斯里兰卡港口城海域施工期波浪场数值计算

2024-01-30徐青云孙婉静陈进蔡琼琼冯先导王建营

中国港湾建设 2024年1期

徐青云，孙婉静，陈进，蔡琼琼，冯先导，王建营

（1.中国港湾工程有限责任公司，北京 100027；2.中交第二航务工程局有限公司，湖北武汉 430040；3.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北武汉 430040；4.交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心，湖北武汉 430040；5.国家海洋环境预报中心，北京 100080；6.临沂水利集团有限公司，山东临沂 276000）

0 引言

我国在东南亚、非洲等国家与地区的近海工程建设项目日益增加，获得准确可靠的波浪数据，评估波浪对工程的影响，是工程设计、施工以及项目运营的重要技术保障。在海上工程设计阶段需要进行波浪后报，分析波浪分布、推算不同重现期极值波高，预测工程抵御设计年限内可能出现的各种极端海况。对海上工程在施工期或运营期间进行波浪预报，预知未来几天的海况变化，结合船舶的运动响应特点，可合理安排作业。

第三代海浪数值预报模式WAM、SWAN 和WaveWatch III 模型等被广泛应用于建立全球和中国近海的区域性海浪业务化数值模拟系统。为了模拟近岸波浪变形过程，可以采取结合相位解析模型、波浪能谱模型、多种波浪能谱模型嵌套等方法。毛科峰等[1]对比分析了各种描述复杂地形特征方法的优缺点，包括多重网格嵌套方案、岛屿次网格地形效应计算方案以及非结构网格、无网格、动态自适应四叉树网格等。广大学者多采取WaveWatch III 和SWAN 嵌套方法模拟各个海域的波浪场，比如台风“海鸥”下目标岛礁波浪环境[2]、东海区和上海近海的波浪场[3]、墨西哥湾飓风迪安的波浪场[4]以及长江口海域1996—2015 年连续20 a的风浪场[5]。SWAN 模型被应用于模拟南加利福尼亚海湾的波浪场[6]以及与ADCIRC 风暴潮模式的耦合模拟江苏辐射沙脊群海域的海浪[7]。海浪数值模型也被广泛应用于近海岸的码头、港口工程波浪场的计算，为近岸工程的设计施工提供指导。王少朋等[8]利用SWAN 与CGWAVE 建立的大、小范围波浪嵌套模型，对舟山东福山岛码头附近海域进行波浪计算。翟甲栋等[9]将MIKE21 SW 波浪数值模型应用于塞拉利昂港口项目的波浪预报中，为工程选址提供设计依据。吴楚敏[10]利用CGWAVE模型对普陀岛拟建码头的工程海区波要素进行了分析。这些工作都为港口工程的设计施工提供了可靠的波浪要素。

1 工程概况

科伦坡港口城项目位于科伦坡市中心，根据港口城项目附近2002—2003 年波浪实测资料（见图1），发现斯里兰卡西部及西南岸线波浪主要由风浪和涌浪两部分组成，风浪周期较短，一般在3～8 s，涌浪周期较长，为8～20 s。涌浪主要源自斯里兰卡南部深水海域，涌浪从深水到浅水传播过程中，受地形影响发生折射，波向改变。项目工程平面布置图如图2 所示，科伦坡港口城项目陆域北侧为现有科伦坡南港的防波堤，东侧为现有道路，西侧和南侧设1 道环形外防波堤，以减少波浪对吹填区的影响。

图1 港口城项目附近2002—2003 年波浪实测资料Fig.1 Wave measurement data in the vicinity of the Port City project in 2002—2003

图2 港口城工程平面布置图Fig.2 Layout plan of the Port City project

项目的目的是为城市建设提供用地，港口城陆域总面积约为269 hm2，建设时需要通过护岸形成围填区，再通过吹填和软基处理形成陆域，为掩护陆域和沙滩，需建设防波堤、拦砂堤、潜堤和直立式护岸等。项目吹填造陆工作于2014 年9月17 日开工，建设期需要使用大量的挖泥船舶、交通船、货船等工程船舶，施工期水深地形的变化引起施工区域波浪场的改变，因此需要进行施工期的波浪场模拟，分析典型施工地点波浪要素的变化规律并评估波浪对工程船舶的影响。本文基于GFS 风场数据源和GEBCO 全球海洋通用水深数据，采用WaveWatch III 模式和SWAN 模式进行嵌套建立一套适用于斯里兰卡港口城海域的海浪数值模拟计算系统，通过与实测数据对比对该模式进行验证，基于该模式对施工区域处于不同施工阶段的波浪场进行了数值模拟，得到了不同施工阶段波浪要素的变化规律，为工程船舶施工窗口期的选择提供参考。

2 数值模型及参数设置

2.1 计算模型

本文基于海浪模式WaveWatch III 和SWAN 模式的多层嵌套建立数值模拟系统。WaveWatch Ⅲ是Tolman 等基于第三代海浪模式WAM 开发形成，适用于大洋深海尺度海浪的模拟。SWAN 模型是由荷兰Delft 大学[11]开发，由于其考虑了非平稳水深引起的波浪折射、白浪破碎、水深变浅引起的破碎、波浪绕射等浅水物理过程，该模型更适用于海岸、湖泊、河口地区波浪的生成和传播的数值模拟，但是该模式也有其自身的局限性，不能计算波生流、波浪衍射效应等。

SWAN 模式采用作用量密度N来描述随机波浪，其控制方程为波作用量平衡方程，在直角坐标系中方程的形式为[11]：

式中：σ 为波浪的相对角频率；θ 为波向，即垂直于各谱分量波峰线的方向；Cx、Cy分别为x、y方向上的波浪传播速度；Cσ、Cθ分别为谱空间（σ，θ）上的波浪传播速度；S为能量源、汇项；t为时间。

2.2 计算区域及参数设置

计算范围的选定需综合考虑大区域台风作用和季风的影响，为了满足不同区域对数值模式的范围和精度的不同需求，计算采用5 层嵌套的计算方法，其中最小的SWAN 模型网格分辨率可达1/7 200°×1/7 200°，即15.2 m×15.2 m。具体的数值模型参数设置见表1，各个模式的计算范围如图3所示。计算步长为北京时间2014 年12 月1 日08时—2018 年12 月1 日08 时。港口城区域的波浪边界由南印度洋的计算结果提供。第1 和2 层区域的波浪谱的最小频率为0.041 18 Hz，最大频率是0.405 6 Hz，波浪谱方向平均分为48 个，第3、4 和5 层区域波浪谱的最小频率为0.04 Hz，最大频率是0.394 Hz，波浪谱方向平均分为36 个。

表1 港口城区域数值模型参数设置Table 1 Parameter settings of numerical model of the Port City area

图3 港口城区域数值模式计算范围Fig.3 Calculation range of numerical model in the Port City area

2.3 地形、风场等

GEBCO 数据的全称是全球海洋通用水深数据（General Bathymetric Chart of the Oceans），是由国际海道测量组织（IHO）和政府间海洋学委员会（IOC）联合发布的最全面的世界大洋海底地形数据，也是当今海洋模式中最常用的海洋水深数据之一[12]。本次模型的最外3 层水深地形数据来自于GEBCO 数据，其分辨率为1/4°×1/4°；最内2层的水深地形数据来自于港口区海图和典型施工阶段水深地形的测量图，局部地形的测图比尺为1∶240 000。

风场是海浪模型的驱动场，其准确性至关重要。本文采取GFS 风场，数据可以通过美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的国家业务模型档案和分发系统（NOMADS）下载[13]。风场数据覆盖全球，空间分辨率为0.25°×0.25°。由于工程海域潮差较小，平均潮差在15 cm 内，潮流流速相对较弱，不考虑潮差对波浪的影响，主要考虑风的影响。

3 计算结果验证

在项目附近科伦坡港部署Inter Ocean S4DW电磁测流仪，用于测量波浪和水流的大小和方向，测量时间为2008 年5 月—2010 年5 月，该时间段内仪器布置的坐标点为M1（6°55'22.813 907″，79°49'59.273 475″）。港口城项目南部的南港集装箱码头建设是在2011 年开始的，2014 年完工，所以采取实测数据对港口城波浪模型进行验证时不需要考虑南港集装箱码头地形的影响。本节采取多重嵌套模型模拟对施工区域的波浪场进行数值模拟，模拟时间为2009 年6 月1 日—2010 年5月31 日，多重嵌套模型模拟得到的监测点的有效波高与实测数据的对比如图4 所示。模型模拟得到的该时间范围内的跨零周期与实测数据的对比如图5 所示，模型模拟得到的该时间范围内的谱峰周期与实测数据的对比如图6 所示。

图4 有效波高计算值与实测值对比Fig.4 Comparison between calculated and measured effective wave height

图5 跨零周期计算值与实测值对比Fig.5 Comparison between calculated and measured zero-crossing period

图6 谱峰周期计算值与实测值对比Fig.6 Comparison between calculated and measured peak period

可见数值模拟得到的监测点有效波高、跨零周期、谱峰周期与实测值变化趋势均相近，其中有效波高均方根误差为0.274 m，跨零周期均方根误差为1.659 s，计算结果与观测数据吻合较好，并且夏季风时期（5—9 月）的模拟效果要优于冬季风期（12 月—次年4 月）。这主要是由于在冬季风期间，波浪周期中短周期波成分增加，越洋涌浪成分占比降低，而作为模式驱动场的GFS 风场分辨率不高，对局地风浪缺乏计算能力。图6 中的谱峰周期模拟结果与观测数据整体变化趋势相同，其中模拟值偏大，其均方根误差为4.08 s，这是由于对谱峰周期误差的判定，需要首先判断此海域的波浪中风浪还是涌浪占优，当风浪成分超过涌浪时，周期计算可能会与实测结果出现5 s 以上的误差。而在风浪与涌浪成分占比接近时，有效波高和跨零周期的误差却没有那么显著，因此谱峰周期误差的代表性不如跨零周期，波周期分析更倾向于观察跨零周期的变化规律，对谱峰周期的验证更多关注周期变化趋势是否相同。此结果表明，模型产生误差的2 大原因，一是模式驱动场的GFS 插值风场时空分辨率不高，并且与实际风场存偏差；二是波浪模式本身引起的差异。

总体而言，通过将WAVEWATCH 和SWAN模型进行多重嵌套，所计算的波浪场与观测结果符合较好，本文采用的数值方法满足工程上对波浪模拟的精度要求。

4 施工期波浪场数值计算

4.1 港口城区域施工期地形变化

为了保障工程船舶正常作业，合理安排作业工期，提高运输施工效率，需要分析不同施工阶段港口城区域的波浪场变化。基于多层嵌套模式对各个地图进行波浪场的数值计算，各个地形图的计算时间分别为2014 年12 月—2016 年2 月、2016 年2 月—2017 年3 月、2017 年3 月—2018年3 月、2018 年3—12 月。4 个典型施工时间阶段2014 年12 月、2016 年10 月、2017 年3 月和2018 年3 月港口城区域的水深地形图如图7 所示，可以看到随着施工的进行，岸线逐步向深水处推移，2017 年3 月，防波堤已经初步形成，水深位于4～8 m 之间。

图7 不同施工期港口城区域的水深地形图Fig.7 Topographic map of water depth of the Port City area under different construction periods

4.2 监测点施工期波浪要素变化

为了评估波浪对挖泥船、运输驳船等工程船舶工作效率以及对工程船舶靠离泊操作的影响，需要密切关注船舶典型工作地点波浪要素的变化。在拟建港口防波堤东南侧布设监测点S1—S6，监测点在港口中的分布见图8，监测点的经纬度坐标见表2。

表2 港口内监测点经纬度Table 2 Latitude and longitude of monitoring points in the port

图8 港口内监测点分布Fig.8 Distribution of monitoring points in the port

斯里兰卡港口城施工期的风速和风向的历时过程如图9 所示，重点点位S1、S3、S5 的有效波高、跨零周期在整个施工期的变化趋势如图10—图12 所示。从有效波高变化趋势中可以发现，斯里兰卡港口城在每年的5—9 月为风速较大，风向为西南向，这是因为斯里兰卡港口城每年的5—9月为夏季风期，波浪受印度洋西风带涌浪和印度洋夏季风影响，有效波高较大，尤其是在8 月附近波高达到一年之中的最大值，而在每年的12 月—次年4 月风速较小，风向为东北向，为冬季风期，因此该时段下的有效波高均较小，有利于施工作业。

图9 港口施工期风速、风向变化规律Fig.9 Variation law in wind speed and direction during port construction

图10 点S1 施工期有效波高、跨零周期变化规律Fig.10 Effective wave height and zero-crossing period variation law during the construction period of point S1

图11 点S3 施工期有效波高、跨零周期变化规律Fig.11 Effective wave height and zero-crossing period variation law during the construction period of point S3

图12 点S5 施工期有效波高、跨零周期变化规律Fig.12 Effective wave height and zero-crossing period variation law during the construction period of point S5

在开工初期，S1 处有效波高在每年10 月—次年5 月最小，平均值为0.5～1.1 m，随着施工的进行，特别是2017 年3 月防波堤初步形成以及2018 年4 月防波堤接近完工时，S1 处的有效波高有着明显的下降，在2017 年10 月—2018 年5 月平均值为0.2～1 m，但是受到越洋涌浪和夏季风的影响，5—10 月的有效波高仍然较大，最大值可达到1.5 m 以上。从2017 年3 月之后，跨零周期超过8 s 的情况明显减少了，说明逐渐形成的防波堤对长周期波具有显著的消波作用。在2018 年12 月防波堤接近完工时，S1 和S3 处的波高周期都明显减小了，表明防波堤对波浪具有明显的消减作用。

图13 给出了5 张水深地图在典型时刻的波高分布情况，可以看出受到季风、南港集装箱码头及地形的影响，施工区域波浪方向与外海的西南方向浪向一致，波浪在传播至近岸的过程中受到底摩擦、破碎等损耗，波高逐渐变小。图13（a）、图13（b）、图13（c）显示的波浪浪向一致，波高受到水深地形及季风的综合作用。图13（d）为2018年8 月1 日的波高分布图，尽管此时水深较浅，但是受到印度洋西风带涌浪和印度洋夏季风的影响，波高依旧较大，此外在施工区域的东南角防波堤初步形成后，部分浪向发生改变。图13（e）显示防波堤已经完成近80%工程量，可以看到遮掩区域的波高急剧减小，平均波高为0.1～0.2 m，浪向从之前的西南向变成西北向，可以发现防波堤会导致遮掩区域波浪浪向发生改变。