張婕，梁穎瑜，于蕓

（自然資源部東海預(yù)報(bào)減災(zāi)中心，上海 200136）

0 引言

波浪是海洋水文特征要素之一，是岸灘演變、海港和海岸工程重要的動(dòng)力因素和作用力。在較為開闊的海域環(huán)境，港區(qū)的系泊船舶因波浪的變化會(huì)產(chǎn)生較大幅度擺動(dòng)，這種擺動(dòng)不僅對(duì)裝卸作業(yè)造成一定困難，還可能會(huì)影響近岸水工結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定性，從而發(fā)生較為嚴(yán)重事故。這種事故在我國(guó)都曾發(fā)生過：例如寶鋼馬跡山港、大連港萬噸礦石專用碼頭等都發(fā)生過多次斷纜事故，其原因均為波浪使系泊船劇烈擺動(dòng)所致。由此可見港區(qū)的波浪條件對(duì)船舶停泊安全有著重要影響。

洋山深水港是世界上最大的海島型深水人工港，是上海建設(shè)國(guó)際航運(yùn)中心的重要戰(zhàn)略基地。洋山深水港自2002 年開工建設(shè)以來，已逐漸完成了一期到四期碼頭建設(shè)與圍海造地工程，為了增加碼頭船舶泊位，擬在小洋山北側(cè)開發(fā)區(qū)外側(cè)建設(shè)防波堤，對(duì)碼頭形成較好的掩護(hù)條件，形成環(huán)抱式港池。而碼頭的作業(yè)天數(shù)作為海港碼頭設(shè)計(jì)中的重要指標(biāo)，直接影響到防波堤的平面布置方案、碼頭噸級(jí)、結(jié)構(gòu)選型等諸多方面問題[1]。

曹兵等[2]根據(jù)臨港新城海域連續(xù)1 a 的波浪實(shí)測(cè)資料，對(duì)該海域波浪影響下的不利作業(yè)天數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。柴雪琴[3]利用SWAN 波浪模型及洞頭站1 a 的氣象資料反推了甌飛北片港區(qū)的泊穩(wěn)條件，得到各泊位不同噸級(jí)船型對(duì)應(yīng)的作業(yè)天數(shù)，為碼頭工程建設(shè)方案提供科學(xué)依據(jù)。丁兆寬等[4]采用了MIKE21 軟件建立波浪模型數(shù)學(xué)模型，討論了不同的平面布置下港區(qū)內(nèi)的泊穩(wěn)條件。張素等[1]通過建立波浪觀測(cè)站點(diǎn)與碼頭前沿水域的波浪關(guān)系，進(jìn)而對(duì)波浪影響作業(yè)天數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)?？梢姡脭?shù)學(xué)模型結(jié)合實(shí)際觀測(cè)資料來統(tǒng)計(jì)波浪影響下碼頭的作業(yè)天數(shù)是目前最常用的方法。

本文收集了小洋山北側(cè)楊梅嘴觀測(cè)站15 a 的觀測(cè)資料，通過建立波浪數(shù)學(xué)模型，采用張素等[1]提出的作業(yè)天數(shù)統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)洋山港北側(cè)作業(yè)區(qū)碼頭的作業(yè)天數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，為規(guī)劃部門優(yōu)化防波堤的平面布置提供參考。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

為了增加洋山深水港碼頭船舶泊位，擬在小洋山北側(cè)建設(shè)防波堤對(duì)碼頭進(jìn)行掩護(hù)。由于小洋山中部有輸油管道通過，因此防波堤的形式為東西兩段，在中間進(jìn)行截?cái)嘣O(shè)計(jì)，左側(cè)堤長(zhǎng)3 000 m，右側(cè)堤長(zhǎng)3 500 m，中部管道口寬420 m。具體形式見圖1。

圖1 防波堤布置方案Fig.1 Layout plan of breakwater

1.2 碼頭作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

影響碼頭作業(yè)的自然條件有很多，波浪、風(fēng)速、降雨、大霧等等，由于本文主要研究該工程前期設(shè)計(jì)階段的碼頭方案比選，因此只討論波浪的影響。工程海域主要以風(fēng)浪為主，涌浪出現(xiàn)頻率較小[5]，根據(jù)JTS 165—2013《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]和碼頭建設(shè)需求，本文主要討論波浪小于0.4 m 和波浪小于0.6 m 的情況。

1.3 工程海域波浪資料

收集了小洋山碼頭西北方向的楊梅嘴觀測(cè)站1997—2012 年的波浪歷史資料，統(tǒng)計(jì)得到楊梅嘴觀測(cè)站波浪頻率分布表，由于觀測(cè)站點(diǎn)觀測(cè)為H4%波高，在此轉(zhuǎn)化為有效波高Hs（表1）。

表1 楊梅嘴觀測(cè)站波浪頻率分布表Table1 Wave frequency distribution at Yangmeizui Observation Station %

2 碼頭作業(yè)天數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.1 統(tǒng)計(jì)方法

根據(jù)張素等[1]文中闡述，本統(tǒng)計(jì)方法重要的一點(diǎn)就是計(jì)算碼頭前沿某波向波高與觀測(cè)站點(diǎn)的關(guān)系系數(shù)，且推薦采用2 a 一遇的比波高作為關(guān)系系數(shù)，公式為：

式中：H碼頭前沿為碼頭前沿允許作業(yè)波高，本文取0.6 m 和0.4 m 分別進(jìn)行計(jì)算；H測(cè)點(diǎn)為測(cè)波點(diǎn)處允許波高，本文指楊梅嘴站波高。

根據(jù)式（1），可由碼頭前沿允許作業(yè)波高求得波浪觀測(cè)點(diǎn)處的波高，根據(jù)波浪觀測(cè)點(diǎn)處（楊梅嘴）的頻率統(tǒng)計(jì)資料，統(tǒng)計(jì)超過H測(cè)點(diǎn)的波高出現(xiàn)頻率，最終得到波浪影響作業(yè)天數(shù)。

根據(jù)以上方法，本文需要建立波浪數(shù)學(xué)模型先來獲得碼頭前沿水域2 a 一遇的比波高，進(jìn)而求得影響作業(yè)天數(shù)。

2.2 模型介紹

2.2.1 模型選擇

由于防波堤的存在，碼頭內(nèi)波浪發(fā)生折射、反射和繞射等現(xiàn)象，計(jì)算精度要求高，采用目前國(guó)內(nèi)外海浪計(jì)算廣泛應(yīng)用的第三代海浪數(shù)值計(jì)算模型SWAN 進(jìn)行計(jì)算。

SWAN 模型為基于能量平衡方程的譜模式，其基本控制方程為波作用量守恒方程：

式中：N為作用量密度；σ 為相對(duì)頻率；θ 為波向；方程左邊第1 項(xiàng)代表作用量密度隨時(shí)間的變化率；第2 項(xiàng)和第3 項(xiàng)代表作用量密度在幾何空間的傳播（以Cx和Cy為傳播速度）；第4 項(xiàng)代表流和變化的水深引起的頻移（以Cσ為傳播速度）；第5 項(xiàng)代表由流和變化的水深引起的折射和變淺作用（以Cθ為傳播速度）；S為能量源項(xiàng)。

在球坐標(biāo)系中，空間坐標(biāo)以經(jīng)度λ 和緯度φ表示。

模型主要考慮波浪在近岸的物理過程，包括風(fēng)能量的輸入、底摩擦能量損耗、波浪破碎、波波相互作用、白帽耗散、折射、水流對(duì)波浪的作用、波浪繞射等。

2.2.2 模型邊界波要素

模型輸入邊界采用JONSWAP 譜，波要素采用楊梅嘴觀測(cè)站分方向（8 方位統(tǒng)計(jì)）的2 a 一遇H4%波高（P-Ⅲ曲線），波周期采用波高-波周期線性相關(guān)統(tǒng)計(jì)計(jì)算而得（波周期采用1997—2012年觀測(cè)的大于0.5 m 的波高與波周期線形擬合得出：T=1.693Hs+2.077）[7]，見表2。

表2 楊梅嘴2 a 一遇波浪要素Table 2 Wave elements of 2-year return period at Yangmeizui Observation Station

由于楊梅嘴觀測(cè)站位于工程附近，模型輸入未考慮風(fēng)的作用及相關(guān)的物理耗散。

2.2.3 模型設(shè)置

模型采用矩形網(wǎng)格，模型空間分辨率為20 m，網(wǎng)格數(shù)為1 000×1 000。由楊梅嘴的實(shí)測(cè)資料分析，在小洋山北側(cè)，工程需要抵御的波浪為NW、N、NE、E 4 個(gè)方向。因此，為了有利于模型邊界條件輸入，本文采用2 套網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。其中N 向和E 向，采用圖1 所示范圍，以小洋山為中心，東西和南北向各取20 km；NW 向和NE向采用圖2 所示范圍，東北和西南向各取20 km。

圖2 NE 和NW 方向計(jì)算區(qū)域Fig.2 Calculation area in NE and NW

2.3 計(jì)算結(jié)果

如圖3 所示，取碼頭前沿A-J10 個(gè)采樣點(diǎn)波要素計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

圖3 泊位區(qū)波浪結(jié)果提取區(qū)段位置示意圖Fig.3 Location diagram of wave data extractions sections in berth area

根據(jù)式（1），用數(shù)值計(jì)算結(jié)果得到的每個(gè)碼頭的比波高（見圖4），也就是關(guān)系系數(shù)，結(jié)合泊位要求波高H碼頭前沿（≤0.4 m，≤0.6 m），計(jì)算出H測(cè)點(diǎn)；根據(jù)表1 統(tǒng)計(jì)出各泊位各方向大于H測(cè)點(diǎn)的頻率之和，乘以365 d，最終計(jì)算得出各泊位的年不可作業(yè)天數(shù)。

圖4 原始方案相對(duì)波高分布Fig.4 Relative wave height distribution in original scheme

由表3 可見，在原始方案下，只有A 點(diǎn)處碼頭在0.4 m 波浪條件下不可作業(yè)天數(shù)大于30 d（33.9 d），其余各個(gè)碼頭的不可作業(yè)天數(shù)均小于30 d。

表3 各區(qū)段不可作業(yè)天數(shù)統(tǒng)計(jì)（原始設(shè)計(jì)方案）Table 3 Statistics of non-operational days（original design scheme）

3 補(bǔ)充方案應(yīng)用

根據(jù)本工程平面布置方案，各區(qū)段滿足30 d以下不可作業(yè)仍有富足，為了減少工程造價(jià)，節(jié)約工程成本，同時(shí)驗(yàn)證本文方法的可行性，本文在原始方案基礎(chǔ)上進(jìn)一步討論了防波堤縮短方案，包含防波堤左側(cè)分別縮短300 m、600 m 和右側(cè)縮短300 m 的方案，計(jì)算不可作業(yè)天數(shù)，見表4—表9?？梢?，如要求碼頭作業(yè)波浪小于0.4 m，則縮短防波堤方案對(duì)不可作業(yè)天數(shù)影響較大，防波堤左側(cè)縮短300 m 時(shí)，已經(jīng)有4 個(gè)區(qū)段大于30 d不可作業(yè)，當(dāng)左側(cè)防波堤繼續(xù)縮短后，增加到6個(gè)區(qū)段大于30 d 不可作業(yè)。值得注意的是中間F區(qū)段，由于其處于中心但無防波堤防護(hù)處，所以防波堤縮短方案對(duì)其影響較大。對(duì)于小于0.6 m的波浪，縮短防波堤方案幾乎全部可以滿足小于30 d 的不可作業(yè)時(shí)間。

表4 各區(qū)段波浪小于0.4 m 不可作業(yè)天數(shù)統(tǒng)計(jì)（防波堤左側(cè)縮短300 m）Table 4 Statistics of non-operational days in various sections when wave height is less then 0.4 m（with breakwater cut short by 300 m on the left side）

表5 各區(qū)段波浪小于0.4 m 不可作業(yè)天數(shù)統(tǒng)計(jì)（防波堤左側(cè)縮短600 m）Table 5 Statistics of non-operational days in various sections when wave height is less then 0.4 m（with breakwater cut short by 600 m on the left side）

表6 各區(qū)段波浪小于0.4 m 不可作業(yè)天數(shù)統(tǒng)計(jì)（防波堤右側(cè)縮短300 m）Table 6 Statistics of non-operational days in various sections when wave height is less then 0.4 m（with breakwater cut short by 300 m on the right side）

表7 各區(qū)段波浪小于0.6 m 不可作業(yè)天數(shù)統(tǒng)計(jì)（防波堤左側(cè)縮短300 m）Table 7 Statistics of non-operational days in various sections when wave height is less then 0.6 m（with breakwater cut short by 300 m on the left side）

表8 各區(qū)段波浪小于0.6 m 不可作業(yè)天數(shù)統(tǒng)計(jì)（防波堤左側(cè)縮短600 m）Table 8 Statistics of non-operational days in various sections when wave height is less then 0.6 m（with breakwater cut short by 600 m on the left side）

表9 各區(qū)段波浪小于0.6 m 不可作業(yè)天數(shù)統(tǒng)計(jì)（防波堤右側(cè)縮短300 m）Table 9 Statistics of non-operational days in various sections when wave height is less then 0.6 m（with breakwater cut short by 300 m on the right side）

4 結(jié)語

1） 本文采用SWAN 波浪計(jì)算模型，搭建了針對(duì)洋山港擬建防波堤的波浪數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)楊梅嘴觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)分析，確定了影響工程區(qū)域的主要波浪方向?yàn)镹W、NE、E 和N 共4 個(gè)方向。

2） 基于搭建的數(shù)學(xué)模型和主要波浪方向，采用2 套計(jì)算網(wǎng)格，計(jì)算2 a 一遇的波浪入射條件下洋山港碼頭前沿的波浪分布情況。根據(jù)模型計(jì)算波高和入射波高的比值，求得碼頭處的相對(duì)波高。以碼頭處允許作業(yè)波高（0.4 m 和0.6 m）為基準(zhǔn)，反向推導(dǎo)出實(shí)測(cè)站點(diǎn)的允許作業(yè)波高，結(jié)合實(shí)測(cè)站點(diǎn)的頻率統(tǒng)計(jì)，最終求得碼頭處不可作業(yè)天數(shù)。

3） 本文針對(duì)洋山港擬建碼頭處不可作業(yè)天數(shù)的統(tǒng)計(jì)研究，證明采用波浪數(shù)學(xué)模型建立波浪觀測(cè)站點(diǎn)和碼頭前沿波浪的關(guān)系，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)波浪影響作業(yè)天數(shù)的方法有效可靠，可為同類項(xiàng)目前期設(shè)計(jì)提供參考。