SWAN模型在硇洲渔港波浪要素推算中的应用

2019-01-02 01:38:01 河北渔业 2019年12期

雷鹏 张建侨

摘 要:利用SWAN模型模拟硇洲渔港附近海域的波浪场,推算外海-10 m水深处重现期波浪要素结果和实测值基本一致,进而推算得到北港区边界不同水位不同重现期条件下的波浪要素,可为工程设计提供参考。

关键词:SWAN模型;硇洲渔港;波浪要素

湛江经济技术开发区硇洲岛是我国第一大火山岛,是广州、湛江、海南岛之间的海运交通要冲(图1)。硇洲岛岸线长47 km,陆域面积56 km2,有自然港湾11处,附近海域渔业资源丰富,发展渔业具有得天独厚的自然优势。

现有的硇洲渔港有两个港区(图2)——南港区和北港区。南港区位于硇洲岛镇区,北港区位于硇洲镇港头村的东部,距南港约6 km。两个港区的口门都向西,面对雷州半岛和东海岛,港湾呈狭长形,掩护条件良好,水深条件优越。经过多年的建设,硇洲渔港已具备国家中心渔港的规模和功能,码头、防波堤和护岸及配套设施逐步完善,防灾减灾能力大幅提高,同时渔港管理与服务体系逐步健全,有力地保障了渔民的生命财产安全,促进了渔区经济的发展,推动了硇洲港镇一体化建设进程。

近年来,湛江地区渔业发展迅速,渔船向大型化发展,现有的码头、防波堤和护岸等基础设施已经无法满足渔业生产需要。同时,湛江市的发展吸引了更多的人流、物流和资金流集聚,附近地区的捕捞渔船更多地向郊区如硇洲岛、徐闻等地停泊、避风和交易,硇洲岛将成为承接湛江市产业转移和现代渔业发展的重要基地。为满足渔业生产的需要,保障渔业生产的正常秩序,服务湛江市城市发展,当地政府决定对硇洲渔港进行扩建,主要包括新建码头、护岸和防波堤及对现有防波堤和护岸改造。

为满足码头等水工建筑物结构设计需求,需要推算附近海域边界波浪要素来确定港域波浪要素,本文采用第三代浅海海浪数值模式——SWAN模型。SWAN模型自发布以来,得到了十分广泛的应用。Gorman等[1]采用SWAN模型模拟了河口浅水风浪的生成与传播过程。Wornom等[2]利用SWAN模型模拟了Luis飓风。陈希等[3]利用SWAN模型模拟了台湾岛海域的台风浪。徐福敏等[4]利用SWAN模型计算了不同水深时流场对波浪场的影响。

1 工程所在地海域情况

硇洲渔港所处湛江地区季节风明显,每年4-9月多为E-SE风,10-翌年3月多为N-NE风。5-11月为台风季节,其中7-9月较多,平均每年出现5~6次,最多达8次。常风向为E向和ESE向,强风向为E向。

硇洲渔港所处海域以风浪为主,全年风浪出现频率为80%,涌浪为20%,常浪向为ENE向和SE向。硇洲渔港处于雷州湾内,其四周有硇洲岛、东海岛及雷州半岛的掩护,不受外海波浪的直接袭击。港域的南面还有南角河咀的掩护。

2 SWAN模型的基本方程

SWAN模型不仅可以模拟由风产生的能量输入、波与波非线性相互作用、深水波浪破碎耗散等深水波浪现象,而且可以模拟浅水中底摩擦耗散、波浪破碎、波浪绕射以及波浪折射等浅水波浪变形现象。SWAN模型基于波作用守恒方程[5],采用波作用密度谱来描述波浪。波作用谱密度等于波能密度除以相对频率:N(σ,θ)=E(σ,θ)/σ。

在笛卡爾系坐标中,作用谱密度平衡方程如下:

式中:N为波作用谱密度;x,y为地理坐标;t为时间;为传播方向;为相对频率;Cx,Cy,Cσ,Cθ分别为波能量在地理空间和谱空间的传播速度;S为能量源项,由几个不同类型的源项组成:

3 模型验证

3.1 模型计算范围

模型计算范围东起南海,西至湛江、硇洲岛岸线,见图3。模型采用笛卡尔坐标系,划分三角形网格,网格最大边长为4 000 m,最小边长为20 m。

3.2 波浪破碎参数

对于破碎参数的选择,在 Battjes and Janssen(1978)[6]发表的描述耗散模型的文章中,使用了基于Miche的标准的破碎参数,取0.8。Battjes and Stive(1985)[7]重新分析了实验的波数据,发现破碎参数对于不同的地形(平面,障碍物-水槽,障碍物)在0.6到0.83之间变化,平均值0.73。对Kaminsky and Kraus(1993)[8]的大量实验数据分析的结论是,破碎参数在0.6到1.59之间变化,平均值0.79。结合文献[9]的讨论,本文的破碎参数选择为0.78。

3.3 底摩阻系数

在波浪折绕射变形数值计算中,底摩阻系数是一个重要的计算参数,一般的取值范围为0005~0.02。针对硇洲岛海域的海底物质组成,经分析采用底摩阻系数0.01进行计算。

3.4 边界条件

SWAN模型认为陆边界能将入射波能吸收而不产生反射,波能交换量为0,水边界需要给出波能交换量。对于硇洲渔港附近海域西边界为陆边界,而在北、东、南3个方向皆有水边界,因此,计算时均要考虑边界波能的输入。

3.5 验证结果

应用SWAN模型对硇洲渔港附近海域的波浪场分布进行模拟。计算重现期为50年,海上10 m高程处50年一遇的风速如表1所示。计算时在水域上方施加风并在外边界上联合施加50年一遇的深水波要素,进行全场波浪计算,得到外海-10 m水深处重现期波浪要素,与广东沿海硇洲站-10 m水深的设计波要素[10]进行对比分析发现,在NE向和E向上,模型推算的波高值相较实测波高值的偏大;在SE向和S向上,模型推算的波高值相较实测波高值的偏小。考虑到本文所采用的风场为一个简单均匀的风场,存在一定的误差,同时硇洲岛对SE向和S向波浪的掩护,模型推算结果是基本合理的。模型推算波浪要素与实测波浪要素的对比,见表2。

4 模型边界波浪要素推算

利用模型计算北港区港域边界波浪要素,结果见表3和表4。

5 结语

利用SWAN模型模拟硇洲渔港附近海域的波浪场,并与附近海洋站的实测波浪进行对比分析,模拟结果与实测波浪的结果比较接近,进而推算北港区边界波浪要素,可作为工程设计的参考。

参考文献:

[1] GORMAN R M,NEILSON C G. Modeling shallow water wave generation and transformation in an intertidal estuary[J]. Coastal Engineering,1999(36):197- 217.

[2] WORNOM S F,WELSH D J S,BEDFORD K W. On coupling the SWAN and WAM wave models for accurate nearshore wave predictions[J]. Coastal Engineering Journal,2001,43(3): 161-201.

[3] 陈希,沙文钰,闵锦忠.台湾岛邻近海域台风浪的模拟研究[J].海洋预报,2002,19(4):1-10.

[4] 徐福敏,张长宽,茅丽华等.一种浅水波浪数值模型的应用研究[J].水动力学研究与进展A辑.2000, 15(4) :429-434.

[5] 孙斌.SWAN模型在风浪场预报中的应用研究[D].天津大学硕士学位论文,2010:6-21.

[6] BATTJES J A,JANSSEN J P.Energy loss and set-up due to breaking of random waves[J].ICCE,Hamburg.1978,16:569-587.

[7] BATTJES J A,STIVE M J F.Calibration and verification of a dissipation model for random breaking waves[J].J Geophys Research,1985,90(C5):9159-9167.

[8] KAMINSKY G M,KRAUS N C. Evaluation of depth-limited wave breaking criteria[J].Symposium on Ocean Wave Measurement and Analysis,1993,2:180-193.

[9] WOOD D J,MUTTRAY M,OUMERACI H.The SWAN model used to study wave evolution in a flume[J].Ocean Engineering,2001,28:805-823.

[10] 王占行,张建侨,王刚.硇洲渔港南港海域波浪场数值模拟研究[J].中国水运,2015,15(2):69-84.

Application of SWAN model in wave parameters calculation for

Naozhou Fishing Port

LEI Peng,ZHANG Jianqiao

(Fishery Engineering Research Institute of Chinese Academy of Fishery Sciences, Beijing 100141,China

Abstract:The wave field near the Naozhou fishing port is simulated by using the SWAN model. The wave parameters in a certain recurrence interval,where the water depth is -10 meter offshore, that are induced by using the SWAN model agree with those observed. Based on that, the boundary wave parameters of North Area are calculated under different water levels and different recurrence intervals, which will provide a reference for the project design.

Key words:SWAN model;Naozhou fishing port; wave parameters

(收稿日期:2019-11-19)

基金項目:中国水产科学研究院院本级基本科研业务费专项基金资助项目(项目编号:2016HY-ZC11-3)。

作者简介:雷鹏(1988-),男,硕士,工程师,主要从事渔港相关工程的设计与研究。E-mail:[email protected]