杭州湾嘉兴海塘水文要素重现期组合数值分析

黄世昌，董伟良，赵帅康，王家青

(浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院），浙江 杭州 310020)

杭州湾嘉兴海塘保护区内人口稠密，生产要素高度聚集，是浙江重要的经济产业带。随着经济社会的快速发展，经济要素和人口不断集聚，海塘工程是抗台御潮的唯一屏障，一旦受损，将会造成比以往更为巨大的损失。杭州湾嘉兴海塘2000 年已提标加固，绝大多数的防潮挡浪标准为50～100 年一遇高潮位加同频率的设计波浪，对应海塘等级为Ⅲ～Ⅰ。进入21 世纪以来，登陆或严重影响浙江的强台风频率呈上升态势，占1949 年以来超强台风数量的三分之二；登陆浙江台风的要素屡破历史记录，2006 年“桑美”和2019 年“利奇马”超强台风则是正面袭击浙江。另外，嘉兴部分海塘沉降明显，海塘塘顶高程低于设计高程，如黄沙坞海塘、海盐东段海塘和白沙湾海塘沉降分别大于24、20 和30 cm[1]。

2020 年浙江省开展“海塘安澜千亿工程”建设，杭州湾嘉兴海塘防潮标准需提高至100～300 年一遇，对应的波浪重现期应如何确定，是海塘设计面临的重要问题之一。《海堤工程设计规范》（GB/T 51015—2014）规定设计波浪的重现期宜采用与设计高潮位相同的重现期，当采用其他设计标准时应充分论证，海堤规范主要应用于防潮（洪）标准为百年或百年以下的海堤。浙江沿海的年最高潮位和波高系列均由台风引起，设计高潮位和波浪的重现期组合可由台风途经时遭遇潮位的特征进行解释。本文通过模拟历史台风登陆及设计的强台风、超强台风登陆产生的风暴高潮位和台风浪波高过程，研究高标准海塘的高潮位与波浪的频率组合，为高标准海塘设计提供依据。

1 研究区域概况

杭州湾嘉兴海塘自海盐黄沙坞海塘至平湖白沙湾海塘（图1），长约65 km，属于杭州湾北岸浙江段岸线。杭州湾嘉兴海塘共有25 条分段海塘，绝大多数设计防御标准为50～100 年一遇[2]，海塘顶高程6.5～10.6 m（85 国家高程基准，下同）。杭州湾北岸设有澉浦、乍浦和金山3 个潮位站，1950—2007 年中最高潮位由登陆台风、途经沿海的台风和大潮汛控制的比例为91%～98%。北岸平均高潮位由湾顶向湾口沿程降低，潮差向湾口沿程减少，北岸3 个站的平均潮差分别为5.61、4.75 和4.33 m，平均高潮位为3.09、2.61 和2.41 m，历史最高潮位分别达到6.56、5.54 和4.97 m[3]。

图1 杭州湾北岸嘉兴海塘代表塘段位置（1#～3#为西、中、东段）Fig.1 Location of representative section of Jiaxing seawall on north bank of Hangzhou Bay

根据1949—2021 年间热带气旋活动规律的统计，影响浙江热带气旋平均每年3.66 个，共有47 个台风登陆浙江，登陆的各等级典型台风有5612 号超强台风、0414 号“云娜”强台风、0216 号“森拉克”台风和8923 号热带气旋，这4 场台风登陆时的中心气压分别为923、950、965 和975 hPa，分别于浙中北象山、浙中温岭、浙南苍南和浙中椒江登陆（见图2）。

图2 典型台风路径（①～⑤为假定登陆点）Fig.2 Tracks of typical typhoon (①～⑤ denote assumed locations of landing)

杭州湾北岸和湾中部分别设有乍浦和滩浒波浪测站，乍浦站于1967 年设站观测，至1997 年停测，滩浒站1978 年开始观测一直延续至今，乍浦站附近水域的波浪基本为风浪，涌浪占比仅1.4%，乍浦站年平均波高0.2 m，年平均周期1.2 s，全年常浪向为E，最大实测波高达6.0 m（据调查后修正为4.0 m）。滩浒站年平均波高0.3 m，年平均周期1.2 s，全年常浪向N-NNE，实测最大波高4.0 m，方向ENE。黄沙坞、海盐东段和白沙湾段海塘位于杭州湾嘉兴海塘的起始、中间和末端，总体上可表征杭州湾嘉兴海塘的水文特征，设计高潮位自上游向下游降低，100 年一遇高潮位分别为6.90、6.41 和5.32 m，设计同频强浪向的有效波高逐步增大，100 年一遇波高分别为3.0、3.7 和4.0 m[4-6]。

2 计算模型的建立

本文构建的沿海天文潮-风暴潮-台风浪耦合模式由3 个部分构成，即表征台风特征的驱动风场、天文潮与风暴潮两潮模型及台风浪模型。各模型的选取如下：

（1）历史台风的驱动风场采用ERA5 再分析数据集，ERA5 是由欧洲中尺度气象中心（European Centre for Medium-range Weather Forecasts，ECMWF）开发的第5 代再分析数据产品，按时间跨度分为1950—1978 年的预览初始版和1979 年至今的稳定版。假定登陆的台风采用台风参数模型，选用Jelesnianski 气压场与风场模型[7]表达台风风速和气压，以经验关系式计算最大风速半径及最大风速[8]，其优点是便于使用，能反映台风的主要风场特征，且能用于研究台风参数的改变对台风浪的影响。

（2）选用Demark 水利研究所开发的河口、海岸和海洋潮汐二维模型（MIKE 21）作为天文潮与风暴潮耦合计算的基础，该模型可以用粗网格将开边界布置于天文潮与增水基本是线性关系的深水海域，在局部区域可嵌套加密网格，精细模拟增水强烈的近岸海域，大、小计算域相互提供水位及流速边界条件，水位、动量信息相互交换；且能较好处理动边界问题。海边界的天文潮潮位由全球潮波模型TPXO.6[9]推算求得，其中包含8 个主要分潮（M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1）和2 个长周期分潮（Mf和Mm），模型的全球网格数为1 440×721，分辨率为0.25°，边界潮波、海面强迫力模式和二维水动力模式可构成天文潮与风暴潮耦合模式。

（3）采用SWAN（Simulating Wave Nearshore）第3 代波谱模型，能够描述浅水区特定的风、流和水下地形条件下波浪场的演化。控制方程如下：

式中：S为源汇项，S=Sw+Sn+Sd+Sf，Sw、Sn、Sd、Sf分别代表由风产生的能量输入、波与波间相互作用、破波耗散、床底损失。式中左端第1 项为波作用量随时间的变化项；第2、3 项为波作用量的空间对流项；第4 项为由于水深变化和水流作用造成的波作用量在频域上的变化；第5 项为折射项。波作用量方程的离散基于迪卡尔坐标下的隐式差分，对波的传播和源项采用固定的时间步长。

天文潮-风暴潮-台风浪的耦合模型计算域西至广东汕头，南至台湾岛南端，东至日本琉球群岛-韩国济州岛东侧一线，北至渤海辽东湾北岸，范围为21.5°N～41°N、116.5°E～127°E，计算域面积为224 万km2，网格布置充分利用三角形网格的优点，按照关键水域网格密、其他水域网格疏的原则进行布置，计算域内的网格布设考虑了水流、地形梯度的差异，对杭州湾北岸海塘工程附近的计算网格作进一步加密，保证杭州湾北岸海塘前沿水域精度。模型共布设98 153 个单元与52 280 个节点，其中外海边界处网格分辨率为50 km，浙江沿海网格分辨率为200～500 m，杭州湾北岸海塘附近网格尺寸为50 m。模型范围及网格布置见图3。外海除台湾海峡和对马海峡局部加糙外，曼宁系数取值范围均为0.016～0.018，杭州湾的取值范围为0.008～0.012。

本模型已通过众多台风登陆或途经沿海产生的风暴潮和台风浪过程的验证[10-13]，1909 号、0414 号、9711 号等20 场登陆浙江沿海的台风在杭州湾内产生的最高风暴高潮位实测与模拟比较见图4，其中历史台风风场采用ERA5 再分析数据集，同时对典型台风登陆也采用理论风场进行验证。根据图4 中对比结果可知，本文模拟的风暴高潮位和杭州湾北岸乍浦和澉浦2 个长期测站实测风暴高潮位误差基本在10 cm 以内，乍浦和滩浒两站的最大有效波高误差总体在20%以内，这表明模型能较好复演台风产生的风暴潮位和台风浪过程，具备假定台风登陆产生的风暴潮和波浪的预测能力。

图4 杭州湾北岸潮位和波高的验证Fig.4 Comparison of observed and simulated tidal levels and significant wave heights at northern bank of Hangzhou bay

3 高潮位与波高的频率组合

3.1 风暴高潮位与台风浪波高的样本构成

风暴高潮位与台风浪波高的样本由历史台风登陆和设计台风登陆产生的相应事例组成，历史台风计算方案选取1979—2021 年共33 场登陆浙江的台风，设计台风选择5612 号、0414 号、0216 号和8923 号台风作为超强台风、强台风、台风、热带气旋共4 种台风等级强度，台风可在天文潮过程中任意时段登陆，其遭遇的天文潮潮位具有一定的随机性。为研究极端的高潮位情况，假定台风登陆时遭遇天文潮大潮高潮位及其前的2、4、6 h 时刻的潮位，天文潮条件选取2002 年10 月5 日至10 月9 日的天文潮过程，该过程最高潮位接近浙江沿海年最高天文潮多年平均值。依据台风登陆的范围和次数，登陆点设为5 处，①～⑤登陆点分别代表浙北、浙中北、浙中、浙中南和浙南登陆点，相邻登陆点间距70～85 km，在台风10 级大风半径以内，路径见图2。设计台风计算组次合计共4 个台风等级，5 处登陆地点和4 个登陆时刻，共80 组。

3.2 海塘逐时潮位和波高重现期组合

3.2.1 历史台风登陆过程逐时潮位与波高组合 选取海盐县黄沙坞海塘（1#）、海盐东段海塘（2#）和白沙湾海塘（3#）作为杭州湾北岸嘉兴海塘的代表，以乍浦站作为比较，具体位置见图1。采用上述模型计算1979—2021 年登陆浙江的台风风暴潮位和台风浪波高过程，逐时潮位及同时刻波高分布见图5，其中破波线根据《港口与航道水文规范》（JTS 145—2015）中破波系数和水下地形坡度关系确定。乍浦站波浪测点水深较深，波浪基本不受地形影响，根据乍浦站实测潮位资料（1967—2020 年）和波浪资料（1967—1997 年）采用P-Ⅲ曲线进行分析，以此得到乍浦站各重现期高潮位和波高值。根据目前海塘设计过程中各重现期高潮位和对应重现期波高常用计算方法，嘉兴段海塘前沿重现期高潮位根据杭州湾北岸潮位站资料插值推算得到，海塘前沿各重现期高潮位下对应的同频波高值采用设计风速推算。图5 中以测站或海塘前沿10～300 年一遇高潮位与同频波高的连线为界，作为比较参考，潮位高于连线的点据则为高潮位对应的重现期大于波高对应的重现期，称为“潮高浪低”重现期组合，潮位低于连线的点据则为高潮位重现期低于波高重现期，称为“潮低浪高”重现期组合。

从图5 中历史台风逐时潮位和波高计算结果可知，绝大多数组合小于10 年一遇潮位与同频波高的组合，其次是10 年一遇潮位以下和10 年一遇波高以上的组合。10～100 年一遇设计高潮位的逐时潮位和对应的波高重现期组合仅2 次，呈现“潮高浪低”重现期组合。嘉兴海塘逐时潮位和波高组合绝大数少于10 年一遇设计值，当潮位在10～100 年一遇设计高潮位时，潮位和对应的波高重现期组合仅2 次，3 处海塘出现“潮高浪低”重现期组合，与乍浦站的情况基本一致。

3.2.2 设计台风登陆过程逐时潮位与波高组合 乍浦站及海塘前沿计算的逐时潮位与对应的有效波高散点关系见图6。可见，乍浦站10 年一遇设计高潮位以下的潮位及同频以下波高组合占大多数，该设计潮位以下也出现波高重现期为10～300 年一遇的点；10～100 年一遇设计高潮位区间内，逐时潮位及其对应的波高重现期组合关系表现出“潮低浪高”“潮浪相同”和“潮高浪低”3 种重现期组合，其中“潮低浪高”占多数；100～300 年一遇高潮位时也同样存在3 种重现期组合现象。在乍浦站风暴高潮位的重现期超过300 年一遇的事例中，波高重现期总体少于300 年一遇，形成“潮高浪低”重现期组合。

图6 设计台风过程测站与海塘计算逐时潮位和有效波高联合分布Fig.6 Joint distribution of calculated hourly tidal levels and their corresponding significant wave heights at the station and in front of the seawalls during landing of predicted typhoons

嘉兴海塘前沿潮位较低时波浪会发生破碎，低潮位对应的最大波高由破碎波高控制，随着潮位的增加，波浪破碎逐渐变少，高于10 年一遇潮位以上时，各潮位产生的最大波浪均已不破碎。海塘前沿10～100 年一遇设计高潮区间内，对应的波高分布区间同样为10～100 年一遇的范围，“潮高浪低”和“潮低浪高”及“潮浪相同”3 种逐时潮位和波高重现期组合均有出现。100～300 年一遇高潮位范围内，嘉兴东、西两段，逐时潮位及其对应的波高同样出现“潮高浪低”“潮低浪高”和“潮浪相同”，但绝大多数为“潮高浪低”重现期组合情况，中段逐时潮位和波高只出现“潮高浪低”和“潮浪相同”重现期组合情况，无“潮低浪高”现象。超强台风、强台风和台风在杭州湾口登陆遇天文大潮高潮位及超强台风和强台风在浙中北遇天文高潮位时产生的逐时风暴潮位有超过300 年一遇的潮位，但对应的波高绝大多数不超过300 年一遇。由于嘉兴海塘处于杭州湾内部北岸，外海波浪由于湾口群岛的阻挡无法进入湾内，从而无法对海塘前沿波浪产生影响，风暴潮则可以从外海传入杭州湾，增高海塘高潮位。以往没有强台风或超强台风在浙北登陆遭遇天文高潮位的事例，一旦发生则风暴高潮位增高较大，波高增大较小，形成“潮高浪低”的局面，300 年一遇以上的高潮位属于此类型。

3.3 最高潮位和最大有效波高的重现期组合

3.3.1 历史台风最高潮位和最大有效波高的重现期组合 1979—2021 年33 场登陆浙江历史台风期间的最高潮位和最大有效波高（Hs）散点图见图7。可见，乍浦站10 年一遇设计高潮位以下的潮位及同频以下波高组合占大多数（约85%），10～100 年一遇设计高潮位区间高潮位仅1 次，这与乍浦站实测结果相一致，由9711 号台风在浙中温岭登陆遭遇天文潮高潮位产生，为“潮高浪低”点据散点分布，与逐时潮位、波高重现期组合关系基本相同。嘉兴海塘逐时潮位和波高组合绝大数少于10 年一遇设计值，10～100 年一遇设计高潮位区间内，高潮位和对应的波高重现期组合仅1 次，即高潮位接近50 年一遇，对应波高少于20 年一遇，3 处海塘出现“潮高浪低”重现期组合，与乍浦站的情况基本一致。

图7 历史台风期间测站与海塘的计算最高潮位和最大有效波高的联合分布Fig.7 Joint distribution of calculated high tidal level and maximum significant wave height at Zhapu station and in front of the seawalls during landing of historical typhoons

3.3.2 设计台风最高潮位和最大有效波高的重现期组合 设计台风登陆遭遇不同天文潮位的80 次组合引起的最高潮位和最大有效波高见图8。乍浦站最高潮位和最大波高组合多数小于10 年一遇，当潮位在10～100 年一遇时，最高潮位和最大有效波高重现期关系存在“潮高浪低”“潮浪相同”和“潮低浪高”3 种现象（见表1）；当潮位重现期在100～300 年一遇时，波高重现期为100～250 年，最高潮位与最大有效波高组合存在“潮高浪低”和“潮低浪高”两种现象。

表1 设计台风产生风暴高潮位和波高的重现期分布（次数）Tab.1 Joint distribution of return period of storm high tidal level and wave height due to predicted typhoon (times)

图8 设计台风期间测站与海塘的计算最高潮位和最大波高联合分布Fig.8 Joint distribution of calculated high tidal level and maximum significant wave height at Zhapu station and in front of the seawalls during landing of predicted typhoons

嘉兴海塘（1#至3#）当高潮位于10～100 年一遇时，最大波高的范围为10～100 年一遇，海塘前沿最高潮位、最大有效波高重现期关系存在“潮高浪低”“潮浪相同”和“潮低浪高”3 种现象；潮位在100～300 年一遇时，西段最大波高100～300 年一遇，中段最大波高为20～100 年一遇，东段为最大波高50～200 年一遇，西段出现“潮浪相同”现象，中、东段则为“潮高浪低”，由于各海塘前最高潮位和最大波高出现时刻的差异，导致上述规律与逐时潮位和波高分布有所不同。当高潮位超过300 年一遇，乍浦站与海塘前沿波高重现期总体上在300 年一遇以内。

4 结 语

本文通过天文潮-风暴潮-台风浪数值模型，计算分析了历史台风和设计台风登陆浙江时在杭州湾北岸嘉兴段产生的风暴潮位过程和台风浪过程，构建了海塘前沿潮位和对应波高的组合样本。

（1）模拟的潮位和波高组合与海塘设计高潮位和同频设计波高比较得出，历史台风潮位和波高过程绝大多数组合少于10 年一遇潮位与同频波高的组合，10 年一遇设计高潮位以上的逐时潮位和波高重现期组合为2 次，呈现“潮高浪低”重现期组合；最高潮位和最大波高组合中，高潮位超过10 年一遇的仅1 次，测站和海塘前沿呈现“潮高浪低”重现期组合。

（2）设计台风登陆过程中，按照过程潮位与波高的组合，潮位为100～300 年一遇时，全海塘存在波高重现期等于潮位重现期的现象，东、西两段海塘的潮位和有效波高重现期关系均存在“潮高浪低”“潮浪相同”和“潮低浪高”3 种现象，中段存在“潮高浪低”和“潮浪相同”。

（3）设计台风过程最高潮位与最大有效波高的组合与过程组合不同，潮位在100～300 年一遇时，东、中段海塘潮位重现期虽高于波高重现期，但西段为高潮位和波高重现期相同，嘉兴海塘存在“潮高浪低”和“潮浪相同”两种现象。

（4）杭州湾嘉兴海塘防御标准在100～300 年一遇时，海塘防浪标准重现期不应低于高潮位的重现期。