漁港護岸防臺風(fēng)能力研究與評估

楊萬康 ，楊青瑩，方明豹，鞏 明

（1.衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學(xué)國家重點實驗室，浙江 杭州 310012；2.自然資源部第二海洋研究所，浙江 杭州310012；3.國核浙能核能有限公司，浙江 杭州 310012）

浙江省沿岸分布著大大小小近百個漁港，這些漁港內(nèi)修建了大量的碼頭、錨泊地和護岸設(shè)施，不僅保障了漁船的安全靠泊，也保護了漁港后方的陸域居民區(qū)，是沿海經(jīng)濟發(fā)展和防災(zāi)體系中重要的組成部分。但是，每年由于設(shè)施老化、地面沉降等因素，沿岸漁港都會遭受一定的災(zāi)害損失，漁港防護已經(jīng)成為沿岸海洋災(zāi)害防護的一個弱點。隨著極端天氣頻發(fā)，沿海漁港對海洋災(zāi)害的防御能力有所下降，一旦發(fā)生重大海洋災(zāi)害，其后果將十分嚴重。臺門漁港位于浙江省舟山市普陀區(qū)東部海域，是浙江省重要的漁港之一。臺門漁港由六橫島、對面山島、懸山島環(huán)繞組成，是優(yōu)良的避風(fēng)港口。受人類活動的影響，漁港內(nèi)建設(shè)了大量的圍墾工程和漁港設(shè)施，水深地形及水動力條件有了顯著改變，隨著時間推移，部分護岸破損和沉降嚴重，原有的防護設(shè)計標準已經(jīng)發(fā)生改變，需要重新評估才能保證漁港的安全。

許多學(xué)者針對臺風(fēng)災(zāi)害開展了大量評估和研究，尹寶樹等[1]針對黃河三角洲示范區(qū)建立了一套漫堤風(fēng)險災(zāi)害等級標準，并基于海浪和風(fēng)暴潮結(jié)果，提出了風(fēng)暴潮風(fēng)險評估方法和關(guān)鍵步驟。張敏等[2]通過構(gòu)造可能最大風(fēng)暴潮事件集，計算得到雷州市可能最大臺風(fēng)風(fēng)暴潮淹沒范圍及水深分布。丁玉梅等[3]根據(jù)不同年代的海岸線建立數(shù)值模型，研究了岸線變化前后渤海風(fēng)暴潮的近岸增水變化規(guī)律。李濤等[4]利用歷史風(fēng)暴潮資料對浙江沿?？h級風(fēng)暴潮危險性進行區(qū)劃。桂勁松等[5]采用遺傳算法研究了漁港布局規(guī)劃問題，并用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法分析了漁港工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計。隨著沿岸漁港設(shè)施的老化和沉降，漁港抵御臺風(fēng)的能力越來越受到關(guān)注，部分學(xué)者從漁港岸線、錨泊地和防波堤等不同角度對漁港防臺風(fēng)等級開展了研究[6-7]。

綜上所述，由于人類活動影響臺門漁港內(nèi)的水動力條件已發(fā)生較大變化，而且缺乏對臺門漁港護岸防臺風(fēng)能力的針對性研究。因此本文采用最新的岸線及水深資料，建立高分辨的風(fēng)暴潮—波浪耦合模型對臺門漁港各岸段護岸的防臺風(fēng)能力進行定量評估，為臺風(fēng)期間漁港的防護和安全調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)值模型介紹

風(fēng)暴潮計算采用的數(shù)值模型為ADCIRC（Advanced Circulation Model）海洋模型。ADCIRC是一種采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的有限元模式，該模型采用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，可以保證在岸線復(fù)雜的地方有較高的分辨率，兼具計算效率和計算精度，在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用[8-9]。

在笛卡爾直角坐標系下，ADCIRC模型采用沿水深積分的二維連續(xù)方程和動量方程如下。

式（1）—（3）中，H為總水深；ζ為偏離平均海面的水位值；U和V分別為x和y方向沿水深積分的平均流速；g為重力加速度；ρ0為密度；f為科氏力參數(shù)；Ps為大氣壓強；τbx和τby分別為x和y方向的底摩擦力分量；τsx，wind和τsy，wind分別為x和y方向的風(fēng)應(yīng)力；τsx，waves和τsy，waves分別為x和y方向的波致輻射應(yīng)力梯度項；Dx和Dy為x和y方向上的動量耗散項。風(fēng)應(yīng)力τsx,wind和τsy,wind計算公式如下。

式中，ρa為空氣密度；Wx和Wy為x和y方向的風(fēng)速分量；Cd為風(fēng)應(yīng)力拖拽系數(shù)，風(fēng)應(yīng)力拖曳系數(shù)通過公式（6）得到。

本次臺風(fēng)浪計算采用的波浪模型為SWAN（Simulating Waves Nearshore）模型，SWAN模型是考慮了波浪破碎、波—波相互作用和白帽耗散等影響的第三代海浪數(shù)值模式，在近岸波浪計算中精度較高，應(yīng)用較廣[10]。SWAN 模型的控制方程為動譜密度守恒方程，在笛卡爾坐標下的表達式如下。

式中，Cf為底拖曳力系數(shù)，

式中，N為動譜密度函數(shù)；σ為波浪頻率；Cx和Cy為在x和y空間的傳播速度；Cσ和Cθ為波浪在σ和θ方向傳播速度；S為動譜密度源項，包括風(fēng)輸入項、底摩擦、白帽耗散、波浪破碎導(dǎo)致的能量損失和波—波相互作用等。

臺風(fēng)風(fēng)暴潮及臺風(fēng)浪計算中，風(fēng)場的重構(gòu)對計算結(jié)果至關(guān)重要。本文采用HOLLAND G T提出的臺風(fēng)風(fēng)場模型[11]，氣壓方程和風(fēng)場公式如下所示。

根據(jù)氣壓公式和梯度風(fēng)原理，風(fēng)速計算公式如下所示。

式中，ρa為空氣密度；r表示模型中任意點與臺風(fēng)中心的距離；Pn為外圍參考氣壓；Pc為臺風(fēng)中心氣壓；Rmax為最大風(fēng)速半徑；B為Holland參數(shù)，其值決定了風(fēng)場的輪廓形狀。本文B參數(shù)計算采用如下公式[12]。

最大風(fēng)速半徑采用如下計算公式[13]。

式中，φ為地理緯度；Vmax為最大風(fēng)速，臺風(fēng)中心位置坐標、中心氣壓值、最大風(fēng)速等參數(shù)選用中國臺風(fēng)網(wǎng)的最佳路徑數(shù)據(jù)集資料。

2 數(shù)值模型設(shè)置與驗證

由于需要計算臺風(fēng)風(fēng)暴潮過程，因此模型計算域選取范圍較大，外海開邊界處分辨率為30 000 m，臺門漁港附近網(wǎng)格進行了加密，分辨率達到50 m左右（圖1）。漁港內(nèi)部采用最新的水深測量數(shù)據(jù)進行插值，外海水深采用GEBCO（General Bathymetric Chart of the Oceans）全球水深數(shù)據(jù)，分辨率為30″×30″，潮位邊界采用從OTIS（Oregon State University Tidal Inversion Software）數(shù)據(jù)集提取的潮汐調(diào)和常數(shù)，包含了M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1等8個分潮。ADCIRC模 型 與SWAN模型采用相同網(wǎng)格，ADCIRC與SWAN的耦合過程如下：ADCIRC將流場和水位數(shù)據(jù)提供給SWAN，而SWAN模型則將波致輻射應(yīng)力數(shù)據(jù)提供給ADCRIC模型。

圖1 模型計算區(qū)域和網(wǎng)格

利用2014年“鳳凰”臺風(fēng)登陸期間的實測潮位和波高資料對模型進行驗證。潮位站采用六橫海洋站的數(shù)據(jù)，波浪數(shù)據(jù)采用六橫外海浮標站數(shù)據(jù)。圖2為實測風(fēng)暴潮和模擬結(jié)果時間序列的比較，由圖可知，實測潮位與模擬結(jié)果匹配較好，基本能夠重現(xiàn)整個風(fēng)暴潮過程。臺風(fēng)期間波浪有效波高對比如圖3所示，臺風(fēng)浪波高模擬結(jié)果與實測結(jié)果符合較好，誤差較小，尤其波高峰值計算結(jié)果較為吻合。驗證結(jié)果表明模型參數(shù)設(shè)置合理，能夠滿足風(fēng)暴潮和波浪計算的精度要求。

圖2 實測風(fēng)暴潮位和模擬結(jié)果對比

圖3 實測有效波高和模擬結(jié)果對比

3 漁港護岸防臺風(fēng)等級計算

3.1 最危險臺風(fēng)路徑的選取

根據(jù)調(diào)查和收集的數(shù)據(jù)資料分析，漁港在登陸臺風(fēng)中心的最大風(fēng)速半徑處，受災(zāi)情況較為嚴重，根據(jù)《漁港防臺風(fēng)等級評估技術(shù)規(guī)程》要求[14]，確定最大風(fēng)速半徑處Rmax登陸臺風(fēng)為極限臺風(fēng)。根據(jù)中國臺風(fēng)網(wǎng)提供的歷史臺風(fēng)路徑數(shù)據(jù)以及漁港統(tǒng)計得到的臺風(fēng)期間出現(xiàn)頻率最高的風(fēng)向，選取東東南（ESE）、東南（SE）、南東南（SSE）和南向（S）共4個臺風(fēng)路徑方向開展計算，臺風(fēng)路徑方向與風(fēng)向定義相同。以這4個方向共設(shè)計了8條假想臺風(fēng)路徑，每條路徑以臺門漁港為中心，沿著南北兩側(cè)最大風(fēng)速半徑Rmax處經(jīng)過，其中正值Rmax代表南側(cè)登陸，負值Rmax代表在漁港北側(cè)登陸。不同臺風(fēng)等級強度下的中心氣壓、風(fēng)速、移動速度等參數(shù)如表1所示，首先選取12級臺風(fēng)參數(shù)構(gòu)造假想臺風(fēng)路徑，進行對比計算，選出最危險臺風(fēng)路徑。

表1 不同臺風(fēng)等級參數(shù)設(shè)置

由圖4可知，各路徑方向上漁港南側(cè)最大風(fēng)速半徑處（-R）登陸的臺風(fēng)引起的增水遠大于北側(cè)登陸的臺風(fēng)，ESE方向南側(cè)登陸的臺風(fēng)引起了最嚴重的水位抬升。因此我們選取了ESE方向，沿著漁港南側(cè)登陸的臺風(fēng)作為最危險臺風(fēng)路徑，這與歷史上登陸舟山的超強臺風(fēng)路徑較為相似，具有一定的合理性和代表意義。

圖4 不同路徑下漁港內(nèi)風(fēng)暴潮增水疊加有效波高后的平均水位

根據(jù)篩選得到的危險臺風(fēng)路徑，分別計算了不同強度臺風(fēng)等級下的風(fēng)暴潮增水及臺風(fēng)浪波高分布。限于篇幅，僅列出了12級臺風(fēng)下風(fēng)暴潮增水和波浪有效波高分布如圖5所示。由圖可知，由于臺門漁港為三面被島嶼環(huán)繞，兩端開口的特殊地形，不利于風(fēng)暴潮增水的堆積，因此風(fēng)暴潮增水幅度有限，整個漁港內(nèi)風(fēng)暴潮水位區(qū)域性差異不大。雖然漁港外部在臺風(fēng)作用下波浪較強，但波浪通過懸山島和對面山之間的狹窄水道進入漁港后，波浪衰減較為明顯，受對面山島掩護遮蔽的影響，漁港內(nèi)對面山島附近的波高較小，懸山島和六橫島靠近岸邊由于水深較淺，因此有效波高小于漁港中部深水區(qū)。

圖5 12級臺風(fēng)下風(fēng)暴潮增水及波浪有效波高分布

3.2 漁港護岸防臺能力評估

首選對臺門漁港周邊護岸高程進行了測量，數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為國家85高程。測量點采樣如圖6所示。通過最新的現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)可知，部分護岸存在一定的沉降，六橫本島的護岸高程在4.5～5.0 m之間。懸山島一側(cè)的護岸高程普遍低于六橫本島，高程普遍在3～4 m之間，部分高程甚至低于3.0 m，存在較大的風(fēng)險。對面山島附近護岸高程在3～4 m，部分海塘高程達到了5 m。

圖6 臺門漁港護岸高程測量點

基于不同臺風(fēng)等級下的風(fēng)暴潮和波浪數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合護岸高程的現(xiàn)場勘測數(shù)據(jù)，可以確定臺門漁港各護岸的防護能力。將疊加總水位結(jié)果Hw與護岸現(xiàn)有高程H護岸相比較，如Hw≤H護岸，則判別為不漫堤，說明護岸設(shè)施可以安全防護該等級臺風(fēng)下的風(fēng)暴潮和海浪風(fēng)險；反之，則認為護岸無法防護該等級臺風(fēng)下的風(fēng)暴潮和海浪災(zāi)害風(fēng)險?？偹籋w按如下公式計算得到。

式中，Htide為6—9月份的平均高潮位，根據(jù)多年觀測結(jié)果，臺門漁港6—9月平均高潮位為1.52 m；Hsurge為風(fēng)暴潮增水；HS為最大有效波高。根據(jù)上述公式對各臺風(fēng)等級下的總水位進行了組合，限于篇幅，只給出了17級臺風(fēng)下臺門漁港內(nèi)總水位的分布如圖7所示。

圖7 臺門漁港內(nèi)疊加總水位分布（17級臺風(fēng)）

臺門漁港整體被六橫本島、懸山島、對面山島所圍繞，岸線分布比較零散，因此將岸線進行分段研究，以保證漁港岸線設(shè)施評估的合理性和準確性，最終各段岸線防臺等級結(jié)果如圖8所示。

圖8 臺門漁港各護岸防臺等級

由于懸山島一側(cè)存在眾多簡易護岸，年久失修加上沉降嚴重，導(dǎo)致臺門漁港懸山島一側(cè)護岸防護等級較低，各岸段防臺最低等級為14級，六橫本島一側(cè)各標準海塘經(jīng)過加固和翻新后，防護水平要遠超過懸山島一側(cè)，臺風(fēng)防護等級達到了17級，可以很好地保護后方的居民區(qū)及房屋設(shè)施等。對面山塘護岸防臺等級能力處于六橫本島和懸山島之間，防臺等級為15級。按照漁港防臺規(guī)程結(jié)合漁港實際防臺情況，基于就低不就高的原則，臺門漁港護岸防臺等級最終確定為14級。

4 結(jié) 論

本文通過建立高分辨率的風(fēng)暴潮—臺風(fēng)浪數(shù)值模型，對臺門漁港護岸的防臺風(fēng)等級進行了評估研究。選取了臺風(fēng)經(jīng)常登陸的4個方向設(shè)置了假想路徑進行對比，結(jié)果表明ESE方向在漁港南側(cè)登陸的臺風(fēng)路徑為最危險臺風(fēng)路徑，然后基于最危險路徑分別計算了不同強度臺風(fēng)等級下的風(fēng)暴潮增水和有效波高。研究結(jié)果表明：臺門漁港由于三面被島嶼環(huán)繞，兩端開口，因此不利于風(fēng)暴潮增水的累積，而且對波浪的遮蔽效果較為明顯，港內(nèi)的波高顯著小于漁港外圍海域。通過測量護岸高程并與數(shù)值模擬的總水位進行漫堤比較，確定了各段護岸的防臺風(fēng)等級：懸山島一側(cè)防護堤防護等級較低，為14級；六橫本島護岸能夠抵御17級臺風(fēng)引起的水位抬升；對面山島護岸的防臺風(fēng)能力為15級。按照就低不就高的原則，臺門漁港護岸防臺等級最終確定為14級。本研究可為漁港抵御臺風(fēng)災(zāi)害提供一定的科學(xué)依據(jù)，對沿海其他工程設(shè)施的海洋災(zāi)害風(fēng)險評估也有重要的借鑒意義。