海景路护岸工程波浪数值模拟分析

【摘    要】：为解决海岸护岸工程不同重现期的设计波要素计算问题，以荣成市好运角旅游度假区海景路护岸工程为研究对象，根据成山头海洋站数据风、浪资料，结合ECMWF（欧洲中长期天气预报中心）后报长期风、浪资料，采用第三代海浪模式SWAN模型计算得到拟建护岸设计波浪要素，并对结果进行统计分析。结果表明，工程海域各点位的波况受深水重现期波高影响，重现期越长的波浪对工程海域各点位影响越大；防波堤的建设主要受到E、SE、S向波浪影响；工程点波况受水位影响较大。

【关键词】：海景路；护岸工程；波浪

【中图分类号】：U656.3【文献标志码】：C【文章编号】：1008-3197（2024）01-35-05

【DOI编码】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.01.011

收稿日期：2023-02-06

作者简介：李海（1988 - ）， 男， 山东烟台人， 工程师， 从事港口航道工程设计工作。

Numerical Simulation Analysis of Waves in the Ocean View Road

Revetment Project

LI Hai

（Shandong Gangtong Engineering Management Consulting Co. Ltd. ， Yantai 264000，China）

【Abstract】：In order to solve the problem of calculating the design wave elements of the coastal revetment project at different return periods， this study takes the revetment project at ocean view Road， Yunyunjiao Tourism Resort， Rongcheng City as the research object， through the wind and wave data of Chengshantou Ocean Station， and combines the long-term wind and wave data of ECMWF （European Center for Medium and Long-term Weather Prediction）， and calculates the design wave elements of the proposed revetment using the third generation wave model SWAN model， the results were statistically analyzed. The results show that the wave condition of each engineering sea area point is affected by the wave height in the deep water return period， and the longer the return period， the greater the impact of the wave on each engineering point in the engineering sea area. The construction of the breakwater is mainly affected by the waves in E， SE and S directions. The wave condition of the project points is greatly affected by the water level.

【Key words】：ocean view road;coastal revetment project;wave mathematical model

隨着全球气候变化和海平面上升的趋势日益明显，沿海地区面临着愈发严重的自然灾害风险。为了保护沿海基础设施和居民的生活安全，护岸工程建设越来越重要。护岸直接面临海洋波浪的冲击和冲蚀，极易导致坡体固体颗粒被冲刷，土体抗剪强度降低，发生崩岸。为了提高护岸工程的稳定性，掌握工程场区波浪条件和计算海域波浪高度显得尤为重要。

王科华等[1]运用波浪特征参数法分析了2个海外工程项目的波浪能量频谱，指出全频谱的波浪特征参数有利于认识波浪的流速流向；林毅辉等[2]基于水文观测资料，使用皮尔逊曲线对崇武西沙湾的设计波浪要素进行计算，指出近岸波浪高度与海岸地质条件和反射系数有关；陈汉宝等[3]基于SWASH模型，对岛礁系统在人工修筑堤坝后的波浪传播特征进行研究，指出堤坝的长度越大，断面内波浪越高，礁坪特征断面内的波高不受堤坝修筑的影响。

本文以荣成市好运角旅游度假区海景路护岸工程为研究对象，基于SWAN风浪模型，采用数值模拟对工程场区不同波浪重现期的波浪要素进行研究。

1 工程概况

荣成市好运角旅游度假区海景路护岸工程南向面海，岸东接已建成海景路护岸，西至松埠嘴村南侧，共建设护岸长度1 945.85 m，其中直立式护岸324.49 m、斜坡式护岸1 621.36 m。为掌握工程场区的波浪条件，根据附近波浪及气象资料，结合工程建设方案，通过建立波浪数学模型确定工程场区附近波浪传播规律，推算工程海域不同重现期的波浪条件。

工程场区附近的成山头海洋站（地理坐标为37°47′N、122°42′E），进行过多年的连续风速及波况观测。测波浮筒放置在成山角的南面，对成山头外偏S—E方向的波浪具有较好的代表性；观测点距工程区较近，波浪状况与工程场区海域基本相似，可以较好地描述工程场区设计波要素的基本情况。基于以上条件，对成山头的波浪数据进行设计波要素计算；同时根据ECMWF（欧洲中长期天气预报中心）的后报长期（20 a以上，本次为1998—2018年）风浪资料，采用第三代海浪模式SWAN模型计算到工程深水区，将推算结果与成山头测站观测结果进行对比和修正，以确定工程海域的设计波要素。

2 工程海域风场条件及波浪条件

2.1 工程海域风场条件

工程场区属于东南亚季风区，受北半球中纬度高空盛行西风带的控制，西风带的天气和气候特色较为明显，加之受欧亚大陆和太平洋的综合影响，季风气候特点十分突出。

成山头海洋站位于山东半岛的东北角，根据1961—2009年分方向的年极值风速资料统计，该海域出现的最大风速为40 m/s，为SSE方向；N—NE向也均出现34 m/s的大风。成山头海洋站累年以N向风最多，全年累计频率为16%；其次为SSW向风，全年累计频率为13%；E、ESE向风最少，全年累计频率只有1%。四季各向风分布趋势是冬季（1月）偏北（NNW—NNE向）风最多，各向频率和为52%；夏季（7月）偏南（SSE—SSW向）风最多，各向频率和为56%。各季里偏东风和偏西风都很少，尤其是偏东风，春、夏季最多时频率也不超过2%，而冬季（1月）E、ESE两向频率均＜0.5%。见表1。

成山头海洋站多年平均风速6.5 m/s，平均风速的季节分布趋势为冬季较大，各月平均风速多居于7.3～7.7 m/s范围内；夏季平均风速较小，都在5.5 m/s以下，其中8月为全年风速最小的月份，仅4.9 m/s。春、秋季的平均风速除个别月外，均接近年平均风速。见表2。

全年以NW、N及SSE向风速最大，均为34 m/s。累年平均大风日数为126.7 d，累年平均风力≥8级的大风日数以冬季最多，占全年的38%；春季次之，占全年的27%；夏季最少，只占全年的10%。

2.2 工程海域波浪条件

成山头海浪观测点海面开阔视野范围155°，测波浮筒在测波室南面（168°），距测波室水平距离465 m左右，测波浮筒处水深约14.8 m。由于西面、北面風区较短且受龙须岛影响，W—N向之间的风浪很难观测到，而此向涌浪则更为罕见。

全年风浪以SSE向最多，频率为11%。由于风向随季节变化显著，故风浪向也随季节变化有明显差异。由于冬季盛行偏北风，故11月至转年3月偏北风向的风浪最多，其中尤以1月最甚，1月NW—NNE—NE 的风浪向占该月各风浪向（不包括C向）的77%；夏季则盛行偏南风，故4—8月偏南向的风浪最多，其中尤以6月份最甚，6月SSE、S、SSW3个方向上的风浪占该月各风浪向（不包括C向）的65%。

由于波浪测点在偏南方向上海面最为开阔，W—N向受陆地影响，不宜产生该方向的涌浪；故涌浪方向多为向岸向，全年以S向的涌浪最多，频率为6%。涌浪的季节变化也很明显，冬季各月涌浪频率为9%～11%；夏季则为25%～42%，尤以7月的涌浪出现频率最多，占该月总观测次数的42%。

各月平均波高0.3～0.5 m，夏季较冬季大，但年变化不十分明显。从各向平均波高来看，由于在E—SE—S向上海面较开阔，风区较长，所以平均波高较大，均在0.6～1.1 m之间，以SE向和ESE方向的平均波高最大。各向最大波高的分布与各向平均波高的分布相似，ESE—SE向上的最大波高为5.6 m，1/10大波平均波高H1/10为5.2 m；SE向上的最大波高为5.1 m，H1/10为4.4 m；其他方向上的最大波高均＜4.0 m。

波浪周期年变化与波高的年变化相似，夏季较大、冬季较小。例如8月平均周期为2.7 s，是全年最大月；12月平均周期为1.3 s，是全年最小月。各向平均周期的分布也同各向的平均波高的分布相似，向岸向较大，E—SE—S向上平均周期在3.4～5.1 s之间，其他各向均在2.6 s以下。

3 波浪分析数学模型

在直角坐标系中，SWAN风浪模型的动谱平衡方程[4]

式中：σ为波浪的相对频率；θ为波向；Cx、Cy为x、y方向的波浪传播速度，Cσ、Cθ为σ、θ空间的波浪传播速度。

式（1）中Cx、Cy、Cσ、Cθ的计算方法 [5～6]

式中：[k=（kx，ky）]为波数；d为水深；[U=（Ux，Uy）]为流速；s为沿θ方向的空间坐标；m为垂直于s的坐标；算子[?/?t]定义为[?dt=?dt+C·?x，y]。

4 波浪数值模拟结果分析

由于本工程为直立式、斜坡式护岸两种且跨度较长，故对不同位置、不同波向、不同重现期、不同水位采用SWAN模型进行工程区的波浪分布计算分析。计算方向为E、SE、S；计算重现期为50、25、5 a；计算水位为极端高水位、设计高水位和设计低水位。通过波浪场数值模拟，计算共计3×3×3=27种波浪场分布，计算各波向、不同水位条件下各计算点的设计波浪要素（1%最大波浪高度H1%、13%最大波浪高度H13%），限于篇幅，列出极端高水、设计高水位和设计低水位在E向的波高等值线分布。见图1-图4和表3。

5 结论

1）工程海域各点位波况受深水重现期波高的直接线性影响，重现期越长的波浪对工程海域各点位影响越大；S向波浪受地形折射影响，向SSE方向偏转；E向波浪受绕射影响，向SE方向偏转。

2）通过对工程区的设计波要素进行计算可以看出，防波堤的建设主要受到E、SE、S向波浪影响；极端高水位下，防波堤外侧P3点50 a一遇的设计波要素H1%为3.443 m。

3）工程点波况受水位影响较大，相同条件下，工程各点受波浪影响，高水位明显大于低水位；设计低水位情况下，水深较浅，存在波浪破碎现象，部分大波破碎，不同条件下的波高数值相差较小；本工程极端低水位较低，工程处水深较浅故不考虑波浪影响。

参考文献：

[1]王科华，任赵飞，周智鹏，等.工程海域波浪特征分析方法比较[J].海洋工程，2022，40（3）：149-158.

[2]林毅辉，郑艺妃，潘伟然，等.西沙湾工程波浪推算及波浪场数值模拟[J].应用海洋学学报，2020，39（1）：80-86.

[3]陈汉宝，钟    生，陈松贵，等.筑堤影响下岛礁三维波浪传播变形规律SWASH数值模拟研究[J].水运工程，2022，（8）：9-16+23.

[4]王昊，张慈珩，刘海源，等.越南茶荣沿海港口波浪三维整体物理模型稳定性研究[J].水运工程，2022，（12）：62-67.

[5]谭忠华，陈汉宝，杨会利，等.抛石堤长周期波浪透浪作用及对码头系泊条件的影响[J].水运工程，2019，（7）：59-65+104.

[6]丁磊，于博.SWAN模型中不同风拖曳力系数对风浪模拟的影响[J].海洋学报，2017，39（11）：14-23.