齊 越，張功瑾，夏 波，高 峰，劉 針,，董 敏

(1.天津大學,天津 300072;2.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,南京 210029;3.長沙理工大學 水利工程學院,長沙 410114;4.交通運輸部天津水運工程科學研究所,天津 300456；5.交通運輸部規(guī)劃研究院,北京 100028)

遼東灣是中國渤海三大海灣之一，地處北緯39°，河北省大清河口到遼東半島南端老鐵山角以北的海域。海底地形自灣頂及東西兩側(cè)向中央傾斜，灣東側(cè)水深大于西側(cè)，最深處約32 m，位于灣口的中央部分。均潮差(營口站)2.7 m，最大可能潮差5.4 m。主要港口有營口港、秦皇島港和葫蘆島港等。波浪是近海水動力的主要過程，深入了解某一海區(qū)的波浪特征對于保護沿岸基礎(chǔ)設(shè)施、降低海洋自然災害有重要的作用。本文利用遼東灣西北部1 a的波浪觀測數(shù)據(jù)，分析此處波浪特征和季節(jié)變化規(guī)律，常浪向為SSW向，頻率為20.92%，次常浪向為S向，頻率為18.73%，強浪向為SE向和SSE向，觀測期間最大有效波高為2.5 m，主要浪向為SE-SW向，SE-SW向頻率和為67.72%。綏中港區(qū)是葫蘆島港近期重點開發(fā)的港區(qū)，是遼寧沿海港口群的重要組成部分，目前,已建成的項目有直立式碼頭以及東、西圍堰和外海側(cè)部分西堤。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研與勘察，工程區(qū)已建西圍堰內(nèi)外側(cè)均有不同程度的破壞，同時港內(nèi)已有#101～#103泊位處波浪條件較為復雜，影響船舶停泊與作業(yè)條件。因此，需對港區(qū)目前泊穩(wěn)條件不佳的原因以及后期建設(shè)改善措施進行研究。

1 數(shù)據(jù)來源

2016年7月～2017年7月中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司在葫蘆島綏中港區(qū)附近放置聲學多普勒波浪剖面流速儀(俗稱“浪龍”) ，觀測1 a的波浪數(shù)據(jù)，包括波高、波向和波周期，數(shù)據(jù)時間間隔為3 h。同時進行了風和波浪的同步觀測，波浪觀測點40°02.766′N，120°08.571′E，水深-13.5 m，同期進行了風的觀測，風測站位置為40°04.6′N，120°07.3′E，數(shù)據(jù)間隔為1 h。

2 波浪特征分析

2.1 波浪的年特征

對實測波浪資料進行分析，常浪向為SSW向，頻率為20.92%，次常浪向為S向，頻率為18.73%，強浪向為SE向和SSE向，觀測到的十分之一大波為3.1 m，有效波高為2.5 m，此時波向為141°，有效波周期為6.2 s。主要浪向為SE-SW向，SE-SW向頻率和為67.72%，波玫瑰見圖2。年均有效波高為0.53 m。

圖2 波玫瑰圖(2016～2017年)Fig.2 Wave rose

該觀測點位于遼東灣西北部，西側(cè)為陸地，南側(cè)面對寬闊的渤海海區(qū)，東側(cè)面對較為寬闊的遼東灣海區(qū)，造成了偏南向波浪占優(yōu)的特點。由圖1可以看出等深線為東西走向，波浪折射作用使得偏S方向的波浪具有較大的頻率。

祁祥禮[1]利用實測資料對渤海灣中部波浪特性進行了分析，渤海灣中部常浪向為E向，頻率為13%，次常浪向為NE向。觀測位置處最大波高為5.46 m，最大波高時波周期為8.5 s，波向為29°。渤海灣中部西側(cè)為陸地，東側(cè)面對較為寬闊的渤海中部海區(qū)，等深線為WN-ES走向，波浪折射作用使得EN方向的波浪具有較大的頻率。孫連成[2]利用1972～1984年海洋石油七號平臺站的實測波浪資料對波浪特性進行分析，該站位于38°34′N，117°049′E，水深在-5 m等深線，四周開闊無遮擋物。波浪的主浪向為ENE-E方向，頻率占19.4%，也是該區(qū)的強浪來向，其次是NE及ESE向占14.5%。

2.2 波高周期的分布特性

觀測期間最大有效波高為2.5 m，最大有效波周期為6.2 s。對實測波浪資料中的波高每隔0.25 m進行分級，對周期每隔2 s進行分級，波高與周期聯(lián)合分布見表1和圖3。有效周期主要分布在2～4 s，頻率占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的頻率分別為15.1%、26.5%和23.4%。有效周期在4～6.5 s的頻率為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的頻率分別為7.1%、6.6%和6.8%。

圖3 波高與周期的聯(lián)合分布Fig.3 Distribution of wave height and period

表1 波高與周期的分布Tab.1 Distribution of wave height and period

依據(jù)汪炳祥、常瑞芳在風浪與涌浪的劃分判據(jù)[3]

β、δ、H、T和U分別代表波齡、波陡、波高(m)、周期(m)和風速(m/s)，只要同時滿足判據(jù)中的任意兩個就是涌浪。對海區(qū)實測資料波高、周期與風速進行分析計算，滿足兩者定義的涌浪頻率為35%，風浪頻率為65%，可見該海區(qū)以風浪為主。

2.3 波浪的季節(jié)變化特征

有效波高在不同季節(jié)和全年分頻分級的對比見表2。在不同季節(jié)中，小于0.5 m的小浪出現(xiàn)頻率均是最高，在春季出現(xiàn)的頻率最多為67.7%，波高小于1 m的頻率在春、秋和冬季均超過了90%，而大于1.5 m波高的頻率在全年出現(xiàn)的頻率僅為0.6%，只有夏季的時候出現(xiàn)超過2 m的波浪，觀測期間有效波高大于2.5 m的大浪在該地區(qū)沒有出現(xiàn)。

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

春季波高較小，最大有效波高為1.5 m，浪向為S向，春季主要浪向為SSE、S和SSW。常浪向為S向，頻率為28.4%，次常浪向為SSW，頻率為16.8%。夏季最大有效波高為2.5 m，浪向為SE向，夏季主要浪向為SSE、SSW和SW。常浪向為S向，頻率為19.7%，次常浪向為SSW，頻率為18.3%。秋季最大有效波高為1.8 m，浪向為ENE向，秋季波高大于1.5 m的頻率為12.2%。ENE和E向波高的頻率有所增加，主要浪向為ENE-SW。常浪向為E向，頻率為18.8%，次常浪向為SSW，頻率為17.7%。冬季最大有效波高為1.6 m，浪向為SW，主要浪向為ENE-SSW。常浪向為S向，頻率為18.9%，次常浪向為SSW，頻率為18.2%。

波浪的季節(jié)變化特性，秋季和冬季的時候偏E向的波浪頻率增大，在秋季的時候E向為常浪向，其它季節(jié)的常浪向均為S向。秋季時波高在0～0.5 m頻率較其它季節(jié)少， 0.5～1.0 m時頻率較其它季節(jié)多，秋季大部分波高略大于其它季節(jié)。

2.4 風的年特征和季節(jié)變化特征

年常風向為SW向，頻率為15.22%，次常風向為SSW向，頻率為13.94%，強風向為SW向，觀測到的最大風速為17.4 m/s。

春季風速最大值為16.2 m/s，風速大于10 m/s的頻率為6.1%，常風向為SSW向，頻率為17.7%，次常風向為SW向，頻率為15.1%。夏季風速最大值為17.4 m/s，風速大于10 m/s的頻率為3.5%，常風向為SSW向，頻率為18.8%，次常風向為S向，頻率為12.5%。秋季風速最大值為17.1 m/s，風速大于10 m/s的頻率為12%，常風向為NNW向，頻率為20.8%，次常風向為SW向，頻率為16.6%。冬季風速最大值為14.9 m/s，風速大于10 m/s的頻率為7.9%，常風向為NNW向，頻率為20%，次常風向為SW向，頻率為17.9%。

春夏季節(jié)的常風向為SSW向，秋冬季節(jié)的常風向為NNW向，秋季風速大于10 m/s的頻率最多。

2.5 大浪期間波浪成長與當?shù)仫L的關(guān)系

為了研究大浪時波浪與風的關(guān)系，選取了兩次典型的大浪過程進行分析，分別是2016 年7月21日和10月22日，為了更完整地研究波浪成長過程，將大浪發(fā)生的前后一段時間也包括在內(nèi)。圖6表示這兩次大浪過程中波高和風速的對比。

圖6 大風浪期間波高與風速過程Fig.6 Wave height and wind speed process during strong wind and wave

在第一個大浪過程中的7月19日17時左右，風速開始增大，至20日17時，風速增大到最大14.7 m/s，風向由偏SE向轉(zhuǎn)向偏ENE向，波高在風速的變化下逐步增大，但波高最大值有9 h的滯后，浪向為SSE-S-SE，風向與波向并不完全相同，但具有較高的一致性，在大浪期間有效波高和風速的相關(guān)性可達0.77(圖7)，具有較強的相關(guān)性。

在第一個大浪過程中的10月19日20時左右，風速開始增大，至20日5時，風速增大到第一個峰值15.5 m/s，風向由偏SSW向轉(zhuǎn)向偏N向，10月20日05時左右，波高也增大到最大有效波高1.8 m，浪向由SSW向轉(zhuǎn)向ENE向。10月22日11時左右，風速增大到第二個峰值17.1 m/s，風向為偏N向，10月22日05時左右，波高較風速提前6 h達到最大有效波高1.7 m，浪向主要是偏E向。在大浪期間有效波高和風速的相關(guān)性可達0.83(圖7)，具有較強的相關(guān)性。

圖7 風速和有效波高的關(guān)系Fig.7 Relationship between wind speed and effective wave height

3 波浪特性對附近港口的影響

葫蘆島港綏中港區(qū)位于遼寧省綏中縣，葫蘆島市的南部遼東灣[4-7]，西鄰秦皇島港，東臨葫蘆島港。目前已建成的項目有直立式碼頭，東、西圍堰和外海側(cè)部分西堤，現(xiàn)狀布置如圖8所示。工程區(qū)已建西圍堰內(nèi)外側(cè)均有不同程度的破壞[8-12](圖9)，同時港內(nèi)已有泊位處波浪條件較為復雜，影響船舶停泊與作業(yè)條件，碼頭泊穩(wěn)條件較差。

圖8 港區(qū)現(xiàn)狀平面布置 圖9 西圍堰破壞Fig.8 Current layout of port area Fig.9 Destruction of west cofferdam

3.1 圍堰破壞原因和泊穩(wěn)條件分析

2017年在交通運輸部天津水運工程科學研究所波浪港池中進行了波浪物理模型試驗[13-16]。選取模型幾何比尺為80，亦即波高比尺為80，周期比尺為8.94。分別對SE、SSE、S和SSW向波浪進行了模擬，根據(jù)試驗結(jié)果分析了圍堰破壞和泊穩(wěn)條件差的原因。

西圍堰斷面形式在港內(nèi)側(cè)是兩層塊石護坡，上層厚度為1.2 m、坡度為1:1.5的500～800 kg塊石，下層厚度為1 m、坡度為1:1.5的10～100 kg塊石，堤心石為1～500 kg開山石。港外側(cè)是厚度為4.3 m、坡度為1:1.5的200～600 kg塊石護坡。

在SE向浪作用下基本屬于開敞，SE向浪直接作用到西圍堰內(nèi)側(cè)，波浪在已建直立碼頭前發(fā)生反射，強浪向為SE向和SSE向，重現(xiàn)期50 a極端高水位下，西圍堰內(nèi)側(cè)最大H13%為4.17 m，通過規(guī)范公式計算塊石的穩(wěn)定重量遠遠超過500～800 kg，是西圍堰結(jié)構(gòu)破壞的主要原因。

工程區(qū)常浪向為SSW向，次常浪向為S向，強浪向為SE向和SSE向，工程區(qū)主要受SE、SSE、S、SSW和SW向浪的影響，5個方向發(fā)生的頻率總和為67.72%。已建碼頭受SSE、S和SSW向浪作用年損失作業(yè)天數(shù)較多，是現(xiàn)場泊穩(wěn)條件較差的主要原因?；?016年7月至2017年7月歷時1 a工程海域?qū)崪y波浪資料分析出的年波浪分頻分級，對不同浪向年損失作業(yè)天數(shù)進行了分析，已建碼頭年損失作業(yè)天數(shù)最多接近70 d，這與現(xiàn)場泊穩(wěn)條件的實際情況基本一致。

3.2 泊穩(wěn)條件改善措施研究

為改善港區(qū)的泊穩(wěn)條件，需加強對主要浪向作用下的掩護。根據(jù)現(xiàn)狀情況下試驗結(jié)果和近期規(guī)劃，對已建海側(cè)防波堤延長50 m+480 m，平面布置見圖10-a，防波堤延長對SSW、S和SSE向浪的掩護效果增強，碼頭前波高均有不同程度的減小。在S向浪作用下已建碼頭前H4%由2.66 m減小到1.42 m，年損失作業(yè)天數(shù)由67 d降低到了18 d，可見海側(cè)防波堤的延長可有效改善碼頭前的泊穩(wěn)條件。

二期工程在西圍堰處建立直立式碼頭，平面布置見圖10-b，由于波浪在直立式碼頭間的來回反射作用，港內(nèi)波高有所增大，港內(nèi)波況進一步惡化。在SE向浪作用下，二期碼頭與已建碼頭夾角處波能集中，重現(xiàn)期50 a波高最大為5.75 m，由于直立碼頭的反射，已建碼頭前波高也有所增大。已建碼頭前年損失作業(yè)天數(shù)由18 d增大到39 d。

針對二期碼頭建設(shè)后港內(nèi)波況進一步惡化的情況，進行了以下工程措施的改善，首先對東圍堰進行延長，其次是在東圍堰延長處修建SE走向臨時堤，見圖10-c。東圍堰的延長只是對SE向浪作用下已建碼頭的東側(cè)前局部區(qū)域有所掩護，對SSW、S和SSE掩護效果反而變差，是因為圍堰的延長更不利于進行港內(nèi)波能的消散。在圍堰延長處修建SE走向臨時堤，對SSW向浪的作用影響不大；對于S向浪作用下，已建碼頭東側(cè)端部的掩護有較大改善；對SE和SSE向浪作用整個港內(nèi)波高均有不同程度的減小，已建碼頭東側(cè)端部年損失作業(yè)天數(shù)由41 d降低為17 d。

已建碼頭和二期碼頭均采用直立式沉箱結(jié)構(gòu)，波浪在碼頭間發(fā)生來回發(fā)射，在碼頭夾角處發(fā)生波能集中，對二期碼頭采用開孔沉箱結(jié)構(gòu)，開孔情況見圖10-d。從試驗結(jié)果來看，二期碼頭采用開孔沉箱后，碼頭前波高可減小20%～30%。試驗是在設(shè)計高水位、無船只?？康那闆r下進行的，在不同水位和船只?？壳闆r下開孔沉箱的實際消浪效果會和試驗存在一定的差異。

4 結(jié)論

基于遼東灣西北部2016年7月到2017年6月1 a的風和波浪觀測數(shù)據(jù)，分析波浪特征。結(jié)論如下：(1)常浪向為SSW向，頻率為20.92%，次常浪向為S向，頻率為18.73%，強浪向為SE向和SSE向，觀測到的十分之一大波為3.1 m，有效波高為2.5 m，有效波周期為6.2 s。(2)波浪的季節(jié)變化特性，秋季和冬季的時候偏E向的波浪頻率增大，在秋季的時候E向為常浪向，其它季節(jié)的常浪向均為S向。秋季時波高在0～0.5 m頻率較其它季節(jié)少， 0.5～1.0 m時頻率較其它季節(jié)多，秋季大部分波高略大于其它季節(jié)。有效周期主要分布在2～4 s，頻率占70.39%，其中有效波高在0.25～0.50 m頻率最多為 26.5%。有效周期在4～6.5 s的頻率為27.58%，其中有效波高在1.0～1.25 m的頻率最多為6.8%。(3)工程區(qū)常風向為SW向，頻率為15.22%，次常風向為SSW向，頻率為13.94%，強風向為SW向，觀測到的最大風速為17.4m/s。春夏季節(jié)的常風向為SSW向，秋冬季節(jié)的常風向為NNW向，秋季風速大于10 m/s的頻率最多。(4)大浪期間波浪成長與當?shù)仫L的關(guān)系，在大浪發(fā)生期間，波高和風速有較高的相關(guān)性，可以直接利用預報風場對波高做出合理的預報。(5)遼東灣西北部的綏中港區(qū)來說，主要受SE-S-SW向波浪的影響，而這幾個方向的波浪頻率超過了60%，因此工程上宜采取延長已有的外海堤、修建臨時堤和對波能集中處采用局部開孔沉箱布置等措施來有效改善泊位前波況，減少損失作業(yè)天數(shù)，提高泊穩(wěn)條件。