涌浪预报在港口生产调度中的应用

2023-07-08张素杰路东娅张鹏韩锋郑玉洁

中国水运 2023年6期

张素杰，路东娅，张鹏，韩锋，郑玉洁

（1.山东青东管道有限公司，山东东营 257345；2.青岛实华原油码头有限公司，山东青岛 266400；3.青岛港油港国际有限公司，山东青岛 266400；4.山东科技大学，山东青岛 266590）

无防波堤掩护的开敞式码头，主要用于大型船舶的驻泊及作业，其承受外海波浪特别是涌浪直接作用。涌浪波高一般较小，但波长较长，在水平方向上具有相当大的能量。涌浪会导致系泊船舶产生大幅运动，当波浪周期与船舶固有周期接近时，缆力远大于普通风浪。国内外一些港口因此多次发生断缆事故，严重影响码头作业及安全。当波浪周期由5s 增加至10s 时，缆力大幅增加至原来的4 倍左右，因此，涌浪发生时，船舶运动量和缆力均数倍于普通风浪，应引起格外的重视。不同周期下缆力变化见图1，因此，获知码头附近波浪数据对码头合理高效运营具有重要意义，波浪数据获取分后报及预报，波浪后报推算的重现期极值波高结果多用于工程设计，而波浪预报可以预测未来几天内海域的波高变化情况，预测的涌浪波高可以指导开敞式码头船舶的靠离泊及作业，减小涌浪对大型船舶的靠泊作业产生影响，提高码头的接卸效率。

图1 大型船舶缆力随波周期变化图

1 方法与现状及发展趋势

1.1 方法

海浪数值预报始于上世纪50 年代，Gelci 等提出了海浪数值预报模式。发展至今，海浪数值模式经历了三代的演变，海浪谱能量平衡方程右端的源函数项也得到了不断地改进和完善，它们主要包括风输入源函数，由共振相互作用引起的非线性波-波相互作用源函数，由白冠破碎引起的耗散源函数，以及其它源函数，如波-流相互作用源函数，底摩擦耗散源函数等。

WAM、WAVEWATCH 和SWAN是今年来发展的第三代海浪预报模式。WAM 和WAVEWATCH 应用于大尺度海浪场，SWAN 应用于近海波浪场。目前WAVEWATCH-Ⅲ己被众多研究机构用作业务化的全球和区域海浪预报模式，但是模式中物理过程的参数化方案没有指定海浪受水深限制的条件，因此模式通常应用在大于1～10km 的空间尺度上。

1.2 国内外技术现状及发展趋势

我国海浪理论及预报研究始于新中国成立，文圣常[1]教授将海浪谱和能量平衡方法结合起来，导出随风时和风区成长的风浪谱，简称“文氏风浪谱”。二十世纪八、九十年代，文圣常等对海浪频谱进行了进一步的研究，提出了两种形式的海浪谱，并在此基础上发展了一个新型、混合型海浪模式（WENM 模式），风浪部分采用参量化方法、涌浪部分采用海浪谱离散化分量方法。在“十五”期间，分别利用WAM、SWAN、WENM 模式建立了西北太平洋和中国近海的海浪业务预报系统，在“十一五”期间，利用SWAN和WAVEWATCH Ⅲ模式建立了全球海浪业务预报系统。

根据海浪数值预报系统得出的海浪结果是风浪和涌浪并存，二者的内在作用机制和外部表现特征存在差异，要了解涌浪对港口系泊船舶影响需对涌浪进行必要的分离。众多学者对海浪进行分离，郭佩芳[2]根据主特征参量对波浪的风涌浪进行划分。

采用二维谱分割法对海浪进行分离，Komen[3]风浪能量传递关系可用如下公式表示：

式中U10是10m 风速，Cp是波速，是波向，是风向，β 为特征常数，可取1.3，在二维谱中，将满足此公式的部分视作纯风浪，这样即可算出谱中风浪部分所占的能量。另有研究者指出，应有，以保证风向和风浪方向一致。

采用波浪谱能量分离(WaveSEP)方法对二维海浪谱进行分割，将海浪谱能量划分为风浪能量和涌浪能量两部分，WaveSEP 方法是二维谱方法的一种延伸，其具体过程可用如下方程表示：

式中W 表示的是局地波动相速c 小于Up部分的能量占总能量E的比例，Up为与波龄因子及风速相关的量，是波向，是风向，U10为10m 风速，Cmult为波龄因子，通常情况下可取1.7。当W=1 时，代表该时刻该区域的海浪为纯风浪，当W=0 时代表该时刻该区域海浪为纯涌浪，而代表混合浪。