漁港有效避風(fēng)面積計(jì)算探討——以霞關(guān)漁港為例

林法玲

（1.福建省海洋預(yù)報(bào)臺(tái)，福建福州 3500032.福建省海洋與漁業(yè)信息中心福建福州 350003）

1 引言

我國(guó)是一個(gè)海洋大國(guó)，海洋漁業(yè)作為海洋三大產(chǎn)業(yè)中的第一產(chǎn)業(yè)在我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)中占有重要位置。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國(guó)共有各類海洋捕撈漁船約31萬艘，各類漁港1000余個(gè)，從業(yè)漁民達(dá)800萬人。由于我國(guó)位于西北太平洋和南海海域沿岸，而西北太平洋和南海海域是全球臺(tái)風(fēng)最為活躍的海域，頻受風(fēng)暴潮和臺(tái)風(fēng)浪的襲擊，海洋災(zāi)害對(duì)漁業(yè)生產(chǎn)造成了重大傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。根據(jù)《中國(guó)海洋災(zāi)害公報(bào)》統(tǒng)計(jì)，在2000—2010年期間，我國(guó)漁船沉損累計(jì)達(dá)56000余艘，養(yǎng)殖面積累計(jì)損失近1300千公頃，直接經(jīng)濟(jì)損失1498億元。2006年8號(hào)臺(tái)風(fēng)“桑美”超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的正面襲擊福建和浙江交界海域，福建沙埕港灣內(nèi)聚集了福鼎市、霞浦縣及浙江蒼南、平陽等地各類大、小避臺(tái)漁船近萬艘，造成721艘漁船沉沒、1723艘漁船被損壞的結(jié)果,給當(dāng)?shù)貪O業(yè)生產(chǎn)帶來了極大的損失[1]。海洋漁業(yè)生產(chǎn)安全，關(guān)系到廣大漁民的切身利益，一直是各級(jí)政府部門高度關(guān)注的民生問題。建設(shè)好海洋漁業(yè)安全環(huán)境保障系統(tǒng)，為漁業(yè)生產(chǎn)安全管理提供有力的技術(shù)支撐，不僅是國(guó)家海洋局當(dāng)前重中之重的工作，也是沿海各省自身應(yīng)做好的工作職責(zé)。而通過漁港有效避風(fēng)面積計(jì)算確定漁港避風(fēng)容量，確保漁船在港內(nèi)安全避風(fēng)，是海洋環(huán)境專題預(yù)報(bào)中的重要內(nèi)容。漁港有效避風(fēng)面積是指，漁港在100年一遇設(shè)計(jì)波浪作用時(shí)，漁港港內(nèi)有效波高H1/3≤1.0 m的水域面積[2-4]。本文利用Mike21中的BW模型，以防波堤堤前波要素為邊界條件[5]，計(jì)算避風(fēng)漁港的港內(nèi)波況，并統(tǒng)計(jì)出相應(yīng)的避風(fēng)面積，進(jìn)一步完善了海洋漁業(yè)生產(chǎn)安全保障系統(tǒng)，為海洋漁業(yè)行政主管部門指導(dǎo)漁業(yè)安全生產(chǎn)提供了有力的技術(shù)支撐[6]。

圖1 x、y方向的交錯(cuò)網(wǎng)格

2 MIKE21-BW波浪數(shù)值模型介紹[7]

MIKE21-BW波浪數(shù)值模型由丹麥水力研究所（Danish Hydraulic Institute，簡(jiǎn)稱DHI）開發(fā)，能很好的模擬波浪傳播過程中的折射、繞射、反射、淺化等現(xiàn)象。

2.1 模型控制方程

連續(xù)方程：

X方向動(dòng)量方程：

Y方向動(dòng)量方程：

式中，下標(biāo)x、y、t分別表示對(duì)空間和時(shí)間的偏微分。式中：ξ為波面升高；P、Q為x、Y方向流量密度；B為深水色散系數(shù)；Fx、Fy為x、y方向水平應(yīng)力；

D為靜水深；h為水深，h=d+ξ;C為謝才系數(shù)；α為孔隙介質(zhì)中的層流阻力系數(shù)；Β為孔隙介質(zhì)中的紊流阻力系數(shù)；n為孔隙率；g為重力加速度。

2.2 邊界條件

模型計(jì)算區(qū)域的邊界分3種：

（1）入射波浪邊界條件

MIKE21－BW模型中，入射波浪邊界有邊界造波和內(nèi)部造波兩種[8]。

（2）全反射邊界條件

全反射直墻邊界上的法向速度應(yīng)為0，即u·n=0，式中n=(nx,ny)為邊界的外法向單位矢量。

（3）吸收波浪邊界

在實(shí)際工程中，防波堤等建筑物都是部分吸收波浪能量，為使波浪能量部分被吸收，且能量部分反射回計(jì)算區(qū)域，模型采用在邊界前設(shè)置海綿層的方法使波浪衰減。

2.3 數(shù)值求解

圖2 漁港平面布置圖

BW模型采用等間距矩形網(wǎng)格，ADI格式求解。在矩形計(jì)算域中，分別在x方向和y方向進(jìn)行求解，使問題轉(zhuǎn)化為求解兩個(gè)三對(duì)角矩陣方程組，網(wǎng)格布置見圖1。差分格式詳見相關(guān)參考文獻(xiàn)[9]。

3 工程概況及模型設(shè)置

蒼南縣霞關(guān)一級(jí)漁港位于溫州市蒼南縣的南端，地理坐標(biāo)為27°10′N、120°27′E，與福建省沙埕港隔海相望，距離僅5.0 km。影響該避風(fēng)港的外海波浪主要有兩種：一種是SE、ESE和E向浪，從東口門（南關(guān)島和門仔嶼兩個(gè)口門）進(jìn)入；另一種是SSW和SW向浪，主要從西口門（老鼠尾防波堤西側(cè)）及八字門傳入港內(nèi)，八字門口門狹窄，進(jìn)入港區(qū)的波浪較小，西口門很大，偏西向波浪的傳入，會(huì)對(duì)新建防波堤后的港區(qū)避風(fēng)條件產(chǎn)生較大影響。該漁港共建設(shè)防波堤包括老鼠尾、門仔嶼和南關(guān)島三段。老鼠尾段防波堤自老鼠尾島西南岬角處，沿方位角110°—290°N方向延伸1000 m，該方案布置后，形成港池面積約2.60 km2，對(duì)S—SW向浪具有較大的掩護(hù)作用，部分SW和SSW向浪將通過繞射進(jìn)入港區(qū)。霞關(guān)鎮(zhèn)—門仔嶼由長(zhǎng)114 m的透空式防波堤連接，防波堤走向0°—180°N，門仔嶼—南關(guān)島為雙突堤布置，兩堤走向均為70°—250°N，呈平行布置，各長(zhǎng)27 m和45 m，形成口門寬90 m，具體詳見圖2。

由于SW和SSW向波浪周期較短，相應(yīng)的波長(zhǎng)也較短，計(jì)算時(shí)需要采用較小的計(jì)算網(wǎng)格；東側(cè)防波堤長(zhǎng)度較短，口門較小，也需要采用較小的計(jì)算網(wǎng)格，模型采用5 m×5 m矩形網(wǎng)絡(luò)。為提高模型計(jì)算效率，需要盡量選取較小的計(jì)算范圍，經(jīng)分析，確定不同方向模型計(jì)算范圍。由于模型空間網(wǎng)格小，為滿足Courant數(shù)的要求，相應(yīng)的時(shí)間步長(zhǎng)也要小，模型時(shí)間步長(zhǎng)取0.3 s。

因造波線距離防波堤很近（僅6—7倍波長(zhǎng)），模型又不計(jì)底摩擦，驗(yàn)算表明，從造波線位置到防波堤的傳播過程中波浪基本不衰減。因而，可取堤前波要素作為模型計(jì)算邊界條件，其中SW、SSW向港內(nèi)波浪計(jì)算的邊界條件取1＃波要素，E、ESE和SE向港內(nèi)波浪計(jì)算的邊界條件取2＃波要素。港內(nèi)波況計(jì)算邊界條件見表1。

表1 港內(nèi)波浪計(jì)算邊界條件

自然岸灘按全吸收邊界處理，設(shè)置10層海綿層；斜坡堤按0.3的反射系數(shù)設(shè)置空隙層；直立堤按0.9的反射系數(shù)設(shè)置空隙層；透空堤按透射系數(shù)0.4、反射系數(shù)0.6考慮設(shè)置空隙層。由于計(jì)算范圍較小，模型不計(jì)底摩擦。模型也未考慮波浪破碎[10]。

4 計(jì)算結(jié)果分析

由于偏東向浪主要為涌浪，模型計(jì)算時(shí)，邊界條件的波向采用折射后港外波浪的實(shí)際方向。偏東向港內(nèi)波浪計(jì)算時(shí)，模型計(jì)算范圍中，南關(guān)島西側(cè)部分水域?qū)τ诟蹆?nèi)波浪計(jì)算基本沒有影響，為提高模型計(jì)算效率，將該水域設(shè)置為人工陸地，其邊界按全吸收邊界處理。

圖3 E向浪入射時(shí)港內(nèi)波高分布（單位/m）

圖4 ESE向浪入射時(shí)港內(nèi)波高分布（單位/m）

圖5 SE向浪入射時(shí)港內(nèi)波高分布（單位/m）

圖6 SSW向浪入射時(shí)港內(nèi)波高分布圖（單位/m）

圖7 SW向浪入射時(shí)港內(nèi)波高分布圖（單位/m）

表2 各波高段對(duì)應(yīng)區(qū)域面積統(tǒng)計(jì)（單位/萬m2）

SE、ESE和E3個(gè)港外波浪方向中，SE向波浪入射時(shí)港內(nèi)波況最好，有效波高0.6 m以下的避風(fēng)區(qū)域面積198.91 m2。ESE向波浪入射時(shí)港內(nèi)波況最差，有效波高0.6 m以下的避風(fēng)區(qū)域面積121.82 m2。E向波浪入射時(shí)港內(nèi)波況介于前兩者之間，這顯然是因?yàn)镋SE向港外波浪的波高大、周期長(zhǎng)，屬最不利工況，其波高分布見圖3—5，各波高段對(duì)應(yīng)區(qū)域面積見表2。因此，在港外發(fā)生偏東向大浪時(shí)，漁船應(yīng)盡量避開東口門附近區(qū)域，而選擇在霞關(guān)漁港西側(cè)避風(fēng)錨泊。

霞關(guān)漁港附近水域偏西向浪主要為風(fēng)浪，出于避風(fēng)漁船的安全考慮，計(jì)算時(shí)港外波要素方向取與風(fēng)向相同，而不采用折射后的波向。為減小計(jì)算范圍、提高計(jì)算效率，將港外波浪由八字門傳入港內(nèi)的情況單獨(dú)考慮。

偏西向港內(nèi)波浪的計(jì)算結(jié)果表明，由八字門傳入港內(nèi)的波浪很小，對(duì)于霞關(guān)漁港的港內(nèi)避風(fēng)條件影響很小。SSW和SW向港外波浪入射時(shí)，港外波浪經(jīng)老鼠尾防波堤繞射往港內(nèi)繞射并逐漸衰減，波高分布見圖6—7，SSW向波浪入射時(shí)港內(nèi)波況較好，有效波高0.6 m以下的避風(fēng)區(qū)域面積250.37 m2，SW向波浪入射時(shí)港內(nèi)波況較差，有效波高0.6m以下的避風(fēng)區(qū)域面積220.89 m2，各波高段對(duì)應(yīng)區(qū)域面積見表2。根據(jù)圖示，SW向來浪時(shí)屬不利工況。

將各個(gè)浪向中最不利的工況進(jìn)行疊加，得出漁港有效的避風(fēng)錨泊面積為184.76萬m2，并按照0.6 m以下、0.6—0.8 m和0.8—1.0 m三類波高段進(jìn)行避風(fēng)區(qū)域劃分（見圖8），以便行政主管部門結(jié)合錨地水深、底質(zhì)等要素，確定不同船型漁船的避風(fēng)區(qū)域，做到有針對(duì)性的安排漁船避風(fēng)。

5 結(jié)論

圖8 霞關(guān)漁港避風(fēng)錨泊區(qū)域圖

（1）漁港有效避風(fēng)面積是避風(fēng)能力的一個(gè)重要指標(biāo)，是海洋環(huán)境專題預(yù)報(bào)中的重要內(nèi)容。本文利用Mike21-BW模型，通過計(jì)算各浪向入射時(shí)的漁港港內(nèi)波況，來確定有效波高H1/3≤1.0 m的區(qū)域面積，并按照0.6 m以下、0.6—0.8 m和0.8—1.0 m三類港內(nèi)波高段進(jìn)行避風(fēng)區(qū)域劃分，結(jié)合漁港避風(fēng)錨地水深、底質(zhì)等要素，確定不同船型漁船的避風(fēng)區(qū)域，做到合理、有序和安全避風(fēng)，為海洋環(huán)境專題預(yù)報(bào)提供依據(jù)。

（2）通常情況下，在臺(tái)風(fēng)期間，行政主管部門在根據(jù)漁港有效避風(fēng)面積計(jì)算結(jié)果確定避風(fēng)容量，有秩序有計(jì)劃地安排并指導(dǎo)漁民安全避風(fēng)。

（3）下一步工作中，將針對(duì)Mike21-BW模型進(jìn)行改進(jìn)，爭(zhēng)取立足自主的海洋模式開展?jié)O港有效避風(fēng)面積的計(jì)算，以便該計(jì)算方法在各級(jí)海洋預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)更有效的推廣。

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