渔港护岸防台风能力研究与评估

杨万康 ，杨青莹，方明豹，巩 明

（1.卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州 310012；2.自然资源部第二海洋研究所，浙江 杭州310012；3.国核浙能核能有限公司，浙江 杭州 310012）

浙江省沿岸分布着大大小小近百个渔港，这些渔港内修建了大量的码头、锚泊地和护岸设施，不仅保障了渔船的安全靠泊，也保护了渔港后方的陆域居民区，是沿海经济发展和防灾体系中重要的组成部分。但是，每年由于设施老化、地面沉降等因素，沿岸渔港都会遭受一定的灾害损失，渔港防护已经成为沿岸海洋灾害防护的一个弱点。随着极端天气频发，沿海渔港对海洋灾害的防御能力有所下降，一旦发生重大海洋灾害，其后果将十分严重。台门渔港位于浙江省舟山市普陀区东部海域，是浙江省重要的渔港之一。台门渔港由六横岛、对面山岛、悬山岛环绕组成，是优良的避风港口。受人类活动的影响，渔港内建设了大量的围垦工程和渔港设施，水深地形及水动力条件有了显著改变，随着时间推移，部分护岸破损和沉降严重，原有的防护设计标准已经发生改变，需要重新评估才能保证渔港的安全。

许多学者针对台风灾害开展了大量评估和研究，尹宝树等[1]针对黄河三角洲示范区建立了一套漫堤风险灾害等级标准，并基于海浪和风暴潮结果，提出了风暴潮风险评估方法和关键步骤。张敏等[2]通过构造可能最大风暴潮事件集，计算得到雷州市可能最大台风风暴潮淹没范围及水深分布。丁玉梅等[3]根据不同年代的海岸线建立数值模型，研究了岸线变化前后渤海风暴潮的近岸增水变化规律。李涛等[4]利用历史风暴潮资料对浙江沿海县级风暴潮危险性进行区划。桂劲松等[5]采用遗传算法研究了渔港布局规划问题，并用人工神经网络方法分析了渔港工程的结构设计。随着沿岸渔港设施的老化和沉降，渔港抵御台风的能力越来越受到关注，部分学者从渔港岸线、锚泊地和防波堤等不同角度对渔港防台风等级开展了研究[6-7]。

综上所述，由于人类活动影响台门渔港内的水动力条件已发生较大变化，而且缺乏对台门渔港护岸防台风能力的针对性研究。因此本文采用最新的岸线及水深资料，建立高分辨的风暴潮—波浪耦合模型对台门渔港各岸段护岸的防台风能力进行定量评估，为台风期间渔港的防护和安全调度提供科学依据。

1 数值模型介绍

风暴潮计算采用的数值模型为ADCIRC（Advanced Circulation Model）海洋模型。ADCIRC是一种采用非结构网格的有限元模式，该模型采用三角形非结构网格，可以保证在岸线复杂的地方有较高的分辨率，兼具计算效率和计算精度，在国内外得到了广泛应用[8-9]。

在笛卡尔直角坐标系下，ADCIRC模型采用沿水深积分的二维连续方程和动量方程如下。

式（1）—（3）中，H为总水深；ζ为偏离平均海面的水位值；U和V分别为x和y方向沿水深积分的平均流速；g为重力加速度；ρ0为密度；f为科氏力参数；Ps为大气压强；τbx和τby分别为x和y方向的底摩擦力分量；τsx，wind和τsy，wind分别为x和y方向的风应力；τsx，waves和τsy，waves分别为x和y方向的波致辐射应力梯度项；Dx和Dy为x和y方向上的动量耗散项。风应力τsx,wind和τsy,wind计算公式如下。

式中，ρa为空气密度；Wx和Wy为x和y方向的风速分量；Cd为风应力拖拽系数，风应力拖曳系数通过公式（6）得到。

本次台风浪计算采用的波浪模型为SWAN（Simulating Waves Nearshore）模型，SWAN模型是考虑了波浪破碎、波—波相互作用和白帽耗散等影响的第三代海浪数值模式，在近岸波浪计算中精度较高，应用较广[10]。SWAN 模型的控制方程为动谱密度守恒方程，在笛卡尔坐标下的表达式如下。

式中，Cf为底拖曳力系数，

式中，N为动谱密度函数；σ为波浪频率；Cx和Cy为在x和y空间的传播速度；Cσ和Cθ为波浪在σ和θ方向传播速度；S为动谱密度源项，包括风输入项、底摩擦、白帽耗散、波浪破碎导致的能量损失和波—波相互作用等。

台风风暴潮及台风浪计算中，风场的重构对计算结果至关重要。本文采用HOLLAND G T提出的台风风场模型[11]，气压方程和风场公式如下所示。

根据气压公式和梯度风原理，风速计算公式如下所示。

式中，ρa为空气密度；r表示模型中任意点与台风中心的距离；Pn为外围参考气压；Pc为台风中心气压；Rmax为最大风速半径；B为Holland参数，其值决定了风场的轮廓形状。本文B参数计算采用如下公式[12]。

最大风速半径采用如下计算公式[13]。

式中，φ为地理纬度；Vmax为最大风速，台风中心位置坐标、中心气压值、最大风速等参数选用中国台风网的最佳路径数据集资料。

2 数值模型设置与验证

由于需要计算台风风暴潮过程，因此模型计算域选取范围较大，外海开边界处分辨率为30 000 m，台门渔港附近网格进行了加密，分辨率达到50 m左右（图1）。渔港内部采用最新的水深测量数据进行插值，外海水深采用GEBCO（General Bathymetric Chart of the Oceans）全球水深数据，分辨率为30″×30″，潮位边界采用从OTIS（Oregon State University Tidal Inversion Software）数据集提取的潮汐调和常数，包含了M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1等8个分潮。ADCIRC模 型 与SWAN模型采用相同网格，ADCIRC与SWAN的耦合过程如下：ADCIRC将流场和水位数据提供给SWAN，而SWAN模型则将波致辐射应力数据提供给ADCRIC模型。

图1 模型计算区域和网格

利用2014年“凤凰”台风登陆期间的实测潮位和波高资料对模型进行验证。潮位站采用六横海洋站的数据，波浪数据采用六横外海浮标站数据。图2为实测风暴潮和模拟结果时间序列的比较，由图可知，实测潮位与模拟结果匹配较好，基本能够重现整个风暴潮过程。台风期间波浪有效波高对比如图3所示，台风浪波高模拟结果与实测结果符合较好，误差较小，尤其波高峰值计算结果较为吻合。验证结果表明模型参数设置合理，能够满足风暴潮和波浪计算的精度要求。

图2 实测风暴潮位和模拟结果对比

图3 实测有效波高和模拟结果对比

3 渔港护岸防台风等级计算

3.1 最危险台风路径的选取

根据调查和收集的数据资料分析，渔港在登陆台风中心的最大风速半径处，受灾情况较为严重，根据《渔港防台风等级评估技术规程》要求[14]，确定最大风速半径处Rmax登陆台风为极限台风。根据中国台风网提供的历史台风路径数据以及渔港统计得到的台风期间出现频率最高的风向，选取东东南（ESE）、东南（SE）、南东南（SSE）和南向（S）共4个台风路径方向开展计算，台风路径方向与风向定义相同。以这4个方向共设计了8条假想台风路径，每条路径以台门渔港为中心，沿着南北两侧最大风速半径Rmax处经过，其中正值Rmax代表南侧登陆，负值Rmax代表在渔港北侧登陆。不同台风等级强度下的中心气压、风速、移动速度等参数如表1所示，首先选取12级台风参数构造假想台风路径，进行对比计算，选出最危险台风路径。

表1 不同台风等级参数设置

由图4可知，各路径方向上渔港南侧最大风速半径处（-R）登陆的台风引起的增水远大于北侧登陆的台风，ESE方向南侧登陆的台风引起了最严重的水位抬升。因此我们选取了ESE方向，沿着渔港南侧登陆的台风作为最危险台风路径，这与历史上登陆舟山的超强台风路径较为相似，具有一定的合理性和代表意义。

图4 不同路径下渔港内风暴潮增水叠加有效波高后的平均水位

根据筛选得到的危险台风路径，分别计算了不同强度台风等级下的风暴潮增水及台风浪波高分布。限于篇幅，仅列出了12级台风下风暴潮增水和波浪有效波高分布如图5所示。由图可知，由于台门渔港为三面被岛屿环绕，两端开口的特殊地形，不利于风暴潮增水的堆积，因此风暴潮增水幅度有限，整个渔港内风暴潮水位区域性差异不大。虽然渔港外部在台风作用下波浪较强，但波浪通过悬山岛和对面山之间的狭窄水道进入渔港后，波浪衰减较为明显，受对面山岛掩护遮蔽的影响，渔港内对面山岛附近的波高较小，悬山岛和六横岛靠近岸边由于水深较浅，因此有效波高小于渔港中部深水区。

图5 12级台风下风暴潮增水及波浪有效波高分布

3.2 渔港护岸防台能力评估

首选对台门渔港周边护岸高程进行了测量，数据统一转换为国家85高程。测量点采样如图6所示。通过最新的现场测量数据可知，部分护岸存在一定的沉降，六横本岛的护岸高程在4.5～5.0 m之间。悬山岛一侧的护岸高程普遍低于六横本岛，高程普遍在3～4 m之间，部分高程甚至低于3.0 m，存在较大的风险。对面山岛附近护岸高程在3～4 m，部分海塘高程达到了5 m。

图6 台门渔港护岸高程测量点

基于不同台风等级下的风暴潮和波浪数值模拟结果，结合护岸高程的现场勘测数据，可以确定台门渔港各护岸的防护能力。将叠加总水位结果Hw与护岸现有高程H护岸相比较，如Hw≤H护岸，则判别为不漫堤，说明护岸设施可以安全防护该等级台风下的风暴潮和海浪风险；反之，则认为护岸无法防护该等级台风下的风暴潮和海浪灾害风险。总水位Hw按如下公式计算得到。

式中，Htide为6—9月份的平均高潮位，根据多年观测结果，台门渔港6—9月平均高潮位为1.52 m；Hsurge为风暴潮增水；HS为最大有效波高。根据上述公式对各台风等级下的总水位进行了组合，限于篇幅，只给出了17级台风下台门渔港内总水位的分布如图7所示。

图7 台门渔港内叠加总水位分布（17级台风）

台门渔港整体被六横本岛、悬山岛、对面山岛所围绕，岸线分布比较零散，因此将岸线进行分段研究，以保证渔港岸线设施评估的合理性和准确性，最终各段岸线防台等级结果如图8所示。

图8 台门渔港各护岸防台等级

由于悬山岛一侧存在众多简易护岸，年久失修加上沉降严重，导致台门渔港悬山岛一侧护岸防护等级较低，各岸段防台最低等级为14级，六横本岛一侧各标准海塘经过加固和翻新后，防护水平要远超过悬山岛一侧，台风防护等级达到了17级，可以很好地保护后方的居民区及房屋设施等。对面山塘护岸防台等级能力处于六横本岛和悬山岛之间，防台等级为15级。按照渔港防台规程结合渔港实际防台情况，基于就低不就高的原则，台门渔港护岸防台等级最终确定为14级。

4 结 论

本文通过建立高分辨率的风暴潮—台风浪数值模型，对台门渔港护岸的防台风等级进行了评估研究。选取了台风经常登陆的4个方向设置了假想路径进行对比，结果表明ESE方向在渔港南侧登陆的台风路径为最危险台风路径，然后基于最危险路径分别计算了不同强度台风等级下的风暴潮增水和有效波高。研究结果表明：台门渔港由于三面被岛屿环绕，两端开口，因此不利于风暴潮增水的累积，而且对波浪的遮蔽效果较为明显，港内的波高显著小于渔港外围海域。通过测量护岸高程并与数值模拟的总水位进行漫堤比较，确定了各段护岸的防台风等级：悬山岛一侧防护堤防护等级较低，为14级；六横本岛护岸能够抵御17级台风引起的水位抬升；对面山岛护岸的防台风能力为15级。按照就低不就高的原则，台门渔港护岸防台等级最终确定为14级。本研究可为渔港抵御台风灾害提供一定的科学依据，对沿海其他工程设施的海洋灾害风险评估也有重要的借鉴意义。