辽东湾西北部波浪特性及其对港区泊稳条件的影响分析

齐 越，张功瑾，夏 波，高 峰，刘 针,，董 敏

(1.天津大学,天津 300072;2.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,南京 210029;3.长沙理工大学 水利工程学院,长沙 410114;4.交通运输部天津水运工程科学研究所,天津 300456；5.交通运输部规划研究院,北京 100028)

辽东湾是中国渤海三大海湾之一，地处北纬39°，河北省大清河口到辽东半岛南端老铁山角以北的海域。海底地形自湾顶及东西两侧向中央倾斜，湾东侧水深大于西侧，最深处约32 m，位于湾口的中央部分。均潮差(营口站)2.7 m，最大可能潮差5.4 m。主要港口有营口港、秦皇岛港和葫芦岛港等。波浪是近海水动力的主要过程，深入了解某一海区的波浪特征对于保护沿岸基础设施、降低海洋自然灾害有重要的作用。本文利用辽东湾西北部1 a的波浪观测数据，分析此处波浪特征和季节变化规律，常浪向为SSW向，频率为20.92%，次常浪向为S向，频率为18.73%，强浪向为SE向和SSE向，观测期间最大有效波高为2.5 m，主要浪向为SE-SW向，SE-SW向频率和为67.72%。绥中港区是葫芦岛港近期重点开发的港区，是辽宁沿海港口群的重要组成部分，目前,已建成的项目有直立式码头以及东、西围堰和外海侧部分西堤。根据现场调研与勘察，工程区已建西围堰内外侧均有不同程度的破坏，同时港内已有#101～#103泊位处波浪条件较为复杂，影响船舶停泊与作业条件。因此，需对港区目前泊稳条件不佳的原因以及后期建设改善措施进行研究。

1 数据来源

2016年7月～2017年7月中交第一航务工程勘察设计院有限公司在葫芦岛绥中港区附近放置声学多普勒波浪剖面流速仪(俗称“浪龙”) ，观测1 a的波浪数据，包括波高、波向和波周期，数据时间间隔为3 h。同时进行了风和波浪的同步观测，波浪观测点40°02.766′N，120°08.571′E，水深-13.5 m，同期进行了风的观测，风测站位置为40°04.6′N，120°07.3′E，数据间隔为1 h。

2 波浪特征分析

2.1 波浪的年特征

对实测波浪资料进行分析，常浪向为SSW向，频率为20.92%，次常浪向为S向，频率为18.73%，强浪向为SE向和SSE向，观测到的十分之一大波为3.1 m，有效波高为2.5 m，此时波向为141°，有效波周期为6.2 s。主要浪向为SE-SW向，SE-SW向频率和为67.72%，波玫瑰见图2。年均有效波高为0.53 m。

图2 波玫瑰图(2016～2017年)Fig.2 Wave rose

该观测点位于辽东湾西北部，西侧为陆地，南侧面对宽阔的渤海海区，东侧面对较为宽阔的辽东湾海区，造成了偏南向波浪占优的特点。由图1可以看出等深线为东西走向，波浪折射作用使得偏S方向的波浪具有较大的频率。

祁祥礼[1]利用实测资料对渤海湾中部波浪特性进行了分析，渤海湾中部常浪向为E向，频率为13%，次常浪向为NE向。观测位置处最大波高为5.46 m，最大波高时波周期为8.5 s，波向为29°。渤海湾中部西侧为陆地，东侧面对较为宽阔的渤海中部海区，等深线为WN-ES走向，波浪折射作用使得EN方向的波浪具有较大的频率。孙连成[2]利用1972～1984年海洋石油七号平台站的实测波浪资料对波浪特性进行分析，该站位于38°34′N，117°049′E，水深在-5 m等深线，四周开阔无遮挡物。波浪的主浪向为ENE-E方向，频率占19.4%，也是该区的强浪来向，其次是NE及ESE向占14.5%。

2.2 波高周期的分布特性

观测期间最大有效波高为2.5 m，最大有效波周期为6.2 s。对实测波浪资料中的波高每隔0.25 m进行分级，对周期每隔2 s进行分级，波高与周期联合分布见表1和图3。有效周期主要分布在2～4 s，频率占70.39%，其中有效波高在0.0～0.25 m、0.25～0.50 m和0.50～0.75 m的频率分别为15.1%、26.5%和23.4%。有效周期在4～6.5 s的频率为27.58%，其中有效波高在0.5～0.75 m、0.75～1.0 m和1.0～1.25 m的频率分别为7.1%、6.6%和6.8%。

图3 波高与周期的联合分布Fig.3 Distribution of wave height and period

表1 波高与周期的分布Tab.1 Distribution of wave height and period

依据汪炳祥、常瑞芳在风浪与涌浪的划分判据[3]

β、δ、H、T和U分别代表波龄、波陡、波高(m)、周期(m)和风速(m/s)，只要同时满足判据中的任意两个就是涌浪。对海区实测资料波高、周期与风速进行分析计算，满足两者定义的涌浪频率为35%，风浪频率为65%，可见该海区以风浪为主。

2.3 波浪的季节变化特征

有效波高在不同季节和全年分频分级的对比见表2。在不同季节中，小于0.5 m的小浪出现频率均是最高，在春季出现的频率最多为67.7%，波高小于1 m的频率在春、秋和冬季均超过了90%，而大于1.5 m波高的频率在全年出现的频率仅为0.6%，只有夏季的时候出现超过2 m的波浪，观测期间有效波高大于2.5 m的大浪在该地区没有出现。

表2 全年以及各季度有效波高分频分级Tab.2 Occurrence frequency of different wave height levels in the four seasons and over the whole year %

春季波高较小，最大有效波高为1.5 m，浪向为S向，春季主要浪向为SSE、S和SSW。常浪向为S向，频率为28.4%，次常浪向为SSW，频率为16.8%。夏季最大有效波高为2.5 m，浪向为SE向，夏季主要浪向为SSE、SSW和SW。常浪向为S向，频率为19.7%，次常浪向为SSW，频率为18.3%。秋季最大有效波高为1.8 m，浪向为ENE向，秋季波高大于1.5 m的频率为12.2%。ENE和E向波高的频率有所增加，主要浪向为ENE-SW。常浪向为E向，频率为18.8%，次常浪向为SSW，频率为17.7%。冬季最大有效波高为1.6 m，浪向为SW，主要浪向为ENE-SSW。常浪向为S向，频率为18.9%，次常浪向为SSW，频率为18.2%。

波浪的季节变化特性，秋季和冬季的时候偏E向的波浪频率增大，在秋季的时候E向为常浪向，其它季节的常浪向均为S向。秋季时波高在0～0.5 m频率较其它季节少， 0.5～1.0 m时频率较其它季节多，秋季大部分波高略大于其它季节。

2.4 风的年特征和季节变化特征

年常风向为SW向，频率为15.22%，次常风向为SSW向，频率为13.94%，强风向为SW向，观测到的最大风速为17.4 m/s。

春季风速最大值为16.2 m/s，风速大于10 m/s的频率为6.1%，常风向为SSW向，频率为17.7%，次常风向为SW向，频率为15.1%。夏季风速最大值为17.4 m/s，风速大于10 m/s的频率为3.5%，常风向为SSW向，频率为18.8%，次常风向为S向，频率为12.5%。秋季风速最大值为17.1 m/s，风速大于10 m/s的频率为12%，常风向为NNW向，频率为20.8%，次常风向为SW向，频率为16.6%。冬季风速最大值为14.9 m/s，风速大于10 m/s的频率为7.9%，常风向为NNW向，频率为20%，次常风向为SW向，频率为17.9%。

春夏季节的常风向为SSW向，秋冬季节的常风向为NNW向，秋季风速大于10 m/s的频率最多。

2.5 大浪期间波浪成长与当地风的关系

为了研究大浪时波浪与风的关系，选取了两次典型的大浪过程进行分析，分别是2016 年7月21日和10月22日，为了更完整地研究波浪成长过程，将大浪发生的前后一段时间也包括在内。图6表示这两次大浪过程中波高和风速的对比。

图6 大风浪期间波高与风速过程Fig.6 Wave height and wind speed process during strong wind and wave

在第一个大浪过程中的7月19日17时左右，风速开始增大，至20日17时，风速增大到最大14.7 m/s，风向由偏SE向转向偏ENE向，波高在风速的变化下逐步增大，但波高最大值有9 h的滞后，浪向为SSE-S-SE，风向与波向并不完全相同，但具有较高的一致性，在大浪期间有效波高和风速的相关性可达0.77(图7)，具有较强的相关性。

在第一个大浪过程中的10月19日20时左右，风速开始增大，至20日5时，风速增大到第一个峰值15.5 m/s，风向由偏SSW向转向偏N向，10月20日05时左右，波高也增大到最大有效波高1.8 m，浪向由SSW向转向ENE向。10月22日11时左右，风速增大到第二个峰值17.1 m/s，风向为偏N向，10月22日05时左右，波高较风速提前6 h达到最大有效波高1.7 m，浪向主要是偏E向。在大浪期间有效波高和风速的相关性可达0.83(图7)，具有较强的相关性。

图7 风速和有效波高的关系Fig.7 Relationship between wind speed and effective wave height

3 波浪特性对附近港口的影响

葫芦岛港绥中港区位于辽宁省绥中县，葫芦岛市的南部辽东湾[4-7]，西邻秦皇岛港，东临葫芦岛港。目前已建成的项目有直立式码头，东、西围堰和外海侧部分西堤，现状布置如图8所示。工程区已建西围堰内外侧均有不同程度的破坏[8-12](图9)，同时港内已有泊位处波浪条件较为复杂，影响船舶停泊与作业条件，码头泊稳条件较差。

图8 港区现状平面布置 图9 西围堰破坏Fig.8 Current layout of port area Fig.9 Destruction of west cofferdam

3.1 围堰破坏原因和泊稳条件分析

2017年在交通运输部天津水运工程科学研究所波浪港池中进行了波浪物理模型试验[13-16]。选取模型几何比尺为80，亦即波高比尺为80，周期比尺为8.94。分别对SE、SSE、S和SSW向波浪进行了模拟，根据试验结果分析了围堰破坏和泊稳条件差的原因。

西围堰断面形式在港内侧是两层块石护坡，上层厚度为1.2 m、坡度为1:1.5的500～800 kg块石，下层厚度为1 m、坡度为1:1.5的10～100 kg块石，堤心石为1～500 kg开山石。港外侧是厚度为4.3 m、坡度为1:1.5的200～600 kg块石护坡。

在SE向浪作用下基本属于开敞，SE向浪直接作用到西围堰内侧，波浪在已建直立码头前发生反射，强浪向为SE向和SSE向，重现期50 a极端高水位下，西围堰内侧最大H13%为4.17 m，通过规范公式计算块石的稳定重量远远超过500～800 kg，是西围堰结构破坏的主要原因。

工程区常浪向为SSW向，次常浪向为S向，强浪向为SE向和SSE向，工程区主要受SE、SSE、S、SSW和SW向浪的影响，5个方向发生的频率总和为67.72%。已建码头受SSE、S和SSW向浪作用年损失作业天数较多，是现场泊稳条件较差的主要原因。基于2016年7月至2017年7月历时1 a工程海域实测波浪资料分析出的年波浪分频分级，对不同浪向年损失作业天数进行了分析，已建码头年损失作业天数最多接近70 d，这与现场泊稳条件的实际情况基本一致。

3.2 泊稳条件改善措施研究

为改善港区的泊稳条件，需加强对主要浪向作用下的掩护。根据现状情况下试验结果和近期规划，对已建海侧防波堤延长50 m+480 m，平面布置见图10-a，防波堤延长对SSW、S和SSE向浪的掩护效果增强，码头前波高均有不同程度的减小。在S向浪作用下已建码头前H4%由2.66 m减小到1.42 m，年损失作业天数由67 d降低到了18 d，可见海侧防波堤的延长可有效改善码头前的泊稳条件。

二期工程在西围堰处建立直立式码头，平面布置见图10-b，由于波浪在直立式码头间的来回反射作用，港内波高有所增大，港内波况进一步恶化。在SE向浪作用下，二期码头与已建码头夹角处波能集中，重现期50 a波高最大为5.75 m，由于直立码头的反射，已建码头前波高也有所增大。已建码头前年损失作业天数由18 d增大到39 d。

针对二期码头建设后港内波况进一步恶化的情况，进行了以下工程措施的改善，首先对东围堰进行延长，其次是在东围堰延长处修建SE走向临时堤，见图10-c。东围堰的延长只是对SE向浪作用下已建码头的东侧前局部区域有所掩护，对SSW、S和SSE掩护效果反而变差，是因为围堰的延长更不利于进行港内波能的消散。在围堰延长处修建SE走向临时堤，对SSW向浪的作用影响不大；对于S向浪作用下，已建码头东侧端部的掩护有较大改善；对SE和SSE向浪作用整个港内波高均有不同程度的减小，已建码头东侧端部年损失作业天数由41 d降低为17 d。

已建码头和二期码头均采用直立式沉箱结构，波浪在码头间发生来回发射，在码头夹角处发生波能集中，对二期码头采用开孔沉箱结构，开孔情况见图10-d。从试验结果来看，二期码头采用开孔沉箱后，码头前波高可减小20%～30%。试验是在设计高水位、无船只停靠的情况下进行的，在不同水位和船只停靠情况下开孔沉箱的实际消浪效果会和试验存在一定的差异。

4 结论

基于辽东湾西北部2016年7月到2017年6月1 a的风和波浪观测数据，分析波浪特征。结论如下：(1)常浪向为SSW向，频率为20.92%，次常浪向为S向，频率为18.73%，强浪向为SE向和SSE向，观测到的十分之一大波为3.1 m，有效波高为2.5 m，有效波周期为6.2 s。(2)波浪的季节变化特性，秋季和冬季的时候偏E向的波浪频率增大，在秋季的时候E向为常浪向，其它季节的常浪向均为S向。秋季时波高在0～0.5 m频率较其它季节少， 0.5～1.0 m时频率较其它季节多，秋季大部分波高略大于其它季节。有效周期主要分布在2～4 s，频率占70.39%，其中有效波高在0.25～0.50 m频率最多为 26.5%。有效周期在4～6.5 s的频率为27.58%，其中有效波高在1.0～1.25 m的频率最多为6.8%。(3)工程区常风向为SW向，频率为15.22%，次常风向为SSW向，频率为13.94%，强风向为SW向，观测到的最大风速为17.4m/s。春夏季节的常风向为SSW向，秋冬季节的常风向为NNW向，秋季风速大于10 m/s的频率最多。(4)大浪期间波浪成长与当地风的关系，在大浪发生期间，波高和风速有较高的相关性，可以直接利用预报风场对波高做出合理的预报。(5)辽东湾西北部的绥中港区来说，主要受SE-S-SW向波浪的影响，而这几个方向的波浪频率超过了60%，因此工程上宜采取延长已有的外海堤、修建临时堤和对波能集中处采用局部开孔沉箱布置等措施来有效改善泊位前波况，减少损失作业天数，提高泊稳条件。