海景路護岸工程波浪數值模擬分析

【摘? ? 要】：為解決海岸護岸工程不同重現期的設計波要素計算問題，以榮成市好運角旅游度假區海景路護岸工程為研究對象，根據成山頭海洋站數據風、浪資料，結合ECMWF（歐洲中長期天氣預報中心）后報長期風、浪資料，采用第三代海浪模式SWAN模型計算得到擬建護岸設計波浪要素，并對結果進行統計分析。結果表明，工程海域各點位的波況受深水重現期波高影響，重現期越長的波浪對工程海域各點位影響越大；防波堤的建設主要受到E、SE、S向波浪影響；工程點波況受水位影響較大。

【關鍵詞】：海景路；護岸工程；波浪

【中圖分類號】：U656.3【文獻標志碼】：C【文章編號】：1008-3197（2024）01-35-05

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.01.011

收稿日期：2023-02-06

作者簡介：李海（1988 - ）， 男， 山東煙臺人， 工程師， 從事港口航道工程設計工作。

Numerical Simulation Analysis of Waves in the Ocean View Road

Revetment Project

LI Hai

（Shandong Gangtong Engineering Management Consulting Co. Ltd. ， Yantai 264000，China）

【Abstract】：In order to solve the problem of calculating the design wave elements of the coastal revetment project at different return periods， this study takes the revetment project at ocean view Road， Yunyunjiao Tourism Resort， Rongcheng City as the research object， through the wind and wave data of Chengshantou Ocean Station， and combines the long-term wind and wave data of ECMWF （European Center for Medium and Long-term Weather Prediction）， and calculates the design wave elements of the proposed revetment using the third generation wave model SWAN model， the results were statistically analyzed. The results show that the wave condition of each engineering sea area point is affected by the wave height in the deep water return period， and the longer the return period， the greater the impact of the wave on each engineering point in the engineering sea area. The construction of the breakwater is mainly affected by the waves in E， SE and S directions. The wave condition of the project points is greatly affected by the water level.

【Key words】：ocean view road;coastal revetment project;wave mathematical model

隨著全球氣候變化和海平面上升的趨勢日益明顯，沿海地區面臨著愈發嚴重的自然災害風險。為了保護沿?；A設施和居民的生活安全，護岸工程建設越來越重要。護岸直接面臨海洋波浪的沖擊和沖蝕，極易導致坡體固體顆粒被沖刷，土體抗剪強度降低，發生崩岸。為了提高護岸工程的穩定性，掌握工程場區波浪條件和計算海域波浪高度顯得尤為重要。

王科華等[1]運用波浪特征參數法分析了2個海外工程項目的波浪能量頻譜，指出全頻譜的波浪特征參數有利于認識波浪的流速流向；林毅輝等[2]基于水文觀測資料，使用皮爾遜曲線對崇武西沙灣的設計波浪要素進行計算，指出近岸波浪高度與海岸地質條件和反射系數有關；陳漢寶等[3]基于SWASH模型，對島礁系統在人工修筑堤壩后的波浪傳播特征進行研究，指出堤壩的長度越大，斷面內波浪越高，礁坪特征斷面內的波高不受堤壩修筑的影響。

本文以榮成市好運角旅游度假區海景路護岸工程為研究對象，基于SWAN風浪模型，采用數值模擬對工程場區不同波浪重現期的波浪要素進行研究。

1 工程概況

榮成市好運角旅游度假區海景路護岸工程南向面海，岸東接已建成海景路護岸，西至松埠嘴村南側，共建設護岸長度1 945.85 m，其中直立式護岸324.49 m、斜坡式護岸1 621.36 m。為掌握工程場區的波浪條件，根據附近波浪及氣象資料，結合工程建設方案，通過建立波浪數學模型確定工程場區附近波浪傳播規律，推算工程海域不同重現期的波浪條件。

工程場區附近的成山頭海洋站（地理坐標為37°47′N、122°42′E），進行過多年的連續風速及波況觀測。測波浮筒放置在成山角的南面，對成山頭外偏S—E方向的波浪具有較好的代表性；觀測點距工程區較近，波浪狀況與工程場區海域基本相似，可以較好地描述工程場區設計波要素的基本情況?；谝陨蠗l件，對成山頭的波浪數據進行設計波要素計算；同時根據ECMWF（歐洲中長期天氣預報中心）的后報長期（20 a以上，本次為1998—2018年）風浪資料，采用第三代海浪模式SWAN模型計算到工程深水區，將推算結果與成山頭測站觀測結果進行對比和修正，以確定工程海域的設計波要素。

2 工程海域風場條件及波浪條件

2.1 工程海域風場條件

工程場區屬于東南亞季風區，受北半球中緯度高空盛行西風帶的控制，西風帶的天氣和氣候特色較為明顯，加之受歐亞大陸和太平洋的綜合影響，季風氣候特點十分突出。

成山頭海洋站位于山東半島的東北角，根據1961—2009年分方向的年極值風速資料統計，該海域出現的最大風速為40 m/s，為SSE方向；N—NE向也均出現34 m/s的大風。成山頭海洋站累年以N向風最多，全年累計頻率為16%；其次為SSW向風，全年累計頻率為13%；E、ESE向風最少，全年累計頻率只有1%。四季各向風分布趨勢是冬季（1月）偏北（NNW—NNE向）風最多，各向頻率和為52%；夏季（7月）偏南（SSE—SSW向）風最多，各向頻率和為56%。各季里偏東風和偏西風都很少，尤其是偏東風，春、夏季最多時頻率也不超過2%，而冬季（1月）E、ESE兩向頻率均＜0.5%。見表1。

成山頭海洋站多年平均風速6.5 m/s，平均風速的季節分布趨勢為冬季較大，各月平均風速多居于7.3～7.7 m/s范圍內；夏季平均風速較小，都在5.5 m/s以下，其中8月為全年風速最小的月份，僅4.9 m/s。春、秋季的平均風速除個別月外，均接近年平均風速。見表2。

全年以NW、N及SSE向風速最大，均為34 m/s。累年平均大風日數為126.7 d，累年平均風力≥8級的大風日數以冬季最多，占全年的38%；春季次之，占全年的27%；夏季最少，只占全年的10%。

2.2 工程海域波浪條件

成山頭海浪觀測點海面開闊視野范圍155°，測波浮筒在測波室南面（168°），距測波室水平距離465 m左右，測波浮筒處水深約14.8 m。由于西面、北面風區較短且受龍須島影響，W—N向之間的風浪很難觀測到，而此向涌浪則更為罕見。

全年風浪以SSE向最多，頻率為11%。由于風向隨季節變化顯著，故風浪向也隨季節變化有明顯差異。由于冬季盛行偏北風，故11月至轉年3月偏北風向的風浪最多，其中尤以1月最甚，1月NW—NNE—NE 的風浪向占該月各風浪向（不包括C向）的77%；夏季則盛行偏南風，故4—8月偏南向的風浪最多，其中尤以6月份最甚，6月SSE、S、SSW3個方向上的風浪占該月各風浪向（不包括C向）的65%。

由于波浪測點在偏南方向上海面最為開闊，W—N向受陸地影響，不宜產生該方向的涌浪；故涌浪方向多為向岸向，全年以S向的涌浪最多，頻率為6%。涌浪的季節變化也很明顯，冬季各月涌浪頻率為9%～11%；夏季則為25%～42%，尤以7月的涌浪出現頻率最多，占該月總觀測次數的42%。

各月平均波高0.3～0.5 m，夏季較冬季大，但年變化不十分明顯。從各向平均波高來看，由于在E—SE—S向上海面較開闊，風區較長，所以平均波高較大，均在0.6～1.1 m之間，以SE向和ESE方向的平均波高最大。各向最大波高的分布與各向平均波高的分布相似，ESE—SE向上的最大波高為5.6 m，1/10大波平均波高H1/10為5.2 m；SE向上的最大波高為5.1 m，H1/10為4.4 m；其他方向上的最大波高均＜4.0 m。

波浪周期年變化與波高的年變化相似，夏季較大、冬季較小。例如8月平均周期為2.7 s，是全年最大月；12月平均周期為1.3 s，是全年最小月。各向平均周期的分布也同各向的平均波高的分布相似，向岸向較大，E—SE—S向上平均周期在3.4～5.1 s之間，其他各向均在2.6 s以下。

3 波浪分析數學模型

在直角坐標系中，SWAN風浪模型的動譜平衡方程[4]

式中：σ為波浪的相對頻率；θ為波向；Cx、Cy為x、y方向的波浪傳播速度，Cσ、Cθ為σ、θ空間的波浪傳播速度。

式（1）中Cx、Cy、Cσ、Cθ的計算方法 [5～6]

式中：[k=（kx，ky）]為波數；d為水深；[U=（Ux，Uy）]為流速；s為沿θ方向的空間坐標；m為垂直于s的坐標；算子[?/?t]定義為[?dt=?dt+C·?x，y]。

4 波浪數值模擬結果分析

由于本工程為直立式、斜坡式護岸兩種且跨度較長，故對不同位置、不同波向、不同重現期、不同水位采用SWAN模型進行工程區的波浪分布計算分析。計算方向為E、SE、S；計算重現期為50、25、5 a；計算水位為極端高水位、設計高水位和設計低水位。通過波浪場數值模擬，計算共計3×3×3=27種波浪場分布，計算各波向、不同水位條件下各計算點的設計波浪要素（1%最大波浪高度H1%、13%最大波浪高度H13%），限于篇幅，列出極端高水、設計高水位和設計低水位在E向的波高等值線分布。見圖1-圖4和表3。

5 結論

1）工程海域各點位波況受深水重現期波高的直接線性影響，重現期越長的波浪對工程海域各點位影響越大；S向波浪受地形折射影響，向SSE方向偏轉；E向波浪受繞射影響，向SE方向偏轉。

2）通過對工程區的設計波要素進行計算可以看出，防波堤的建設主要受到E、SE、S向波浪影響；極端高水位下，防波堤外側P3點50 a一遇的設計波要素H1%為3.443 m。

3）工程點波況受水位影響較大，相同條件下，工程各點受波浪影響，高水位明顯大于低水位；設計低水位情況下，水深較淺，存在波浪破碎現象，部分大波破碎，不同條件下的波高數值相差較??；本工程極端低水位較低，工程處水深較淺故不考慮波浪影響。

參考文獻：

[1]王科華，任趙飛，周智鵬，等.工程海域波浪特征分析方法比較[J].海洋工程，2022，40（3）：149-158.

[2]林毅輝，鄭藝妃，潘偉然，等.西沙灣工程波浪推算及波浪場數值模擬[J].應用海洋學學報，2020，39（1）：80-86.

[3]陳漢寶，鐘? ? 生，陳松貴，等.筑堤影響下島礁三維波浪傳播變形規律SWASH數值模擬研究[J].水運工程，2022，（8）：9-16+23.

[4]王昊，張慈珩，劉海源，等.越南茶榮沿海港口波浪三維整體物理模型穩定性研究[J].水運工程，2022，（12）：62-67.

[5]譚忠華，陳漢寶，楊會利，等.拋石堤長周期波浪透浪作用及對碼頭系泊條件的影響[J].水運工程，2019，（7）：59-65+104.

[6]丁磊，于博.SWAN模型中不同風拖曳力系數對風浪模擬的影響[J].海洋學報，2017，39（11）：14-23.