應(yīng)用MIKE 21 BW模型分析航道對波浪傳播的影響

徐俊鋒，方春明，黃烈敏，凃 洋

（中國水利水電科學(xué)研究院 泥沙研究所，北京 100048）

波浪是海洋中最常見的現(xiàn)象之一，是影響港口結(jié)構(gòu)物安全的主要因素。波浪在傳播過程中遇到結(jié)構(gòu)物、變化的地形會(huì)發(fā)生反射、折射、繞射等現(xiàn)象。港口工程中，通常建造防波堤來掩護(hù)港池內(nèi)部不受波浪的直接作用，并開挖港池和航道以滿足船舶的通行和使用要求。由于開挖航道處的水深突然發(fā)生變化，波浪傳播到此處時(shí)發(fā)生明顯的折射現(xiàn)象。在不同的條件下，航道對波浪的折射作用不同，航道內(nèi)外波高變化也不同。比如，在波浪入射方向與航道方向平行時(shí)，直接傳播進(jìn)入港池內(nèi)部的波浪發(fā)生明顯衰減，這對港內(nèi)泊穩(wěn)是有利的，但是被航道折射出去的波浪和航道外的波浪疊加，發(fā)生波能集聚，使某些區(qū)域的波高增大而發(fā)生結(jié)構(gòu)物被破壞的現(xiàn)象；當(dāng)波浪與航道成一定角度入射時(shí)，航道外的波能集聚現(xiàn)象會(huì)減弱，但航道對航道內(nèi)部波浪的衰減作用會(huì)減弱，通過航道進(jìn)入港池內(nèi)的波能會(huì)增大。因此在港口工程中必須考慮航道對波浪傳播的影響。

近些年來，中國的港口工程建設(shè)在蓬勃發(fā)展，越來越多的港口在擴(kuò)建，已有的航道和港池都需要加深開挖，因此航道對波浪傳播的影響引起了越來越多專家學(xué)者的重視。航道對波浪傳播影響的研究通常采用數(shù)值模型的方法，例如基于拋物線緩坡方程的方法［1］，基于Boussinesq方程的方法［2］以及物理模型和數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的方法［3］，同樣成熟的數(shù)學(xué)模型軟件在研究中也發(fā)揮了很大的作用，例如趙海濤等人采用SWAN模型分析航道對波浪傳播的影響［4］，趙智幫等人采用MIKE 21模型進(jìn)行了初步研究［3］。由于缺乏航道和港池的詳細(xì)資料本文采用了概化的航道和港池，研究的重點(diǎn)是通過改變航道參數(shù)進(jìn)行各因素計(jì)算分析，這一概化模型在一定程度上可以反映出航道對波浪傳播的影響。

MIKE 21 BW波浪模型由丹麥DHI開發(fā)，模型基于Madsen和S?rensen［5］提出的改進(jìn)的Boussinesq方程數(shù)值解，經(jīng)過多年的驗(yàn)證和比較，BW模塊可以很好的計(jì)算和分析港口、碼頭等小面積波浪場中的中短、長周期波的相互作用，淺水變形、折射、繞射和反射等各種波浪現(xiàn)象。由于BW模型的精確性高，被廣泛的應(yīng)用在港口泊穩(wěn)的數(shù)值計(jì)算上，模型控制方程見文獻(xiàn)［6］。

航道內(nèi)外水深比的變化一般由兩個(gè)原因造成的，一種是人工改變開挖航道的水深，另一種是水位的變化。一般情況下，在工程建好后不會(huì)人工改變航道的開挖深度，因此最主要的影響水深比變化的因素就是水位的變化。水位升高使航道內(nèi)外水深比減小，水位降低使水深比增大。模型設(shè)置為：航道寬280m，航道邊坡1∶32，設(shè)計(jì)波高Hs=3m，譜峰周期Tp=9s，工程區(qū)水深為10m，航道開挖水深為15m，計(jì)算域約5km×4km，計(jì)算網(wǎng)格尺寸為4m×4m。防波堤前反射系數(shù)設(shè)為0.5。入射波采用多向不規(guī)則波，分別從W向和WSW向入射，多向波與主波向的最大偏差為30°。造波線位置距離口門約3.2km。分別在距離造波線1km、2km、3km處以及港池內(nèi)部靠近口門的位置各取一點(diǎn)作為測點(diǎn)，模擬地形及測點(diǎn)位置見圖1。計(jì)算水位分別為0m、3m和5m，相應(yīng)航道內(nèi)外水深比分別為1.5、1.38和1.33。

圖2、表1分別為不同工況下計(jì)算域內(nèi)有效波高分布圖以及航道內(nèi)外不同水深比條件下測點(diǎn)的比波高值。從圖2可以看出，隨著水位的增加，水深比減小，航道對波浪的折射作用減弱，通過航道進(jìn)入港池的波能逐漸增加。根據(jù)表1的結(jié)果，各測點(diǎn)的比波高隨水深比的減小而增大。這說明航道內(nèi)外水深比越大，航道對波浪的折射作用越強(qiáng)，航道內(nèi)波能衰減越強(qiáng)，通過航道直接進(jìn)入港池的波能就越少；相反，航道內(nèi)外水深比越小，通過航道進(jìn)入港池內(nèi)的波能越多。

表1 不同航道內(nèi)外水深比條件下的各測點(diǎn)比波高值

計(jì)算航道寬度對波浪傳播的影響時(shí)模型的入射波浪和模型輸入?yún)?shù)、計(jì)算域范圍、入射和測點(diǎn)位置與上相同。圖3、表2分別為不同工況下計(jì)算域內(nèi)有效波高分布圖以及航道不同寬度條件下測點(diǎn)的比波高值。從圖3可以看出，由于航道寬度逐漸增加，航道對波浪的折射作用減弱，通過航道進(jìn)入港池的波能逐漸增加。根據(jù)表2的結(jié)果，各測點(diǎn)的比波高隨航道寬度的增大而增大。這說明航道越寬，航道對波浪的折射作用越弱，通過航道直接進(jìn)入港池的波能就越多；相反，航道越窄，航道對波浪的折射作用越強(qiáng)，通過航道進(jìn)入港池內(nèi)的波能越少。

表2 不同航道寬度條件下的各測點(diǎn)比波高值

計(jì)算航道邊坡坡度對波浪傳播的影響時(shí)模型的主要設(shè)置同上，航道邊坡坡度分別為1∶5、1∶30、1∶50和1∶100。波浪從W向入射。圖4、表3分別為不同工況下計(jì)算域內(nèi)有效波高分布圖以及航道不同邊坡坡度條件下各測點(diǎn)的比波高值。從結(jié)果上看，航道邊坡坡度越緩，航道內(nèi)比波高值越大，這說明隨著邊坡坡度的減緩，航道對波浪的折射作用減弱，通過航道直接進(jìn)入港池的波能就越多。特別是在坡度小于1∶30后，航道坡度越緩，航道對波能的衰減作用減弱的越明顯。

計(jì)算波浪入射角對波浪在航道區(qū)域傳播的影響時(shí)波浪分別從0°、10°、30°和45°向入射。圖5、表4分別為不同工況下計(jì)算域內(nèi)有效波高分布圖以及不同波浪入射角條件下各測點(diǎn)的比波高值。從圖5和表4中P4點(diǎn)的比波高可以看出，由于入射方向的不同，波浪進(jìn)入港池內(nèi)部后的傳播現(xiàn)象也變得復(fù)雜，由于波浪傳播方向的不同，以及繞射、反射等波浪現(xiàn)象的混合作用，港內(nèi)波高分布呈明顯的差異?？傮w來說，波浪入射方向與航道之間的夾角越大，穿過航道的波能就越多，航道內(nèi)比波高就越大，當(dāng)波浪入射方向與航道方向平行時(shí)（0°夾角），航道內(nèi)波能衰減現(xiàn)象最為明顯。波浪斜向入射時(shí)迎浪側(cè)的比波高最大，航道內(nèi)次之，背浪側(cè)最小。

表3 不同航道邊坡坡度條件下各測點(diǎn)比波高值

表4 不同波浪入射角條件下的各測點(diǎn)比波高值

本文通過采用MIKE 21 BW模型模擬不同條件下航道對波浪傳播的影響，得到如下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）因波浪的繞射和反射作用較折射作用不明顯，航道內(nèi)外水深比與航道對波浪的折射作用近似成正比關(guān)系。水深比越大，波浪的折射作用越強(qiáng)，進(jìn)入航道內(nèi)波浪從航道兩側(cè)折射出去的波能越多，這對港池兩側(cè)的防波堤的安全不利，而對港池內(nèi)泊穩(wěn)有利。

（2）同樣，因波浪的繞射和反射作用較折射作用不明顯，航道寬度與航道對波浪的折射作用近似成反比關(guān)系。航道越寬，航道對進(jìn)入航道內(nèi)波浪的衰減作用越弱，折射出航道的波能越少，這對防波堤的安全有利，而對港池泊穩(wěn)不利。

（3）航道邊坡坡度也影響航道對波浪的作用，坡度越小，航道內(nèi)比波高值越大，航道對波浪的折射作用減弱，特別是在坡度小于1∶30后，航道坡度越小，航道對波能的衰減作用減弱的越明顯。

（4）波浪傳播方向與航道走向的夾角越小，航道內(nèi)波浪衰減越劇烈，通過航道直接進(jìn)入港池內(nèi)的波能就越小，對港池的影響也就越小，從而有利于泊穩(wěn)條件。與其他傳播方向相比，當(dāng)波浪傳播方向與航道走向平行時(shí)，航道對直接進(jìn)入航道內(nèi)的波浪的衰減作用是最強(qiáng)的，對泊穩(wěn)是最有利的。波浪斜向入射時(shí)迎浪側(cè)的比波高最大，航道內(nèi)次之，背浪側(cè)最小。因此，波浪斜向入射時(shí)應(yīng)重視迎浪側(cè)波能集中區(qū)防波堤堤頭高度和強(qiáng)度的設(shè)計(jì)。

［1］左其華，楊正已.航槽對不同入射角波浪傳播的影響［J］.水運(yùn)工程，1996（1）：1-8.

［2］李思源，白志剛，王廣聚.減少航道外波浪集聚對策研究［J］.海洋技術(shù)，2002，21（3）：56-61.

［3］趙智幫，劉子琪，孫精石.深水航道對波浪傳播影響規(guī)律的研究［J］.中國港灣建設(shè)，2001（6）：9-15.

［4］趙海濤，張亦飛.應(yīng)用SWAN模型分析航道對波浪傳播的影響［J］.海洋學(xué)研究，2008，26（3）：44-52.

［5］Madsen P A，S?rensen O R.A new form of the boussinesq equations with improved linear dispersion characteris?tics［J］.Part 2：A Slowly-varying Bathymetry.Coastal Eng.1992，18：183-204.

［6］MIKE 21 BW Scientific documentation［M］.Denmark：DHI，2007.