工程海域波浪特征分析方法比較

王科華，任趙飛，周智鵬，李偉儀

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510000)

在海港工程設(shè)計(jì)中，波浪要素是重要的參數(shù)?；谌V(全頻域、全方向)的波浪特征參數(shù)(包括有效波高Hs或Hm0、譜峰周期Tp、平均波向MWD等)系列數(shù)據(jù)，主要通過現(xiàn)場實(shí)測或波浪數(shù)值模擬推算等方法獲取[1-3]，并被廣泛用于工程海域波況統(tǒng)計(jì)、作業(yè)波浪條件分析以及極值波浪推算等[4-8]。根據(jù)工程海域波況特征和強(qiáng)度設(shè)計(jì)防波堤、碼頭等結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行海港工程水域布置設(shè)計(jì)，確定防波堤走向和口門朝向等[9-10]。

然而，基于全譜的波浪特征參數(shù)系列數(shù)據(jù)只是全頻域、全方向波浪能量場的一種綜合性概化表征，有時(shí)難以全面、完整地揭示波浪能量在整個(gè)頻域、各個(gè)方向上的詳細(xì)分布及構(gòu)成。規(guī)范(BS 6349-1-2:2016)[11]指出，由于低頻長周期波通常對系泊船舶運(yùn)動(dòng)量、系纜力等產(chǎn)生更為不利的影響，在海港工程設(shè)計(jì)中，須充分考慮波浪能量在方向及頻域上的分布特征，尤其是對于在方向或頻率上存在多峰譜的情況。海外海港工程中，有時(shí)會(huì)遇到波浪能量在方向及頻域上存在多峰譜情況的特殊海域，在工程設(shè)計(jì)中，由于波浪特征參數(shù)計(jì)算方法自身原因，根據(jù)已有的海外海港工程設(shè)計(jì)案例，基于全譜的波浪特征參數(shù)系列數(shù)據(jù)有可能出現(xiàn)以下兩種情況：1) 總波能占絕對優(yōu)勢的主峰波向掩蓋次峰波向，次峰波向在直觀上無法顯現(xiàn)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)中忽略次峰部分波浪能量的存在；2) 總波能占絕對優(yōu)勢的主峰所主導(dǎo)的平均波向錯(cuò)配譜峰能量密度占絕對優(yōu)勢的次峰所控制的譜峰周期Tp，導(dǎo)致設(shè)計(jì)中誤判主峰的波周期。對于上述可能出現(xiàn)的兩種情況，若僅采用基于全譜的波浪特征參數(shù)系列數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析工程海域波況，并指導(dǎo)海港工程水域布置設(shè)計(jì)，則極有可能忽略或誤判個(gè)別敏感波向、關(guān)鍵低頻段的部分波浪能量，對海港防浪功能產(chǎn)生很大的影響。特別是雖然振幅相對較小，但是對系泊船舶動(dòng)態(tài)響應(yīng)較為敏感的低頻部分波能，在海港工程水域布置設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮，并加以掩護(hù)。

結(jié)合兩個(gè)典型海外工程項(xiàng)目案例(工程案例1為塞內(nèi)加爾某FLNG碼頭工程，位于非洲西部，工程海域同時(shí)受源自北大西洋涌浪和源自南大西洋涌浪影響；工程案例2為緬甸某LNG接收站碼頭工程，位于孟加拉灣，工程海域同時(shí)受孟加拉灣季風(fēng)風(fēng)浪和源自印度洋涌浪影響)，首先采用基于全譜的波浪特征參數(shù)系列數(shù)據(jù)(簡稱波浪特征參數(shù)法)統(tǒng)計(jì)分析工程海域波浪特征和碼頭作業(yè)波浪條件，然后提出直接采用波浪譜數(shù)據(jù)(簡稱波浪譜法)深入分析工程海域波浪特征和碼頭作業(yè)波浪條件，比較分析兩種方法對工程海域波浪特征和碼頭作業(yè)波浪條件結(jié)果的差異，以及對海港水域防波堤平面布置設(shè)計(jì)產(chǎn)生的影響。根據(jù)兩種方法的對比分析結(jié)果，強(qiáng)調(diào)了對于波能組成復(fù)雜的海域，海港工程設(shè)計(jì)中采用波浪譜法的優(yōu)勢和重要性，可為類似海外海港工程提供借鑒。

1 波浪譜與波浪特征參數(shù)

1.1 波浪譜

自然界的實(shí)際波浪多為多向不規(guī)則波，波浪譜用于描述波浪能量相對于各個(gè)組成波的分布及構(gòu)成，一般寫成下列形式[12]：

S(f，θ)=E(f)G(f，θ)

(1)

式中：S(f，θ)表示波浪方向譜，f表示頻率，θ表示波浪傳播方向與主波向的夾角，E(f)表示波浪頻譜，G(f，θ)表示方向分布函數(shù)。

常見的波浪譜有Jonswap譜、P-M譜和Neumann譜等，但是大洋中隨機(jī)波的波浪能量構(gòu)成復(fù)雜，特定位置的波浪通常是由當(dāng)?shù)鼐植匡L(fēng)場產(chǎn)生的風(fēng)浪及經(jīng)遠(yuǎn)距離傳播的涌浪組成，并且組成涌浪來源于多個(gè)波浪系統(tǒng)(wave system)的現(xiàn)象也很普遍[13]，目前很難有一種理論波譜可完整地描述波能在全頻域及方向上的分布，一般需要通過現(xiàn)場實(shí)測或者建立區(qū)域甚至全球波浪數(shù)學(xué)模型來獲取工程位置的實(shí)際波譜[12]。

1.2 波浪特征參數(shù)

1.2.1 時(shí)域波浪特征參數(shù)

可通過現(xiàn)場實(shí)測或波浪數(shù)值模擬(如MIKE 21 BW等)得到波浪波面過程線，并據(jù)此采用跨零法統(tǒng)計(jì)得到時(shí)域內(nèi)的各個(gè)波浪特征參數(shù)，常用的一般包括[14]:有效波高H1/3或H13%、平均周期Tm、有效周期T1/3等。

1.2.2 頻域波浪特征參數(shù)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

值得注意的是，譜峰波向θp是二維波浪方向譜譜密度最大值對應(yīng)的波向。國際上普遍采用譜峰周期Tp來反映項(xiàng)目位置的波浪周期特征。

1.3 方法介紹

1.3.1 波浪特征參數(shù)法

波浪特征參數(shù)法作為傳統(tǒng)的方法被廣泛應(yīng)用，該方法直接利用通過現(xiàn)場實(shí)測或波浪數(shù)值模擬推算獲得的基于全譜的波浪特征參數(shù)系列數(shù)據(jù)(如完整1 a、3 h間隔的有效波高Hs、譜峰周期Tp、平均波向MWD系列數(shù)據(jù))，統(tǒng)計(jì)分析工程海域波況，并據(jù)此作為海港工程水域布置設(shè)計(jì)、確定防波堤走向和口門朝向的依據(jù)，該方法忽視了波浪能量的內(nèi)部構(gòu)成。

1.3.2 波浪譜法

以完整1 a、3 h間隔的原始波浪譜系列數(shù)據(jù)為例，波浪譜法指直接利用該原始波浪譜系列數(shù)據(jù)，深入分析波浪能量在整個(gè)頻域及各個(gè)方向上的詳細(xì)分布及構(gòu)成，識(shí)別其中可能存在的多峰譜，結(jié)合工程海域宏觀波浪場特征，分析產(chǎn)生多峰譜的原因，并進(jìn)一步根據(jù)海港工程平面布置特點(diǎn)，將該完整1 a、3 h間隔的原始波浪譜系列數(shù)據(jù)，逐個(gè)進(jìn)行譜分離，將其中影響關(guān)鍵的個(gè)別敏感波向、能量相對集中的低頻段部分波浪能量分離出來，再利用文中1.2.2 節(jié)頻域波浪特征參數(shù)計(jì)算公式將譜分離后的部分波浪能量進(jìn)行參數(shù)化，專門構(gòu)建譜分離后的敏感波向、關(guān)鍵低頻段的部分波浪能量特征參數(shù)系列數(shù)據(jù)，并據(jù)此統(tǒng)計(jì)該部分能量的工程海域波況，與相應(yīng)的低頻允許作業(yè)波高對比，評(píng)估碼頭作業(yè)波浪條件。此方法通過對波浪能量有針對性的細(xì)分，有效避免了波浪特征參數(shù)法可能存在的主峰波向掩蓋次峰波向、主峰波向錯(cuò)配次峰周期的情況出現(xiàn)。波浪譜法計(jì)算工作量大，需要通過Matlab或其它程序編程進(jìn)行批量計(jì)算。

2 研究結(jié)果及分析

選取的兩個(gè)典型海外工程項(xiàng)目案例分別位于大西洋和印度洋，均位于兩個(gè)主浪場交匯區(qū)，并且各自的兩個(gè)主浪場在波向上夾角較大(>90°)、在總波能上相差懸殊，具有很強(qiáng)的代表性?；谌V的波浪特征參數(shù)，實(shí)際上是包含上述兩個(gè)主浪場總波能的波浪特征參數(shù)，在能量合成過程中，工程案例1、工程案例2將分別具體分析前文所述的主峰波向“掩蓋”次峰波向、主峰波向“錯(cuò)配”次峰周期的情況。

工程案例1為塞內(nèi)加爾某FLNG碼頭工程，位于非洲西部、塞內(nèi)加爾與毛里塔尼亞交界處，項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容包括1個(gè)FLNG(Floating LNG)泊位及1個(gè)LNGC(LNG Carrier)泊位，并配套建設(shè)島式防波堤1座，以滿足12.5萬～17.7萬m3LNG船靠泊要求。工程海域同時(shí)受源自北大西洋涌浪和源自南大西洋涌浪影響。

工程案例2為緬甸某LNG接收站碼頭工程，位于孟加拉灣、緬甸伊洛瓦底地區(qū)西南部，項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容包括LNG專用碼頭1座，并配套建設(shè)防波堤、引橋和引堤等，以滿足8萬～21.7 萬m3LNG船靠泊要求。工程海域同時(shí)受孟加拉灣季風(fēng)風(fēng)浪和源自印度洋涌浪影響。

大多數(shù)海外LNG碼頭項(xiàng)目，作業(yè)條件要求非常高，普遍采用的Downtime標(biāo)準(zhǔn)在2.5%以下(即年可作業(yè)頻率高于97.5%)，特別是對于FLNG碼頭，除極端天氣情況外，一般要求可全天候作業(yè)。如此嚴(yán)苛的作業(yè)條件要求，給海港工程水域布置帶來了挑戰(zhàn)，需要特別重視對工程海域作業(yè)波浪條件的深入分析與研究。

兩個(gè)典型工程項(xiàng)目案例均開展了波浪數(shù)模專題研究。除了項(xiàng)目自身波浪數(shù)模專題研究數(shù)據(jù)外，還重點(diǎn)采用了從FHDI-TIWTE全球波浪數(shù)學(xué)模型(1)FHDI-TIWTE全球波浪數(shù)學(xué)模型是由中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司(CCCC-FHDI)聯(lián)合交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院(TIWTE)共同開發(fā)，于2019年7月正式立項(xiàng)確定為中交集團(tuán)科技研發(fā)重點(diǎn)項(xiàng)目。目前第三階段(精細(xì)化階段)已完成2013年完整一周年的波浪模擬，波浪數(shù)據(jù)各項(xiàng)精度評(píng)價(jià)指標(biāo)滿足預(yù)先設(shè)定目標(biāo)。中提取的項(xiàng)目位置2013年完整1 a、3 h間隔的波浪譜及波浪特征參數(shù)連續(xù)時(shí)間序列數(shù)據(jù)。

2.1 工程案例1作業(yè)波浪條件分析

工程擬建設(shè)防波堤長約1.1 km，布置在臨近碼頭的西北側(cè)方向，以掩護(hù)FLNG泊位及LNGC泊位，使其滿足年可作業(yè)頻率98%的作業(yè)條件要求。泊位位置允許作業(yè)波高標(biāo)準(zhǔn)值按涌浪考慮，取Hm0≤0.5 m。

2.1.1 波浪特征參數(shù)法波浪條件分析

對于工程案例1，波浪數(shù)模專題研究報(bào)告依據(jù)美國Oceanweather Inc.(簡稱OWI)1987年11月至2016年12月共30 a的波浪后報(bào)數(shù)據(jù)(2)OWI數(shù)據(jù)指由美國Oceanweather Inc.(簡稱OWI)開發(fā)的全球波浪后報(bào)數(shù)據(jù)，OWI采用OWI3G模式對全球海浪進(jìn)行模擬，利用全球浮標(biāo)及衛(wèi)星高度計(jì)波浪數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證。OWI全球波浪后報(bào)數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為1 h，空間分辨率為0.5°，完整數(shù)據(jù)系列長度為1979年至今，OWI波浪數(shù)據(jù)的各項(xiàng)精度評(píng)價(jià)指標(biāo)高，在國際上被廣泛使用。，采用MIKE 21 SW模型推算到工程防波堤外側(cè)位置，并采用波浪特征參數(shù)法對工程海域的作業(yè)波浪條件進(jìn)行分析，其結(jié)果為：項(xiàng)目位置平均波向集中在WNW～NNW向之間，出現(xiàn)頻率為96.8%，SW～SSW向浪的出現(xiàn)頻率非常低，不足2%；累積頻率75%、90%及99%所對應(yīng)的有效波高Hm0分別為1.51 m、1.79 m及2.35 m；譜峰周期Tp在6～8 s之間的出現(xiàn)頻率為46.4%，波玫瑰圖見圖2(a)。

圖1 兩個(gè)典型海外工程項(xiàng)目案例位置示意Fig.1 Site location plot of the two selected typical overseas port project cases

圖2 OWI、FHDI-TIWTE有效波高Hm0、譜峰周期Tp波玫瑰圖Fig.2 OWI and FHDI-TIWTE sign.wave height Hm0 and peak wave period Tp wave rose map

通過FHDI-TIWTE全球波浪數(shù)學(xué)模型提取項(xiàng)目防波堤外側(cè)、2013年完整一周年的波浪數(shù)據(jù)(3)文章主要從波況的角度闡述觀點(diǎn)，并不涉及極端設(shè)計(jì)波浪要素。案例波浪數(shù)模專題研究報(bào)告僅給出OWI 共30 a數(shù)據(jù)的總波況統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，原始波浪特征參數(shù)系列數(shù)據(jù)并沒有提供，F(xiàn)HDI-TIWTE數(shù)據(jù)為自主研發(fā)，目前僅完成1 a的全球高精度波浪數(shù)值模擬，因此無法將兩套數(shù)據(jù)在時(shí)間上進(jìn)行匹配。雖然兩套數(shù)據(jù)在年限上存在差異，但并不影響文中觀點(diǎn)，主要是因?yàn)橥暾? a的波浪數(shù)據(jù)就可以代表工程海域波況，與幾十年數(shù)據(jù)相比，波況統(tǒng)計(jì)結(jié)果并無明顯差異，數(shù)據(jù)年限的長短，主要影響極端波浪事件。此處解釋同樣適用于工程案例2。，采用波浪特征參數(shù)法對工程海域的作業(yè)波浪條件進(jìn)行分析，其結(jié)果為：項(xiàng)目位置平均波向集中在WNW～NNW向之間，出現(xiàn)頻率為91.5%，SW～SSW向浪的出現(xiàn)頻率非常低，約為2%；累積頻率75%、90%及99%所對應(yīng)的有效波高Hm0分別為1.75 m、2.25 m及3.08 m；譜峰周期Tp在10 s以上的出現(xiàn)頻率為65%，波玫瑰圖見圖2(b)，波浪累積頻率統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖3。

圖3 FHDI-TIWTE有效波高Hm0、譜峰周期Tp累積頻率統(tǒng)計(jì)Fig.3 FHDI-TIWTE accumulative frequency plot of sign.wave height Hm0 and peak wave period Tp

兩套數(shù)據(jù)波向的年內(nèi)統(tǒng)計(jì)分布特征基本一致，大浪、大周期波集中出現(xiàn)的方向也基本相同。

無論是OWI數(shù)據(jù)(本項(xiàng)目波浪數(shù)模專題研究報(bào)告)，還是FHDI-TIWTE全球波浪數(shù)學(xué)模型數(shù)據(jù)，其波況統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果都顯示：項(xiàng)目位置的平均波向集中分布在WNW～NNW向之間，大浪、大周期波也都集中出現(xiàn)在該方向；SW～SSW向浪的出現(xiàn)頻率極低，不足2%，并且該方向上的波高、周期相對于WNW～NNW向浪也要明顯偏低。因此從掩護(hù)的角度考慮，防波堤只需重點(diǎn)防護(hù)WNW～NNW向浪，而無需對SW～SSW向浪進(jìn)行專門掩護(hù)，即可滿足FLNG泊位及LNGC泊位位置年可作業(yè)頻率98%以上的要求(Hm0≤0.5 m出現(xiàn)頻率98%)。

2.1.2 波浪譜法波浪條件分析

由FHDI-TIWTE全球波浪數(shù)學(xué)模型中提取2013年6月15日15時(shí)大西洋范圍—區(qū)域波浪分布場(如圖4所示)可知，項(xiàng)目位置實(shí)際上處在源自北大西洋經(jīng)長距離傳播的偏NNW向涌浪以及源自南大西洋經(jīng)長距離傳播的偏SSW向涌浪交匯區(qū)，理應(yīng)受到這兩股涌浪的同步作用。然而該時(shí)刻運(yùn)用波浪特征參數(shù)法計(jì)算得到的波浪特征參數(shù)顯示的項(xiàng)目位置平均波向卻為322°N，直觀上反映不出偏SSW向涌浪的影響。因此，波浪宏觀分布情況與波浪特征參數(shù)法分析結(jié)論存在矛盾，需更進(jìn)一步地采用波浪譜法對該位置的作業(yè)波浪條件進(jìn)行分析。從FHDI-TIWTE全球波浪數(shù)學(xué)模型中提取2013年6月15日15時(shí)(與圖4同時(shí)刻)項(xiàng)目防波堤外側(cè)相同位置波浪譜數(shù)據(jù)(如圖5所示)可知，該波浪譜在方向上存在兩個(gè)高密度波浪能量集中區(qū)，即偏NNW向譜峰頻率為0.11 Hz的主峰，以及偏SSW向譜峰頻率為0.07 Hz的次峰，這與該時(shí)刻項(xiàng)目所在區(qū)域波浪場的宏觀分布情況相吻合。進(jìn)一步地通過對偏SSW向高密度能量集中區(qū)的波能進(jìn)行譜分離，求得該方向的有效波高Hm0=0.75 m，超過0.50 m允許作業(yè)波高標(biāo)準(zhǔn)值，若該部分波浪能量進(jìn)入港內(nèi)，將導(dǎo)致系泊FLNG/LNGC船不可作業(yè)。

圖4 項(xiàng)目所在區(qū)域有效波高Hm0、譜峰周期Tp宏觀分布Fig.4 Overall wave field distribution for the project area of sign.wave height Hm0 and peak wave period Tp

圖5 平均波向計(jì)算示意Fig.5 Mean wave direction calculation indication plot

實(shí)際上，在全年的各個(gè)月份，特別是6月至10月，很多時(shí)刻的波浪譜數(shù)據(jù)均出現(xiàn)了偏SSW向高密度波浪能量集中區(qū)(見圖6給出的示例)，其中最長一次持續(xù)時(shí)間超過1個(gè)月，但對應(yīng)時(shí)刻的波浪特征參數(shù)顯示的平均波向卻均為偏NNW向，“掩蓋”了偏SSW向的波浪能量部分。從FHDI-TIWTE全球波浪數(shù)學(xué)模型中提取2013年完整1 a、3 h間隔的波浪譜系列數(shù)據(jù)，逐個(gè)對偏SSW向高密度能量集中區(qū)的波能進(jìn)行譜分離，再將分離后的該部分波浪能量利用文中1.2.2 節(jié)頻域波浪特征參數(shù)計(jì)算公式求得該方向被分離部分波浪能量的有效波高Hm0系列，發(fā)現(xiàn)普遍超過允許作業(yè)波高標(biāo)準(zhǔn)值0.5 m，其中年最大值接近1.5 m，由此引起的Downtime可達(dá)18%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過規(guī)定的2%可接受標(biāo)準(zhǔn)。因此，從波浪譜的角度分析，需要建設(shè)防波堤對偏SSW向浪進(jìn)行專門防護(hù)。

圖6 項(xiàng)目位置三月、六月、九月波浪譜示例(2013年)Fig.6 Wave energy spectrum sample of March，June and September for the project site (year 2013)

2.1.3 結(jié)果對比及原因分析

對于工程案例1，關(guān)于防波堤是否需對SW～SSW向浪進(jìn)行掩護(hù)，現(xiàn)將“波浪特征參數(shù)法”及“波浪譜法”的作業(yè)波浪條件分析結(jié)果匯總于表1。

表1 波浪特征參數(shù)法及波浪譜法作業(yè)波浪條件分析結(jié)論對比Tab.1 Operational wave conditions comparison for the method of characteristic wave parameters and wave spectrum

波浪特征參數(shù)法與波浪譜法在作業(yè)波浪條件分析結(jié)論上的差異，主要體現(xiàn)在SW～SSW向涌浪出現(xiàn)頻率的巨大差距上，對其產(chǎn)生原因分析如下：

對于波浪特征參數(shù)法，由文中1.2.2節(jié)平均波向計(jì)算公式可知，基于全譜計(jì)算得到的平均波向?yàn)槿轿坏哪芰科骄ㄏ颍瑢τ诓ɡ四芰吭陬l域及方向上存在多峰譜的情況，如果主峰與各次峰之間的總波能相差懸殊，受主峰權(quán)重占絕對優(yōu)勢的影響，基于全譜計(jì)算得到的平均波向會(huì)偏向主峰，而各次峰的波浪方向無法顯現(xiàn)，被主峰掩蓋。若這種情況頻繁出現(xiàn)，將直接導(dǎo)致基于全譜的波浪特征參數(shù)系列數(shù)據(jù)大量忽略其他敏感波向的存在，對設(shè)計(jì)產(chǎn)生誤導(dǎo)。如圖5所示，基于全譜計(jì)算得到的平均波向貼近主峰波向NNW向，直觀上卻反映不出偏SSW向次峰波浪能量的存在，這就是基于全譜的波浪特征參數(shù)在波向上存在失真的內(nèi)在原因。而對于波浪譜法，由于直接采用波浪譜數(shù)據(jù)作為分析的依據(jù)，可以通過波浪譜圖非常直觀地了解波浪能量在全頻域、全方向上的分布特征，并通過譜分離及相關(guān)公式計(jì)算對關(guān)鍵波向、關(guān)鍵頻域段的波浪能量進(jìn)行量化，評(píng)估其對海港水域平面布置的影響，從而可避免波浪特征參數(shù)法存在的上述問題。

2.2 工程案例2作業(yè)波浪條件分析

工程擬建設(shè)防波堤由岬角引出，長約580 m，布置在LNG碼頭的西側(cè)呈SSE～NNW走向，以掩護(hù)LNG碼頭，使其滿足年可作業(yè)頻率97.5%的作業(yè)條件要求。根據(jù)項(xiàng)目船舶動(dòng)態(tài)系泊數(shù)學(xué)模型研究報(bào)告，對于周期大于10 s的涌浪，泊位位置允許作業(yè)波高標(biāo)準(zhǔn)值為Hm0≤0.6 m。

2.2.1 波浪特征參數(shù)法波浪條件分析

對于工程案例2，波浪數(shù)模專題研究報(bào)告依據(jù)美國OWI 1979年至2016年共38 a的波浪后報(bào)數(shù)據(jù)，采用SWAN模型推算到工程防波堤外側(cè)位置，并采用波浪特征參數(shù)法對工程海域的作業(yè)波浪條件進(jìn)行分析，其結(jié)果為：項(xiàng)目位置平均波向主浪向?yàn)閃SW～W向，出現(xiàn)頻率為66.95%，次主浪向?yàn)閃NW～NW向，出現(xiàn)頻率為27.5%；累積頻率75%、90%及99%所對應(yīng)的有效波高Hm0分別為1.26 m、1.83 m及3.05 m；譜峰周期Tp在10 s以上的出現(xiàn)頻率為61%，波玫瑰圖見圖7(a)。

圖7 OWI、FHDI-TIWTE有效波高Hm0、譜峰周期Tp波玫瑰圖Fig.7 OWI and FHDI-TIWTE sign.wave height Hm0 and peak wave period Tp wave rose map

由FHDI-TIWTE全球波浪數(shù)學(xué)模型提取項(xiàng)目防波堤外側(cè)、2013年完整一周年的波浪數(shù)據(jù)，采用波浪特征參數(shù)法對工程海域的作業(yè)波浪條件進(jìn)行分析，其結(jié)果主要為：項(xiàng)目位置平均波向主浪向?yàn)閃SW～W向，出現(xiàn)頻率為73.56%，次主浪向?yàn)閃NW～NW向，出現(xiàn)頻率為20.71%；累積頻率75%、90%及99%所對應(yīng)的有效波高Hm0分別為1.21 m、1.85 m及2.85 m；譜峰周期Tp在10 s以上的出現(xiàn)頻率為64%，波玫瑰圖見圖7(b)，波浪累積頻率統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖8。

圖8 FHDI-TIWTE有效波高Hm0、譜峰周期Tp累積頻率統(tǒng)計(jì)Fig.8 FHDI-TIWTE accumulative frequency plot of sign.wave height Hm0 and peak wave period Tp

兩套數(shù)據(jù)波高、周期、波向的年內(nèi)統(tǒng)計(jì)分布特征基本一致。依據(jù)該兩套數(shù)據(jù)的波況統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，對于WNW～NW向浪，其譜峰周期Tp基本大于10 s，所對應(yīng)的有效波高Hm0超過0.6 m的概率接近18%，因此為使LNG泊位位置滿足年可作業(yè)頻率97.5%的作業(yè)要求，防波堤需對WNW～NW向浪進(jìn)行掩護(hù)。

2.2.2 波浪譜法波浪條件分析

由FHDI-TIWTE全球波浪數(shù)學(xué)模型中提取2013年1月22日21時(shí)項(xiàng)目位置大范圍區(qū)域波浪分布場(如圖9所示)可知，項(xiàng)目位置實(shí)際上處在源自印度洋經(jīng)長距離傳播的偏SSW向涌浪以及孟加拉灣由NW季風(fēng)產(chǎn)生的偏NW向季風(fēng)浪交匯區(qū)，理應(yīng)受到這兩股浪的同步作用。然而該時(shí)刻波浪特征參數(shù)顯示的項(xiàng)目位置平均波向卻為301°N，譜峰周期Tp為11.2 s，直觀上反映不出偏SSW向涌浪的影響，得出該時(shí)刻不存在偏SSW向涌浪作用的失真判斷。通過溯源發(fā)現(xiàn)，項(xiàng)目位置西側(cè)約180 km處存在大片的、譜峰周期Tp約為5 s的NW季風(fēng)浪區(qū)(如圖9(b)所示)，該區(qū)譜峰周期Tp約為5 s的偏NW向季風(fēng)浪，經(jīng)過約180 km的距離繼續(xù)向東傳播到工程位置后，譜峰周期Tp不可能增加到11.2 s，很顯然，項(xiàng)目位置波浪特征參數(shù)顯示的偏NW向季風(fēng)浪的譜峰周期Tp被顯著夸大。因此，波浪宏觀分布情況與波浪特征參數(shù)法分析結(jié)論存在矛盾，需更進(jìn)一步地采用波浪譜法對該位置的作業(yè)波浪條件進(jìn)行分析。

圖9 項(xiàng)目所在區(qū)域有效波高Hm0、譜峰周期Tp宏觀分布Fig.9 Overall wave field distribution for the project area of sign.wave height Hm0 and peak wave period Tp

從FHDI-TIWTE全球波浪數(shù)學(xué)模型中提取2013年1月22日21時(shí)(與圖9同時(shí)刻)項(xiàng)目防波堤外側(cè)相同位置波浪譜數(shù)據(jù)(如2.2.3節(jié)圖10所示)，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，該波浪譜在方向上存在兩個(gè)高密度波浪能量集中區(qū)，即偏NW向譜峰頻率為0.16 Hz的主峰，以及偏SSW向譜峰頻率為0.08 Hz的次峰，這與該時(shí)刻項(xiàng)目所在區(qū)域波浪場的宏觀分布情況相吻合。很明顯，偏NW向主峰的譜峰周期Tp僅為6.3 s(1/0.16 Hz)，其性質(zhì)為風(fēng)浪，這與波浪特征參數(shù)顯示該時(shí)刻的譜峰周期Tp為11.2 s差距甚遠(yuǎn)。

圖10 項(xiàng)目位置波浪譜(2013年1月22日21時(shí)) Fig.10 Wave energy spectrum for the project site (21:00 on January 22，2013)

從FHDI-TIWTE全球波浪數(shù)學(xué)模型中調(diào)取該位置整個(gè)冬季(2013年1月至2月，2013年10月至12月)所有平均波向?yàn)閃NW～NW向、譜峰周期Tp大于10 s時(shí)間段的波浪能量譜進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)普遍存在上述類似的兩個(gè)高密度波浪能量集中區(qū)，且WNW～NW向季風(fēng)浪的真實(shí)譜峰周期Tp基本分布在4～6 s之間(遠(yuǎn)低于10 s)。然而，對應(yīng)時(shí)刻波浪特征參數(shù)顯示的平均波向卻均為WNW～NWW向，大量“掩蓋”了偏SSW向波浪能量的存在，并且WNW～NW向季風(fēng)浪的譜峰周期Tp均被顯著夸大至10 s以上。

按風(fēng)浪考慮，碼頭船舶順浪條件下LNG船的允許作業(yè)波高H4%=1.5 m[10]，換算成對應(yīng)的有效波高Hm0為1.2 m[4]，通過對WNW～NW向高密度能量集中區(qū)的波能進(jìn)行譜分離，求得該方向的有效波高Hm0大于1.2 m 的頻率僅為1.1%，低于2.5%的Downtime標(biāo)準(zhǔn)。因此，從波浪譜的角度分析，防波堤無需對WNW～NW向浪進(jìn)行掩護(hù)即可滿足LNG泊位位置年可作業(yè)頻率97.5%的作業(yè)條件要求。

2.2.3 結(jié)果對比及原因分析

對于工程案例2，關(guān)于防波堤是否需對WNW～NW向浪進(jìn)行掩護(hù)，現(xiàn)將波浪特征參數(shù)法及波浪譜法的作業(yè)波浪條件分析結(jié)果匯總于表2。

表2 波浪特征參數(shù)法及波浪譜法作業(yè)波浪條件分析結(jié)論對比Tab.2 Operational wave conditions comparison for the characteristic wave parameters and wave spectrum methods

波浪特征參數(shù)法與波浪譜法在作業(yè)波浪條件分析結(jié)論上的差異，主要體現(xiàn)在WNW～NW向譜峰周期Tp大小的差距上，其產(chǎn)生原因分析如下：

對于波浪特征參數(shù)法，由文中1.2.2節(jié)平均波向、譜峰周期Tp的計(jì)算公式可知，基于全譜計(jì)算得到的平均波向?yàn)槿轿坏哪芰科骄ㄏ?，對于波浪能量在頻域及波向上存在多峰譜的情況，如果主峰與各次峰之間的總波能相差懸殊，受主峰權(quán)重占絕對優(yōu)勢的影響，基于全譜計(jì)算得到的平均波向，會(huì)向主峰嚴(yán)重傾斜，從而各次峰的波浪方向無法顯現(xiàn)，直接被主峰掩蓋；同時(shí)，當(dāng)次峰的譜峰能量密度遠(yuǎn)高于主峰的譜峰能量密度時(shí)，全譜范圍內(nèi)的譜峰周期Tp會(huì)被次峰的譜峰能量所控制，最終使波浪特征參數(shù)所表現(xiàn)出來的平均波向與譜峰周期Tp，實(shí)際上是由總波能占絕對優(yōu)勢的主峰所主導(dǎo)的平均波向錯(cuò)配譜峰能量密度占絕對優(yōu)勢的次峰所控制的譜峰周期Tp組成。若這種情況頻繁出現(xiàn)，將直接導(dǎo)致基于全譜的波浪特征參數(shù)系列數(shù)據(jù)大量錯(cuò)誤顯示個(gè)別敏感波向的波周期，給設(shè)計(jì)產(chǎn)生誤導(dǎo)。如圖10所示，基于全譜計(jì)算得到的平均波向貼近主峰波向NW向，直觀上卻反映不出偏SSW向次峰波浪能量的存在，并且與該全譜平均波向匹配的譜峰周期Tp實(shí)際上是偏SSW向次峰所控制的譜峰周期Tp，這就是基于全譜的波浪特征參數(shù)在周期上存在失真的內(nèi)在原因。

3 結(jié) 語

海外海港工程很多海岸線處于涌浪作用區(qū)，受沿程不同風(fēng)場驅(qū)動(dòng)和波浪傳播影響，其波浪能量構(gòu)成相對復(fù)雜，存在波浪能量在方向及頻域上的多峰譜情況。

通過兩個(gè)典型海外工程項(xiàng)目案例的作業(yè)波浪條件分析，發(fā)現(xiàn)僅采用波浪特征參數(shù)法對工程海域作業(yè)波浪條件進(jìn)行分析，對于波浪能量在頻域及波向上存在多峰譜情況的海域，可能忽略或誤判個(gè)別敏感波向、關(guān)鍵頻域段的部分波浪能量。若僅依此來指導(dǎo)海港工程水域平面布置設(shè)計(jì)，很可能對港內(nèi)泊穩(wěn)造成不利影響，為后續(xù)項(xiàng)目運(yùn)營埋下隱患。因此，對于在波浪能量構(gòu)成相對復(fù)雜的海域建港，除了采用波浪特征參數(shù)法對工程海域波浪條件進(jìn)行分析外，還應(yīng)結(jié)合實(shí)際波浪情況，從宏觀角度了解工程海域波浪的整體分布和構(gòu)成情況。對于波浪宏觀分布情況與波浪特征參數(shù)法分析結(jié)論存在矛盾的海域，需進(jìn)一步地依據(jù)現(xiàn)場實(shí)測、大范圍的區(qū)域或者全球波浪數(shù)學(xué)模型提供的波浪譜數(shù)據(jù)，采用波浪譜法深入分析工程海域波浪能量在整個(gè)頻域及各個(gè)方向上的詳細(xì)分布及構(gòu)成，通過譜分離及相關(guān)公式計(jì)算，對關(guān)鍵波向、關(guān)鍵頻域段的波浪能量進(jìn)行量化，評(píng)估其對海港水域平面布置的影響，從而最大程度地避免由于波浪輸入條件誤判帶來的風(fēng)險(xiǎn)，提升海港工程設(shè)計(jì)、咨詢、科研水平。