貢湖湖區(qū)風浪要素計算方法探討

唐馨婷 劉曙光 高 怡

1.同濟大學土木工程學院水利工程系，上海 200092；

2.水利部太湖流域管理局水文水資源監(jiān)測局，江蘇 無錫 214024

湖泊，是陸地表面洼地積水形成的水域寬廣、流動緩慢的水體形式，也是人類開展生產(chǎn)、生活活動的主要區(qū)域之一。水作為湖泊中傳遞物質和能量的載體，通過水體運動的基本形式，實現(xiàn)了湖泊中的物質的輸移以及能量的轉換[1]。貢湖是太湖東北部的一個湖灣，水面面積為146km2，湖區(qū)內重要水源地有無錫南泉水廠、錫東水廠和蘇州金墅港水源地。目前貢湖灣建有貢湖水質自動站和風浪站，自2006年以來，取得了大量的水質和風浪監(jiān)測數(shù)據(jù)。

隨著社會經(jīng)濟的全面發(fā)展，人類對水資源的需求量越來越大、對水質的要求越來越高，然而，隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，太湖水質富營養(yǎng)化嚴重、水華頻發(fā)，水污染問題越來越嚴重，貢湖水源地的供水安全受到了嚴重威脅。

近年來對以太湖為代表的大型淺水湖泊的研究表明，強烈的水動力作用是導致水-沉積物界面不穩(wěn)定、沉積物再懸浮和營養(yǎng)鹽內源釋放、生長層內部結構和生物數(shù)量變化、光學吸收、衰減等物理、化學、生物過程的重要驅動力[2-4]。而在影響底泥內源釋放的水動力作用中，風浪是最主要的作用力之一。因此，開展湖泊風浪的研究，對防洪減災工作、發(fā)展湖區(qū)的經(jīng)濟建設具有重要的科學意義[1]，對貢湖湖區(qū)風浪要素計算方法的研究刻不容緩。

1 存在的問題

目前，計算風浪要素有許多種方法，有些是經(jīng)驗的，有些是半經(jīng)驗半理論的，也有一些是純理論的[5]。在太湖風浪特征研究方面，喬樹梁等人[6]曾于1992年和1993年的8～11月間，在無錫馬山附近的湖面上，進行了風浪觀測，并且根據(jù)實測資料，系統(tǒng)地分析了湖泊風浪的特性，進而提出了湖泊風浪要素的計算方法：

該公式在認識太湖風浪特征及計算太湖風浪要素方面發(fā)揮了重要作用[2]。然而，通過湖泊風浪要素計算公式計算出來的結果，與貢湖湖區(qū)風浪觀測站實測資料對比發(fā)現(xiàn)（見表1）：該經(jīng)驗公式計算值與實測值相差較大。當風區(qū)長度達到50km時，最高誤差可達到60%以上。因此可以推測，風浪資料具有較明顯的地區(qū)性，風浪的發(fā)展，除了受到水深、風區(qū)長度以及風速的直接影響外，還受到地形以及水生植物種類的影響[5,7]。并且，由于當時觀測手段的不同、設備精確度的限制、觀測數(shù)據(jù)的整理方法以及觀測點距離湖岸較近且為單點觀測等因素的影響[5,7]，其結果是否適用貢湖湖區(qū)有待進一步的討論和分析。

表1 風浪要素實測與計算波高統(tǒng)計

2 研究現(xiàn)狀

目前適合淺水的風浪要素計算方法主要有：美國的SMB法、小風區(qū)風浪公式、青島海洋大學法、莆田實驗站法、淺水湖泊風浪公式和日本的井島公式等。

其中，莆田實驗站法是由河海大學洪廣文等根據(jù)福建莆田實驗站觀測資料，考慮了風速、風區(qū)長度和水深的影響，提出的一個適用于深、淺水的風浪要素計算方法，該方法已為我國水利部《碾壓式土石壩規(guī)范》所采用[1]，其公式為：

截止目前研究表明，不同湖泊的風浪可以以莆田實驗站公式為基礎進行風浪要素擬合計算。趙利平等[1]以洞庭湖風浪實測資料為依據(jù)，主要對目前國內外常用的風浪要素計算方法進行了比較，并且在莆田實驗站公式的基礎上反復調試，得出適合于洞庭湖區(qū)的風浪要素計算公式；曹勇等[8]對淀山湖對淀山湖風浪開展現(xiàn)場觀測，以莆田實驗站公式為基礎，對測定結果進行擬合得出淀山湖趙田湖水域風浪平均波高的經(jīng)驗計算公式。

3 研究方法

3.1 風浪要素觀測

貢湖湖區(qū)上的風浪觀測站每秒鐘產(chǎn)生4個風浪監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括風速、風向、波高、水深等風況及風浪要素資料。具體的站點坐標位置如下（見圖1）：

貢湖站（120 °23 ’45 .4”，31°26’38.0”）

大浦口站（119 °55 ’52 .3”，31°15’57.8”）

平臺山站（120 °06 ’20 .2”，31°13’54.5”）

3.2 相關影響因子的確定

風浪一旦生成，周圍的不同影響因子會對它產(chǎn)生不同的影響，其中主要的影響因子有：風況（包括：風速、風向、風時和風區(qū)長度）、水深和海流等[5]。

根據(jù)《堤壩工程設計規(guī)范》（GB50286-98），當研究區(qū)域的風區(qū)長度≤100km時，可以不考慮風時的影響[8]。貢湖風區(qū)長度小于100km，因此風時不作為計算該湖區(qū)風浪要素的主要影響因子。

因此，根據(jù)相關規(guī)定及前人的研究基礎，本文擬定風速、水深、風區(qū)長度為貢湖湖區(qū)風浪主要影響因素。

4 擬合結果及驗證

4.1 擬合

首先設定參數(shù)a1、a2、a3、a4、a5，風浪計算公式可以用如下形式表示：

利用數(shù)值計算軟件，通過最小二乘法，以貢湖湖區(qū)風浪站實測資料為基礎，對參數(shù)a1、a2、a3、a4、a5進行非線性擬合，計算得出參數(shù)的最佳估計值（表1）。因此，可以得出貢湖湖區(qū)風浪要素的計算公式為：

表1 參數(shù)估計表

由圖2可以看出，通過對該公式的計算值和實測波高值得對比，擬合值與實測值的誤差基本上在±30%以內，擬合程度較好。

圖1 太湖風浪觀測站分布

圖2 波高擬合值與實測值對比

圖3 擬合校驗結

4.2 驗證

為驗證擬合公式的準確度，對2010年10月14日風浪站觀測數(shù)據(jù)進行采集，并利用上述擬合公式進行計算，得到觀測時段內的太湖風浪要素計算值，并用實測值對計算結果進行驗證。根據(jù)統(tǒng)計（圖3），實測值與計算值的誤差基本在±30%以內，擬合效果較好。因此證明所得出的擬合關系式適合貢湖湖區(qū)風浪實際情況，可用于計算貢湖風浪的平均波高。

5 結語

本研究在考慮了風速、水深以及風區(qū)長度這三個風浪成長主要影響因子的前提下，通過對貢湖風浪觀測平臺的觀測數(shù)據(jù)進行擬合及率定，得到了適合于貢湖湖區(qū)的風浪要素計算經(jīng)驗公式為：

分析結果表明，不同湖區(qū)由于其水下地形以及水環(huán)境條件的差異，應根據(jù)研究區(qū)域具體情況選用適合該區(qū)域的風浪計算公式。本文以貢湖風浪平臺實測資料為基礎，在莆田試驗站風浪要素計算公式的基礎上，對該公式進行擬合，并通過對修正后的計算公式所得到的計算值與實測值進行比較，發(fā)現(xiàn)計算值與風浪要素實測值吻合度較好。該公式可完善現(xiàn)有的太湖水動力學模型，掌握在不同風浪作用下的沉積物再懸浮特征與水體營養(yǎng)鹽濃度變化情況，從而為太湖底泥生態(tài)疏浚和突發(fā)性水污染事件預警提供依據(jù)。

[1]趙利平，沈浩，沈小雄.洞庭湖區(qū)風浪要素計算的探討[J].長沙交通學院學報，2004(20)

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[8]曹勇，孫從軍，高陽俊等.淀山湖水域風浪要素計算研究[J].長江流域資源與環(huán)境，2011，20(1)：39-43