連衛(wèi)東，劉 針

（1.煙臺市港航管理局,煙臺264000；2.交通部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456）

煙臺港是我國綜合運輸體系的重要樞紐和沿海主要港口之一，煙臺港擬建的蓬萊東港區(qū)和欒家口港區(qū)位于黃渤海分界、渤海海峽的南部、山東半島的北部，地理位置見圖1。對港區(qū)附近海洋站測波資料進行了分析，該海區(qū)近海波浪是以風浪為主的混合浪［1-2］。利用波浪數(shù)學模型對兩港區(qū)防波堤碼頭建設前后的波浪進行模擬，研究掩護水域內(nèi)波浪傳播的特性和減小港內(nèi)波高的有效措施。

圖1 工程位置Fig.1 Project location

1 波浪特性分析

利用相鄰龍口海洋站和蓬萊海洋站的觀測資料對港區(qū)波浪進行研究。龍口海洋站位于龍口灣外，測站37°41.1′N，120°13.3′E，具有多年的觀測資料，該站測波浮鼓設在屺坶島高角 NNW 方向，距岸 528 m，水深-15.7 m。蓬萊海洋站位置 37°50.0′N，120°45.0′E，浮標（傳感器）處基準面水深-19.0 m。

龍口海區(qū)屬于以風浪為主、涌浪為輔的混合浪海域，常浪向為NE向，頻率為9.03%，次常浪向為NNE向，頻率為5.16%，強浪向為NE向，大于4 m的波浪出現(xiàn)頻率為0.14%。

龍口測站1992～1994年波玫瑰見圖2。龍口海區(qū)常風向和強風向均為NE向，次常風向為S向，E-SSW向的頻率和為29.36%，龍口所在海區(qū)，E-S-SSW向為陸上來風，在此風向作用下波高較小，龍口海區(qū)無浪頻率為73.72%。

蓬萊海區(qū)也屬于以風浪為主、涌浪為輔的混合浪海域，常浪向為NNE向，頻率為6.82%，次常浪向為NE向，頻率為5.91%。強浪向為NE向，大于3.5 m的波浪出現(xiàn)頻率為0.02%，波玫瑰見圖3。蓬萊海區(qū)常風向為WSW向，頻率為15.37%，強風向為NNE向，次常風向ENE向、SE-SSW向的頻率和為12.9%，蓬萊所在海區(qū)，SE-SSW向為陸上來風，在此風向作用下波高較小，蓬萊海區(qū)無浪頻率為71.89%。

圖2 龍口測站波玫瑰圖（1992～1994）Fig.2 Wave rose of Longkou station（1992～1994）

圖3 蓬萊測站波玫瑰圖（1992～1994）Fig.3 Wave rose of Penglai station（1992～1994）

欒家口港區(qū)所在海域SW-ENE側為大陸，WNW-NNW向面向渤海灣；N-NE向一側也朝海，但受南長山島、北長山島、大小黑山島的掩護，與WNW-NNW相比，風距相對較短；距該港約6 km有一淺灘——登州淺灘，全長約6 km，平均寬度為0.6 km。該淺灘軸線與海岸線夾角為45°，基本上呈東西走向，使大波不易進入港區(qū)，對港區(qū)有一定的掩護作用。

2 港區(qū)口門波要素

龍口海洋站有1960～1982年23 a波浪觀測資料，對各向波高年極值利用P-III曲線適線法得到不同重現(xiàn)期波要素（表1），把龍口測站的波要素作為數(shù)學模型的率定點，調(diào)整模型的參數(shù)，使波浪傳播到率定點時和已知波要素一致，從而得到工程區(qū)設計波要素。防波堤和碼頭建設前設計波要素的模擬采用TK-2D［3］的PEM波浪數(shù)學模型。進行波浪模擬時，選取東西約75 km、南北約50 km作為計算范圍，網(wǎng)格步長20 m。欒家口港區(qū)的強浪向為偏WNW向，由于北部島嶼和陸域的掩護偏N-ENE向波高較小，蓬萊東港區(qū)的強浪向為偏NE向。

利用TK-2D的PEM波浪數(shù)學模型推算得到平面布置方案口門位置波要素，作為港內(nèi)波況計算的初始邊界條件。欒家口港區(qū)和蓬萊東港區(qū)口門處H4%波高見表2。

表1 龍口測站水深15.7 m波要素Tab.1 Wave parameters of 15.7 m depth in Longkou

表2 港區(qū)口門波高Tab.2 Wave height at the entrance of port m

3 港內(nèi)波高分析

防波堤碼頭建成后港內(nèi)波況的計算采用MIKE21之BW［4-8］波浪數(shù)學模型，采用矩形網(wǎng)格，網(wǎng)格步長△x=△y=4 m，時間步長△t=0.1 s。不規(guī)則波波浪模擬波譜采用JONSWAP譜。

3.1 蓬萊東港區(qū)

蓬萊東港區(qū)方案平面布置見圖4，口門寬300 m，初始方案碼頭和防波堤結構型式均按照直立式碼頭全反射進行模擬，在NE向浪作用下，由于東側防波堤的掩護，進入港內(nèi)的波浪較少。數(shù)學模型模擬計算了重現(xiàn)期2 a，WNW、NW、NNW、N和NNE向浪作用下港內(nèi)波高，1#碼頭的控制浪向是NNE向，波高為2.66 m，2#、3#和4#碼頭的控制浪向是NW向，波高分別為3.28 m、3.73 m和3.58 m。在NW向浪作用下，在2#碼頭、3#碼頭和4#碼頭區(qū)域波浪發(fā)生多次反射，此區(qū)域內(nèi)比波高1.2～1.3，港內(nèi)比波高分布見圖4，比波高為港內(nèi)計算點波高與前2節(jié)計算出的口門處起始波高之比，為減小由于碼頭反射引起的波高增大，改變直立碼頭的結構型式，采用高樁等反射率小的碼頭結構，反射率按照30%～40%重新對NW向浪作用下港內(nèi)波高進行計算，港內(nèi)比波高分布見圖5，采用反射率小的結構后，港內(nèi)波高明顯減小，3#碼頭前波高減小了68%，波高結果見表3。

表3 蓬萊東港區(qū)港內(nèi)波高分布Tab.3 Wave height distribution of east port area of Penglai Port m

圖4 蓬萊東港區(qū)初始方案比波高分布Fig.4 Relative wave height distribution of original option in Penglai Port

圖5 蓬萊東港區(qū)優(yōu)化方案比波高分布Fig.5 Relative wave height distribution of optimized option in Penglai Port

3.2 欒家口港區(qū)

在欒家口港區(qū)的北部布置255°～75°走向的導堤，西口門寬380 m，東口門寬460 m，導堤長860 m。初始方案碼頭和防波堤結構型式均按照直立式碼頭全反射進行模擬，在WNW、NE向浪作用下，由于防波堤的掩護，進入港內(nèi)的波浪較少。模擬計算了重現(xiàn)期2 a，NW、NNW、N和NNE向浪作用下港內(nèi)波高，1#碼頭的控制浪向是NNE向，波高為2.04 m，2#碼頭的控制浪向是NNW向，波高為2.11 m，3#碼頭和4#碼頭的控制浪向是NNE向，波高分別為2.04 m和1.59 m，5#和6#碼頭的控制浪向是NW向，波高均為2.16 m。在NW向浪作用下波浪傳播到港內(nèi)，在5#碼頭和6#碼頭區(qū)域內(nèi)波浪發(fā)生多次反射，此區(qū)域內(nèi)比波高0.7～1.0，比波高分布見圖6。為減小由于碼頭反射引起的波高增大，改變直立碼頭的結構型式，在5#和6#碼頭位置采用高樁等反射率小的碼頭結構，反射率按照30%～40%重新對NW向浪作用下港內(nèi)波高進行計算，比波高見圖7，采用反射率小的結構后，5#和6#碼頭前波高明顯減小，波高結果見表4。

從蓬萊東港區(qū)和欒家口港區(qū)的港內(nèi)波高計算可以看出，波浪在直立式碼頭前發(fā)生全反射，波浪在掩護水域又發(fā)生多次反射，港內(nèi)波高較大，通過采用高樁等反射率小的碼頭結構型式，波高有很大幅度的減小。主要原因是波浪傳播到直立式碼頭前，反射波高較大，蓬萊東港區(qū)2#碼頭前比波高1.1，波浪發(fā)生多次反射后比波高為1.1*（*=1，2，3…）大于1，多次反射區(qū)域內(nèi)波高較大。采用反射率小的碼頭結構型式后，部分波能被消散，2#碼頭前比波高0.6，波浪發(fā)生多次反射后比波高為0.6*（*=1，2，3…）小于1，波高有較大幅度減小。建議在波浪發(fā)生多次反射的掩護水域采用反射率小的碼頭結構型式以減小港內(nèi)波高。

圖6 欒家口港區(qū)初始方案比波高分布Fig.6 Relative wave height distribution of original option in Luanjiakou port area

圖7 欒家口港區(qū)優(yōu)化方案比波高分布Fig.7 Relative wave height distribution of optimized option in Luanjiakou port area

4 結論

通過海洋站實測水文資料，分析了煙臺港蓬萊東港區(qū)和欒家口港區(qū)的波浪特性，利用波浪數(shù)學模型模擬了防波堤和碼頭建設前后港區(qū)的波高分布，主要結論如下：

（1）工程海區(qū)波浪是以風浪為主、涌浪為輔的混合浪，受北部島嶼和淺灘的掩護，欒家口港區(qū)的強浪向是偏WNW向，蓬萊東港區(qū)強浪向是偏NE向。由于陸域的掩護，兩海區(qū)無浪頻率都很高，均超過70%。

（2）利用龍口海洋站多年波浪觀測資料推算出的不同重現(xiàn)期波要素，作為波浪數(shù)學模型的率定點，利用TK-2D的PEM和MIKE21的BW波浪數(shù)學模型分別對防波堤和碼頭建設前后工程區(qū)波況進行模擬計算。防波堤和碼頭建設后，在波浪發(fā)生多次反射的掩護水域波高較大，采用高樁等反射率小的碼頭結構型式后，可有效減小港內(nèi)波高。

（3）數(shù)學模型在模擬防波堤和碼頭的反射時存在一定的誤差，港內(nèi)波況的計算應通過物理模型進一步研究。

［1］唐麗美，畢立海.北隍城潮汐、波浪基本特征［J］.海洋預報，1994，11（3）：42-46.TANG L M，BI L H.The character of tide and wave of Beihuangcheng［J］.Marine Forecasts，1994，11（3）：42-46.

［2］趙迎春.蓬萊新港潮汐、波浪及海流特征［J］.海洋通報，1992，11（3）：85-88.ZHAO Y C.The character of tide，wave and ocean current of Penglai new port［J］.Marine Science Bulletin，1992，11（3）：85-88.

［3］李孟國，張華慶，陳漢寶，等.海岸河口多功能數(shù)學模型軟件包 TK-2D 研究與應用［J］.水道港口，2006，27（1）：51-56.LI M G，ZHANG H Q，CHEN H B，et al.Study on multi-function mathematical model software package TK-2D and its application for coast and estuary［J］.Journal of Waterway and Harbor，2006，27（1）：51-56.

［4］DHI Software.MIKE21 Boussinesq Waves model User Guide［M］.Danmark：DHI Software，2005.

［5］Boussinesq J.Theory wave and swells propagation in long horizontal rectangular canal and liquid contained in this canal［J］.J.Math.Pures Appl.，1872，17（2）：55-108.

［6］Fuhrman D R，Bingham H B.Numerical solutions of fully non-linear and highly dispersive Boussinesq equation in two horizontal dimensions［J］.International Journal of Numerical Methods in Fluids，2004，44：231-255.

［7］Fuhrman D R，Bingham H B，Madsen P A.Nonlinear wave-structure interation with a high-order Boussinesq model［J］.Coastal Engineering，2005，52：655-672.

［8］劉海源，張慈珩.三亞南山港波浪數(shù)模與物模試驗對比研究［J］.水道港口，2006，27（4）：231-235.LIU H Y，ZHANG C H.Comparison study between mathematical and physical model tests on waves in Nanshan Harbor in Sanya［J］.Journal of Waterway and Harbor，2006，27（4）：231-235.