岸相连的离岸码头设置在水深-5 m处，满足船舶乘潮进出港。

S.ALAM电厂项目西侧面临孟加拉湾，南边为K岛，直接受孟加拉湾强浪影响，从统计数据来分析，工程海域波浪集中于SW—S向，常浪向与强浪向均为SSW向，SSW向浪的发生频率为79%。平均有效波高0.9 m，如采用离岸栈桥式码头布置，船舶泊稳无法保证。工程采用双堤环抱式平面布置，堤头位于水深-5.5 m处，航道疏浚至-6.4 m，满足码头使用要求[10]。

能源岛电厂项目位置不同于以上2个项目，码头位于潮汐通道内，潮汐通道内水深条件良好，使得该项目成为目前孟加拉湾在建的为数不多的大泊位码头。外侧海域有2条天然沙坝和遍地的红树林对港区形成有效掩护，外海强浪传至港区，波能大大减弱。采用高桩码头及栈桥与后方陆域相连，航道疏浚至-18 m，在潮汐岔道入海口处设置允许淹没的南、北挡沙堤，保证通航安全。

4 结语

1）孟加拉湾波浪具有明显的季风期特征，每年6月中旬—10月中旬，受印度洋西南季风的影响，盛行西南风，1—5月和10—12月盛行东北季风，全年波浪集中于SW—S向，常浪向与强浪向均为SSW向。

2）该海域常年受热带气旋影响，平均每年生成3.68个热带气旋。采用合成风场作为SWAN模型的驱动风场对台风浪进行了模拟。利用ECMWF长期再分析风速数据及台风过程计算波浪过程，得到孟加拉湾外海的深水（-15 m）极值波浪要素条件，在外海域-15 m处，50 a一遇最大的波高出现在SSW向H13%为7.7 m，其次是SW向H13%为7.2 m。传播至工程近岸区域波浪地形折射影响波浪破碎现象显著，SSW向在近岸表现为SW向，有效波高4.5 m。SW向在近岸为WSW向，有效波高为4.2 m。

3）孟加拉湾沿海岸滩较缓，且水深较浅，破碎带范围较宽，在孟加拉湾东海岸选取3个典型位置的电厂工程，从波浪角度分析了3个工程码头平面布置方案的合理性。EZ电厂项目位于孟加拉湾东侧的顶部，近岸为缓且宽的浅滩，码头平面布置形式采用栈桥式，节省投资且施工方便；S.ALAM电厂项目位于孟加拉吉大港南侧，直接受孟加拉湾强浪影响，工程采用双堤环抱式平面布置，满足码头使用要求；能源岛电厂项目位于潮汐通道内，水深条件良好，且有红树林掩护，采用高桩码头及栈桥与后方陆域相连，该项目为孟加拉湾在建的为数不多的大泊位码头。

本研究从波浪角度探讨了孟加拉湾东海岸因地制宜的筑港平面布置型式，为“一带一路”近岸港口、电厂以及岛桥建设提供基础数据及研究新经验，对孟加拉湾近岸工程规划、立项、实施有借鉴意义。