旅順新港旅游休閑區(qū)波浪數(shù)值模擬研究

劉昌鳳，施忠良，鄭 興，王榮泉，曹光磊

(1.大連海洋大學(xué) 海洋與土木工程學(xué)院，大連 116023；2.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116024；3. 中交天津港灣工程設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300461)

旅順新港旅游休閑區(qū)波浪數(shù)值模擬研究

劉昌鳳1,2，施忠良3，鄭 興3，王榮泉2，曹光磊2

(1.大連海洋大學(xué) 海洋與土木工程學(xué)院，大連 116023；2.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116024；3. 中交天津港灣工程設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300461)

工程海域的波浪條件是港口規(guī)劃設(shè)計(jì)中需要考慮的首要因素。針對旅順新港旅游港區(qū)擴(kuò)建預(yù)案，應(yīng)用水動(dòng)力學(xué)軟件MIKE21的SW和BW數(shù)學(xué)模型對防波堤建設(shè)前后工程海域的波浪場進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)工程區(qū)域水深及地形變化特點(diǎn)，采用遠(yuǎn)場大區(qū)域推算與近場小區(qū)域精細(xì)模擬相結(jié)合的方法，計(jì)算了擬建水工建筑物的設(shè)計(jì)波浪要素及港內(nèi)波況。結(jié)果表明：工程受NW和NNW方向波浪影響較大，當(dāng)重現(xiàn)期為50 a時(shí)，外護(hù)岸、防波堤和泊位處的有效波高分別為4.74 m、5.66 m和1.10 m；若在防波堤和外護(hù)岸西側(cè)增加一條垂直于NW方向的潛堤，外護(hù)岸、防波堤和泊位處的有效波高分別降至3.43 m、3.79 m和0.75 m。

旅順新港；波浪；MIKE21；數(shù)值模擬

圖1 工程位置衛(wèi)星云圖Fig.1 Satellite image of project location

旅順新港旅游港區(qū)位于旅順西側(cè)羊頭灣的月亮灣北部，地處遼東半島最南端、南瀕黃海，西扼渤海水道，地理位置為38°48.5′N、121°08′ E，港區(qū)所在位置衛(wèi)星圖如圖1所示。本工程擬在月亮灣北部修建防波堤及護(hù)岸等水工建筑物。在水工建筑物的設(shè)計(jì)中，波浪掩護(hù)效果、港區(qū)水域流態(tài)、泥沙淤積等是確定其平面選線的關(guān)鍵性問題[1]，需要根據(jù)現(xiàn)有方案進(jìn)行數(shù)值模擬研究和物理模型試驗(yàn)。

由于物理模型試驗(yàn)具有成本高、周期長的缺點(diǎn)，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)初期通常采用數(shù)值模擬研究進(jìn)行方案優(yōu)選[2-3]。MIKE21系列軟件是由丹麥水工研究所(DHI)開發(fā)的水動(dòng)力計(jì)算軟件，其波浪傳播模塊能夠計(jì)算波浪自外海向近海的傳播變形，風(fēng)生成浪以及近海建筑物附近的波浪變形等問題[4]。目前，該軟件已經(jīng)在國內(nèi)港口工程項(xiàng)目中得到了廣泛應(yīng)用[5-9]。

圖2 水師營氣象站風(fēng)玫瑰圖Fig.2 Wind rose diagram of Shuishiying station

1 工程海域水位、風(fēng)和波浪條件

工程海域的極端高水位2.91 m，設(shè)計(jì)高水位2.27 m，設(shè)計(jì)低水位0.10 m，各水位均以當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵鏋榛鶞?zhǔn)。根據(jù)旅順當(dāng)?shù)厮畮煚I氣象站的統(tǒng)計(jì)資料，該地區(qū)多年平均風(fēng)速為3.82 ms，最大風(fēng)速為32 ms，強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镹NW方向，常風(fēng)向?yàn)镹NE方向，頻率31%，次常風(fēng)向?yàn)镹方向，頻率27%(圖2)。

與港區(qū)臨近的北隍城海洋觀測站(38°24′N、120°55′E，距港址約50海里)，該站的S-SW-W-NW向波況基本能反映本港區(qū)深水波浪，故采用該站的波浪資料進(jìn)行深水波浪分析。根據(jù)測站的統(tǒng)計(jì)資料，該地區(qū)常浪向?yàn)镹W方向和NNW方向，強(qiáng)浪向?yàn)镹W方向，各重現(xiàn)期波浪數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 北隍城觀測站不同重現(xiàn)期有效波高Tab.1 Significant wave heights of different return period at Beihuangcheng station

2 深水波浪要素計(jì)算

為了精細(xì)模擬工程區(qū)域設(shè)計(jì)波要素及港內(nèi)波浪情況，項(xiàng)目采用MIKE21軟件中的SW模型，通過大范圍波浪場推算，得到工程區(qū)域-20 m等深線處的波浪要素。

2.1 MIKE 21 SW計(jì)算模型

MIKE21 SW模型可考慮波浪繞射、淺水變形、局部風(fēng)成浪、海底摩擦和波浪破碎的影響，可用來進(jìn)行大范圍的波浪場計(jì)算。在笛卡爾坐標(biāo)系下，MIKE21-SW的控制方程表示為

(1)

式中：N為波作用密度，σ為相對頻率，V=(cx,cy,cσ,cθ)為波群速度，cx、cy分別表示波作用在地理空間(x,y)中傳播時(shí)的變化，cσ表示由水深和水流變化引起的相對頻率的變化，cθ表示由水深和水流引起的折射，S指能量平衡方程中以譜密度表征的源函數(shù)，式中各傳播速度均采用線性波理論計(jì)算。

表2 工程區(qū)域-20 m等深線處設(shè)計(jì)波要素Tab.2 The designed wave parameters at -20 m water depth counter in project location

2.2數(shù)值計(jì)算結(jié)果

考慮主要入射波浪方向、工程區(qū)域以及北隍城測站所在位置，選定東西向長106 km、南北向長118 km的矩形作為大區(qū)域的計(jì)算范圍，計(jì)算域左下方點(diǎn)A的地理坐標(biāo)為(E120.2°，N38.2°)，如圖3所示。

圖3 大區(qū)域模型計(jì)算域Fig.3 Computational domain of a large area model

采用MIKE 21 SW模型推算大區(qū)域模型波浪場，給出工程區(qū)域?yàn)晨谏钏?-20 m等深線)設(shè)計(jì)波浪要素(表2)。

從計(jì)算結(jié)果可以看出：(1)工程海域強(qiáng)浪向NW和次強(qiáng)浪向NNW的推算結(jié)果與北隍城測站波浪統(tǒng)計(jì)資料相吻合，說明大區(qū)域模型建立合理，結(jié)果可靠；(2)受地形掩護(hù)及水深變淺引起波浪折射的影響，這兩個(gè)方向的外海來浪傳至本工程區(qū)域時(shí)向?yàn)硟?nèi)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在防波堤設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮。

3 防波堤、護(hù)岸設(shè)計(jì)波要素和港內(nèi)泊穩(wěn)計(jì)算

3.1 MIKE 21 BW計(jì)算模型

MIKE21 BW模型考慮地形和水工建筑物對波浪的折射、反射和繞射以及底部摩阻損耗等的影響，可用于碼頭設(shè)計(jì)波要素和港內(nèi)泊穩(wěn)計(jì)算。BW模型的基本方程為

(2)

(3)

(4)

式中：P、Q為X、Y向流速水深積分；FX、Fy為X、Y向水平應(yīng)力；d為總水深；n為孔隙率；C為謝才系數(shù)；α、β為空隙介質(zhì)中層流和紊流的阻尼系數(shù)；ξ為波面升高；ψx和ψy為色散項(xiàng)。

3.2平面布置方案

在本項(xiàng)目的4個(gè)平面布置方案中，擬建防波堤均為圓弧形且位置相同：方案一為基本方案(圖4-a)，方案二在防波堤和外護(hù)岸西側(cè)增加一條垂直于NW方向長度為400 m的潛堤(圖4-b)，方案三在防波堤和外護(hù)岸西側(cè)增加一條與平行于防波堤長度為500 m的潛堤(圖4-c)，方案四將防波堤按現(xiàn)有弧度延長100 m(圖4-d)。方案二和方案三中潛堤斷面設(shè)計(jì)保持一致，其斷面圖如圖5所示。

4-a 方案一(基本方案) 4-b 方案二(垂直潛堤方案) 4-c 方案三(平行潛堤方案) 4-d 方案四(延長防波堤方案)圖4 工程方案的平面布置Fig.4 Layout of engineering projects

3.3數(shù)值計(jì)算結(jié)果

圖5 平面布置方案二和方案三中的潛堤斷面圖Fig.5 Cross-section view of submerged breakwater in scheme Ⅱ and scheme Ⅲ

外護(hù)岸和防波堤的設(shè)計(jì)波要素由工程區(qū)域原始地形計(jì)算得到，而港內(nèi)波況由工程建成后的地形計(jì)算得到。按照50 a重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，選取NW、W、WNW、SW和NNW 5個(gè)波向，以及極端高水位、設(shè)計(jì)高水位和設(shè)計(jì)低水位3種情況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算?？紤]到外海波向傳到工程區(qū)域后發(fā)生偏轉(zhuǎn)、以及工程方案布置和模型計(jì)算的要求，不同波浪入射時(shí)計(jì)算模型的區(qū)域選取如圖6所示。在方案二和方案三中，潛堤的影響可以通過修改地形實(shí)現(xiàn)，圖7-a和圖7-b分別為垂直潛堤方案(方案二)和平行潛堤方案(方案三)的MIKE21 BW模型地形圖。

3.3.1 外護(hù)岸及防波堤

對外護(hù)岸和防波堤進(jìn)行分段，并提取每段外護(hù)岸和防波堤的最大波要素，表3給出了在極端高水位和重現(xiàn)期為50 a的條件下，外護(hù)岸及防波堤有效波高統(tǒng)計(jì)值。

圖6 MIKE 21-BW模型計(jì)算區(qū)域示意圖Fig.6 Sketch of calculation ranges in MIKE 21-BW model

7-a 垂直潛堤方案(方案二)地形圖 7-b 平行潛堤方案(方案三)地形圖圖7 潛堤方案地形圖Fig.7 Topographic maps of two submerged breakwater schemes

港內(nèi)測點(diǎn)方案一方案二方案三外護(hù)岸NW4．743．433．29NNW3．342．412．43WNW3．01--SSW1．87--防波堤N(yùn)W5．663．793．74NNW4．783．193．34WNW3．27--SSW1．29--

從表3可以看出：(1)由于工程位于開敞海域，對其影響最大的波浪仍是NW方向，其次是NNW方向；(2)在方案二和方案三中，外護(hù)岸和防波堤前的設(shè)計(jì)波高明顯減小，對于垂直潛堤方案(方案二)，波高的降幅在27.6%～33.3%；對于平行潛堤方案(方案三)，波高的降幅在27.2%～33.9%，兩種方案的計(jì)算結(jié)果差別并不明顯，但方案二中潛堤長度小于方案三，從工程造價(jià)角度考慮，建議采用垂直潛堤方案(方案二)。

3.3.2 港內(nèi)泊穩(wěn)

選取19個(gè)控制點(diǎn)驗(yàn)算港內(nèi)泊穩(wěn)情況，其中1～6號是泊位處測點(diǎn)，7～8號是港池內(nèi)測點(diǎn)，9～11號是航道內(nèi)測點(diǎn)，12～15號是世界和平公園處測點(diǎn)，16～19號是旅順新港東防波堤處測點(diǎn)，控制點(diǎn)布置如圖8所示。

在對工程實(shí)施后港內(nèi)泊穩(wěn)的計(jì)算中，考慮了小風(fēng)區(qū)局部風(fēng)浪[10]的影響。根據(jù)《海港水文規(guī)范JTS 145-2-2013》規(guī)定，港域風(fēng)區(qū)長度超過1 km時(shí)，需同時(shí)考慮繞射波與局部風(fēng)浪的合成，合成后的波浪按式(5)計(jì)算。

圖8 港內(nèi)泊穩(wěn)條件控制點(diǎn)布置Fig.8 Layout of control points for berthing conditions

(5)

式中:H為港內(nèi)計(jì)算點(diǎn)波高，H1和H2分別為計(jì)算點(diǎn)繞射波高和局部風(fēng)浪波高。

選取SSE風(fēng)向的3、4號測點(diǎn)研究繞射波與局部風(fēng)浪的疊加作用。表4給出了3、4點(diǎn)在SSE向風(fēng)作用下形成的局部小風(fēng)區(qū)有效波高。為保證安全，將SSE風(fēng)向下測點(diǎn)局部風(fēng)浪與各向外海波浪進(jìn)行疊加，得到港內(nèi)3、4測點(diǎn)在局部風(fēng)浪與外海波浪共同作用下的波浪條件(表5)。

表6給出了外海NW向50 a一遇波浪作用下港內(nèi)的有效波高。圖9給出了在重現(xiàn)期為50 a和設(shè)計(jì)高水位條件下，采用不同設(shè)計(jì)方案時(shí)港內(nèi)的比波高分布。

綜合分析表6和圖9的計(jì)算結(jié)果，可以看出：(1)對港內(nèi)泊穩(wěn)影響較大的外海波浪為NW方向；(2)設(shè)置垂向潛堤(方案二)或延長防波堤(方案四)后港內(nèi)波高都會(huì)減小，采用方案二泊位處波高最多降低30%，采用方案四泊位處波高最多降低10%?？梢姡O(shè)置垂向潛堤對港內(nèi)掩護(hù)效果更為明顯，因此建議采用平面布置方案二。

表4 SSE風(fēng)向港內(nèi)3、4測點(diǎn)局部風(fēng)浪的有效波高
Tab.4 Significant wave heights of observation points 3 and 4 in harbor induced by the SSE direction wind m

測點(diǎn)極端高水位設(shè)計(jì)高水位設(shè)計(jì)低水位30．420．420．3340．430．410．30

表5 港內(nèi)3、4點(diǎn)在小風(fēng)區(qū)局部風(fēng)浪和外海50 a一遇波浪作用下的波浪條件Tab.5 Wave conditions of points 3 and 4 in small fetch under the waves with 50 a return period

表6外海NW向50 a一遇波浪作用下港內(nèi)有效波高
Tab.6 The largest significant wave heights in harbor induced by the NW direction wave with 50 a return period m

港內(nèi)測點(diǎn)方案一方案二方案四極端高水位設(shè)計(jì)高水位極端高水位設(shè)計(jì)高水位極端高水位設(shè)計(jì)高水位泊位10．880．910．650．650．800．8520．981．020．640．660．840．8931．061．070．680．710．880．9340．890．930．720．740．930．9850．991．050．740．770．941．0061．081．100．750．780．951．00港池71．010．960．700．730．900．9681．030．980．670．690．850．91航道91．183．450．970．900．850．89104．771．113．323．133．913．59113．264．474．293．644．744．61世界和平公園121．051．030．740．730．950．99130．921．010．790．780．930．95141．061．010．760．690．840．87150．940．980．800．740．960．95旅順新港東防波堤166．035．85．855．945．995．96175．324．864．814．825．725．71185．955．724．053．885．275．28195．294．783．743．644．774．74

圖9 外海50 a一遇波浪和設(shè)計(jì)高水位下的港內(nèi)比波高圖Fig.9 Relative wave height distribution in port under return period of 50 a at design high water level

4 結(jié)論

(1)對于基本布置方案(方案一)，在50 a一遇NW方向波浪作用下，外護(hù)岸處有效波高可達(dá)4.74 m，防波堤處有效波高可達(dá)5.66 m，內(nèi)護(hù)岸處有效波高為1.19 m。

(2)對于設(shè)置垂向潛堤方案(方案二)，在50 a一遇NW方向波浪作用下，防波堤處有效波高減小27.6%～33.3%，泊位處有效波高最大降幅約為30%。

(3)對于設(shè)置平行潛堤方案(方案三)，在50 a一遇NW方向波浪作用下，防波堤處有效波高減小27.2%～33.9%，且潛堤長度大于方案二。

(4)對于延長防波堤方案(方案四)，在50 a一遇NW方向波浪作用下，泊位處有效波高最大降幅約為10%，其掩護(hù)效果不如方案二。

綜上所述，在4個(gè)平面布置方案中，從波浪掩護(hù)效果和工程造價(jià)角度考慮，方案二最優(yōu)，但方案的最終選取還應(yīng)綜合考慮潮流和泥沙的影響。

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Numerical simulation of wave condition in tourism and leisure zone of Lushun new harbor

LIUChang-feng1,2,SHIZhong-liang3,ZHENGXing3,WANGRong-quan2,CAOGuang-lei2

(1.CollegeofOceanandCivilEngineering,DalianOceanUniversity,Dalian116023,China;2.StateKeyLaboratoryofCoastalandOffshoreEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China; 3.TianjinPortEngineeringDesign&ConsultingCompanyLtd.ofCCCCFirstHarborEngineeringCompanyLtd.,Tianjin300461,China)

Wave condition in project area is a primary factor of harbor design. In the expansion project of Lushun new harbor, a hydrodynamic model MIKE21 was applied to simulate the wave field before and after the breakwater construction. According to characteristics of water depths and geography in the project area, both far field and near field analytical methods were adopted to calculate the design wave parameters of proposed marine structures and wave conditions in harbor. The results show that: waves in both NW and NNW directions have greater influence, while the significant wave heights outside the revetment and the breakwater are 4.74 m and 5.66 m as well as 1.10 m at berth; if there is a submerged breakwater built perpendicularly to NW direction, the significant wave heights at revetment, breakwater and berth can be reduced to 3.43 m, 3.79 m and 0.75 m.

Lushun new harbor; wave; MIKE21; numerical simulation

TV 139.2;O 242.1

：A

1005-8443(2017)04-0351-06

2016-06-01；

：2016-09-18

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51409039)；遼寧省教育廳一般項(xiàng)目(L201601)

劉昌鳳(1981-)，女，黑龍江省加格達(dá)奇人，講師，主要從事港口﹑海岸和近海工程研究。

Biography：LIU Chang-feng (1981-), female, lecturer.