山東萊州灣海域波浪數(shù)值模擬研究

劉功鵬

摘要：基于MIKE21SW波浪數(shù)值模型，結(jié)合萊州灣海域地形、波浪特點，以萊州氣象站的風(fēng)速資料為基礎(chǔ)，對菜州灣海域的設(shè)計波浪要素進(jìn)行模擬和分析。與海上測風(fēng)塔實測波浪要素進(jìn)行了對比，驗證了模型模擬的準(zhǔn)確性和可靠性，并對計算方法和模型的適用性進(jìn)行了探討。結(jié)果表明：萊州灣海域波浪從灣外向近海傳播，受海底地形、岸線走向、風(fēng)速風(fēng)向的影響，波浪發(fā)生一定的折減、繞射等衰減現(xiàn)象，波浪場的分布特征與風(fēng)速風(fēng)向、水深、地形密切相關(guān)。研究成果可供菜州灣海上風(fēng)電的開發(fā)利用借鑒參考。

關(guān)鍵詞：海域波浪;數(shù)值模擬;MIKE21;海上風(fēng)電;山東菜州灣

中圖法分類號：P743.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.04.011

海上風(fēng)電技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展已日趨成熟，目前我國海上風(fēng)電已進(jìn)入規(guī)?；l(fā)展階段，有著巨大的發(fā)展空間。2017年我國海上風(fēng)電開發(fā)取得突破性進(jìn)展，新增裝機(jī)容量116萬kW，同比增長97%，累計裝機(jī)達(dá)到279萬kW。根據(jù)國家能源局印發(fā)的《風(fēng)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，到2020年底，海上風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到500萬kW以上，為實現(xiàn)2020年非化石能源占比達(dá)到15%的目標(biāo)提供重要支撐。

山東是我國臨海大省，風(fēng)能資源豐富，海上風(fēng)電的開發(fā)利用潛力巨大。本文基于MIKE21SW軟件，建立了萊州灣海域波浪數(shù)值模型，并利用萊州灣內(nèi)海上測風(fēng)塔實測資料對模型進(jìn)行驗證。對該海域的波浪場進(jìn)行數(shù)值模擬，掌握極端天氣條件下萊州灣的波浪分布情況，可對萊州灣海域海上風(fēng)電開發(fā)提供技術(shù)支撐。

1計算方法和模型構(gòu)建

1.1計算方法

運用MIKE21SW波浪數(shù)值模型對工程區(qū)域的設(shè)計波浪要素進(jìn)行計算。SW模型是基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的新一代風(fēng)浪譜模型，適用于計算風(fēng)浪、涌浪的成長、衰減和傳播，并可兼顧考慮近岸海底地形和建筑物引起的波浪繞射和反射效應(yīng)，基本上可滿足局部區(qū)域波浪計算精度的要求。

萊州灣海域以風(fēng)浪為主，故研究區(qū)域采用風(fēng)速資料對風(fēng)浪進(jìn)行計算，在整個萊州灣海域建立大范圍風(fēng)浪成長傳播數(shù)學(xué)模型。利用萊州灣海域設(shè)計風(fēng)速推求極端天氣條件下的萊州灣外海深水波要素，通過與海上測風(fēng)塔的波浪實測值進(jìn)行比較、率定，計算出整個萊州灣海域的設(shè)計波浪要素。

1.2模型簡介

丹麥水利研究所（DHI）開發(fā)的MIKE21軟件中的SW淺水波浪數(shù)值模擬模塊，主要適用于不同歷史條件下近海、海岸以及港口結(jié)構(gòu)物設(shè)計過程中的波浪情況后報，也適合于對大范圍或者局部區(qū)域的波浪進(jìn)行預(yù)報和分析。

1.3參數(shù)設(shè)置

為了滿足萊州灣海域的波浪計算需要，計算范圍以東經(jīng)118.8°、北緯37.1°為原點，向東延伸140km，向北延伸100km。模型采用三角形網(wǎng)格（見圖1），網(wǎng)格數(shù)為4539，時間步長從0.01～360s自動調(diào)節(jié)，數(shù)學(xué)模型的開邊界條件由中國近海潮汐潮流數(shù)學(xué)模型Chinatide Esl提供，其中潮位為2.51m（極端高水位）。波浪破碎系數(shù)取值為0.8，底摩阻類型為尼古拉茲砂粒糙率，取值為0.01m，白浪取值為4.5，初始條件中的公式類型為JONSWAP fetch growth ex-pressiono

2計算條件

2.1設(shè)計風(fēng)速

模型主要模擬萊州灣海域50a一遇高水位（即極端高水位）下的波浪要素，因此采用萊州灣海上10m高度，重現(xiàn)期為50a的設(shè)計風(fēng)速，見表1。

2.2深水設(shè)計波要素

根據(jù)SL 435-2008《海堤工程設(shè)計規(guī)范》，采用莆田海堤試驗站公式，計算確定重現(xiàn)期為50a的NW、N、NE等方向的外海30m等深線附近的深水波浪要素，見表2。

3模型驗證

為驗證模型參數(shù)設(shè)置的準(zhǔn)確性，采用模型內(nèi)海上測風(fēng)塔作為驗證點，所處位置見圖2和坐標(biāo)見表3。

以2017年7月1日00：00至5日04：00的實測波浪資料對模型參數(shù)進(jìn)行率定，率定因素為有效波高、平均周期、平均波向。通過模型反演上述時段的波浪場后發(fā)現(xiàn)，該站模型計算結(jié)果與實測的各項波浪要素資料之間擬合較好，見圖3。

通過對驗證點的數(shù)據(jù)分析可知，有效波高、平均周期的模擬值與實測值基本一致，平均波向的模擬值與實測值偏差較小，整體變化趨勢接近，偏差精度滿足要求。該風(fēng)浪數(shù)值模型能較好地反映萊州灣海域的波浪特性，亦可用于推算不同工況下的設(shè)計波要素。

4計算結(jié)果

在模型驗證的基礎(chǔ)上，對極端高水位隋況下NW、N、NE向的波浪場進(jìn)行計算，選取N向有效波高、最大波高和平均周期的計算結(jié)果進(jìn)行分析，見圖4～6。

波浪數(shù)值模型結(jié)果表明：萊州灣外海海域極端天氣下的有效波高達(dá)到5.0m左右，最大波高達(dá)到10-2m左右，平均周期達(dá)到9.0s以上;近岸海域有效波高和平均周期受水深、地形影響，有效波高只有0.8m，最大波高只有1.8m，平均周期只有3.5s甚至更小，反映出波浪由灣外向近海傳播，受海底地形、岸線走向、風(fēng)速風(fēng)向的影響，波浪發(fā)生一定折減、繞射等衰減現(xiàn)象，海域波浪場的分布特征與風(fēng)速風(fēng)向、水深、地形等密切相關(guān)。波浪場在平面上的分布以及波浪在傳播過程中的波向隨著水下地形改變的趨勢顯著。越靠近岸線水深變化顯著的海域，等波高線越密集，島嶼鏈對波浪的掩蔽作用越明顯，在崎嶇列島波浪傳播的后方形成波浪的掩蔽區(qū)，波高較同一緯度偏小。

5結(jié)語

本文利用MIKE21Sw對萊州灣海域在極端天氣條件下的波浪場進(jìn)行模擬，得出萊州灣海域波浪的復(fù)雜分布特征。將該模型的設(shè)計波浪計算成果與海上測風(fēng)塔的短期實測波浪數(shù)據(jù)相結(jié)合，可供海上風(fēng)電領(lǐng)域設(shè)計施工參考借鑒，為風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)、海上升壓站等結(jié)構(gòu)設(shè)計提供可靠的參數(shù)。

目前，我國海上風(fēng)電開發(fā)多處于外海海域，設(shè)計波浪所需的觀測資料匱乏。本文采用的設(shè)計方案符合規(guī)范要求，可為缺乏長期波浪觀測資料的海域用電場址設(shè)計波浪參數(shù)計算提供了切實可行的計算方法，研究成果具有良好的應(yīng)用價值。