黃島港區(qū)周邊海域不同重現(xiàn)期潮位及波高的數(shù)值模擬

劉傳弟，牛光偉，楊立鵬

（1.青島市金水水資源科技有限責(zé)任公司，山東 青島 266100；2.青島市水務(wù)事業(yè)發(fā)展服務(wù)中心,山東 青島 266100；3.青島市運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展中心，山東 青島 266100）

近岸海域的潮位、波浪對港口工程的影響非常明顯，是工程設(shè)計(jì)、安全生產(chǎn)要考慮的主要因素，因此眾多學(xué)者對不同工況下的潮位、波浪進(jìn)行了大量研究。白玉川等[1]對流速與潮位耦合作用下的近岸波浪傳播進(jìn)行了研究，得到了波高計(jì)算公式，并進(jìn)行了對比驗(yàn)證。孟祥東等[2]以小麥島污水處理廠為例，對近岸波高進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，為工程設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。肖王挺[3]研究了潮位對濱海核電廠運(yùn)行控制的影響，發(fā)現(xiàn)潮位上升會(huì)導(dǎo)致機(jī)組效率下降，并提出了相關(guān)建議。劉勇[4]研究了河口港對潮流水動(dòng)力的影響，結(jié)果顯示，港口建設(shè)后將會(huì)對納潮量、潮流流態(tài)、船舶航行產(chǎn)生影響，設(shè)計(jì)時(shí)需對港口布局、結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行優(yōu)化。金桂中等[5]根據(jù)實(shí)測資料對錢塘江河口特征潮位、潮汐歷時(shí)的變化規(guī)律及相關(guān)的河口工程進(jìn)行了研究，探討了潮汐特性變化的原因。

黃島港區(qū)是青島港的重要組成部分，是以原油、成品油和液體化工品運(yùn)輸為主的大型專業(yè)化液體散貨港區(qū)，其周邊海域的水動(dòng)力條件對工程建設(shè)及安全生產(chǎn)尤為重要，本研究以黃島港區(qū)為例，計(jì)算其附近海域不同重現(xiàn)期的潮位和波浪場，給出重點(diǎn)工程附近的波高分布及防潮防浪水位。

1 模型及計(jì)算工況

Mike21 模型采用大模型和小模型嵌套的方法建立，潮流、波浪模塊均采用三角形網(wǎng)格。大模型網(wǎng)格個(gè)數(shù)為19834，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為10650；小模型網(wǎng)格個(gè)數(shù)為4060，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為2420。模型地形如圖1 所示。

圖1 模型地形圖

因附近海域S、E、SE 向風(fēng)作用比較明顯，所以本模型主要對這三個(gè)方向上的潮流場、波浪場進(jìn)行計(jì)算，分析近岸海域的潮位和波浪變化，工況如表1 所示。

表1 計(jì)算工況

2 計(jì)算結(jié)果

2.1 潮位

邊界條件采用工程100 年一遇高潮位，風(fēng)資料采用100 年一遇E 向大風(fēng)。近岸區(qū)域主要工程監(jiān)測點(diǎn)選取為：對膠州灣灣口潮流頂托作用較明顯的青島港油二期20萬噸級(jí)碼頭、油三期30 萬噸級(jí)碼頭的近岸區(qū)域；6 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)位置如圖2 所示。

圖2 監(jiān)測點(diǎn)位置圖

對各監(jiān)測點(diǎn)不同風(fēng)向及重現(xiàn)期潮位值進(jìn)行計(jì)算，100 年一遇高潮位介于3.15～3.16 之間；300 年一遇高潮位介于3.34～3.35 之間，300 年一遇潮位高出100年一遇工況潮位約0.2 米，且E 風(fēng)向作用下的潮位略高于SE 向的工況，S 向潮位值最小。

2.2 波浪場

通過不同工況的模型計(jì)算發(fā)現(xiàn)，港區(qū)周邊海域E、SE、S 向風(fēng)吹程最大，其中E 方向100 年一遇涌浪和風(fēng)浪在岸邊的有效波高最大，SE 方向次之，S 方向較小，如圖3 所示。外海來浪在向近岸的傳播過程中衰減較小，衰減作用主要發(fā)生在近岸區(qū)域，并在靠近部分岸邊處發(fā)生破碎。

圖3 100 年一遇各風(fēng)向有效波高分布圖

當(dāng)遭遇E 方向100 年一遇風(fēng)浪潮時(shí)，各點(diǎn)的有效波高為0.61～2.01m 不等，海域最大有效波高可達(dá)3.23m（如圖3(a)所示），最大波高可達(dá)6.0m（如圖4(a)所示）；當(dāng)遭遇E 方向300 年一遇風(fēng)浪潮時(shí)，各點(diǎn)的有效波高為0.91～2.38m 不等，海域最大有效波高可達(dá)3.61m（如圖4(b)所示），最大波高可達(dá)6.5m（如圖4(c)所示）；但各監(jiān)測點(diǎn)所在位置高程較高，受風(fēng)暴潮的影響較小。

圖4 不同重現(xiàn)期E 向大風(fēng)波高分布圖

2.3 防潮防浪水位計(jì)算結(jié)果

因黃島港區(qū)岸邊高程較高，在100 和300 年一遇E向風(fēng)大風(fēng)疊加100 和300 年一遇天文潮時(shí)，淹沒范圍比較小，只有靠海一側(cè)高程比較低的位置形成了淹沒，如圖5 所示。

圖5 不同重現(xiàn)期E 向大風(fēng)疊加潮位的淹沒范圍

主要工程監(jiān)測點(diǎn)的防潮防浪水位如表2 所示，當(dāng)遭遇100 年一遇工況時(shí)，各監(jiān)測點(diǎn)防潮防浪的允許越浪水位約為3.16m，不允許越浪水位約為4.01m；當(dāng)遭遇300年一遇工況時(shí)對應(yīng)的允許越浪水位約為3.35m，不允許越浪水位約為4.24m，均增加約0.2m。

表2 工程區(qū)域沿岸各測點(diǎn)防潮防浪水位

3 結(jié)論

通過對不同風(fēng)向、重現(xiàn)期潮位及波浪場的數(shù)值模擬，得到主要結(jié)論如下：

（1）對于工程海域，E、SE、S 向風(fēng)區(qū)長度較大，其中E方向涌浪和風(fēng)浪在岸邊的波高最大，SE方向次之，S 方向較小。

（2）當(dāng)工程海域遭遇E 方向100 年一遇風(fēng)暴潮時(shí)，海域最大有效波高可達(dá)3.23m；當(dāng)遭遇300 年一遇風(fēng)浪潮時(shí)，海域最大有效波高可達(dá)3.61m。

（3）當(dāng)工程海域遭遇100 年一遇風(fēng)暴潮時(shí)，允許越浪的防潮防浪水位約為3.16m，不允許越浪的防潮防浪水位約為4.014m；300 年一遇工況時(shí)，對應(yīng)的防潮防浪水位分別約為3.351m 和4.238m。

4 工程建議

（1）近岸區(qū)域可增設(shè)匯流和外排通道系統(tǒng)，以解決越浪水量的匯流和回流問題，并保持越浪水量在較小范圍內(nèi)活動(dòng)，且能較快回流到海域。

（2）近岸構(gòu)筑物宜采取新型結(jié)構(gòu)形式以有效消減高潮位對應(yīng)的波浪爬高，減少風(fēng)暴潮期間越浪水體漫流的淹沒范圍。