越浪預(yù)測(cè)研究綜述及展望

李靜，張則飛，丁雪霖，朱永，夏冬冬

（1.國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京 100081；2.國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心自然資源部海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.浙江省海洋科學(xué)院，浙江杭州 310012；4.自然資源部海洋空間資源管理技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 310012）

0 引言

越浪通常是以平均越浪量來進(jìn)行度量，因其易于測(cè)量和分類而被廣泛使用，是海堤工程設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。平均越浪量（q）定義為一個(gè)足夠長(zhǎng)的波列在單位時(shí)間內(nèi)越過堤頂單位寬度上的平均越浪體積（單位：m3/（s·m））。實(shí)際上，越浪過程是一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)過程，水體在時(shí)空分布上極不均勻，在風(fēng)暴發(fā)生期間，單波的最大越浪量可能達(dá)到平均越浪量的100倍以上[2-4]。因此，除了平均越浪量，還有其他相關(guān)的參數(shù)衡量越浪的大小及影響，如單波越浪峰值體積、越頂速度和厚度等。本文主要從平均越浪量預(yù)測(cè)、允許越浪標(biāo)準(zhǔn)以及越浪風(fēng)險(xiǎn)研究方面回顧越浪研究的發(fā)展，為未來可能開展的越浪預(yù)警提供參考信息。

1 越浪量預(yù)測(cè)方法研究

越浪量與波浪參數(shù)（波高、周期、波向角等）和結(jié)構(gòu)參數(shù)（堤頂超高、坡度、堤頂寬度、護(hù)面條件等）密切相關(guān)。目前使用最廣泛的平均越浪量預(yù)測(cè)工具是基于物理試驗(yàn)而獲得的經(jīng)驗(yàn)公式，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬和基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的越浪預(yù)測(cè)研究也在不斷發(fā)展。

1.1 越浪量估算經(jīng)驗(yàn)公式

經(jīng)驗(yàn)公式是通過物理試驗(yàn)數(shù)據(jù)等推導(dǎo)，將平均越浪量與主要波浪、結(jié)構(gòu)參數(shù)等關(guān)聯(lián)起來從而確定的估算公式。主要基礎(chǔ)公式如下：

式中:q*為無量綱平均越浪量，常被定義為其中g(shù)為重力加速度，Hs為有效波高；R*是無量綱相對(duì)超高，常被定義為，其中Rc為堤頂?shù)届o水面的距離；a、b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

SAVILLE[5]基于規(guī)則波開展了物理模型試驗(yàn)研究，測(cè)量了在各類斜坡堤的波浪爬高和越浪，積累了大量數(shù)據(jù)；OWEN[6]基于光滑不透水簡(jiǎn)單斜坡堤越浪研究提出了無量綱平均越浪量公式，并推導(dǎo)了隨坡度變化的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，被廣泛應(yīng)用于工程中；VAN DER MEER[7-8]更全面地分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和波浪要素對(duì)越浪量的影響，如坡面糙率、有無護(hù)坡平臺(tái)、是否發(fā)生淺水變形和是否為斜波等，他提出的平均越浪量公式被整理編入2018 年歐洲越浪手冊(cè)（EurOtop-2018）和美國海岸工程手冊(cè)（Coastal Engineering Manual，CEM）中；虞克等[9]進(jìn)行了斜坡堤越浪試驗(yàn)研究，討論了相對(duì)超高和波浪陡度對(duì)越浪量的影響，給出了胸墻對(duì)單坡堤越浪量的折減系數(shù)及計(jì)算方法；王紅等[10]分別給出了斜坡堤坡比為1.5～3.0 的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，討論了各類護(hù)面結(jié)構(gòu)的影響系數(shù)，提出了相應(yīng)的計(jì)算方法并整理編入國家《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》；陳國平等[11]針對(duì)不規(guī)則波作用下斜坡堤越浪進(jìn)行了大量的物理模型試驗(yàn)，綜合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了波浪爬高和堤頂超高兩個(gè)主要因子對(duì)越浪量的影響，并提出了較為簡(jiǎn)化的計(jì)算公式（該公式需先計(jì)算波浪爬高）。合田良實(shí)[12]根據(jù)直立堤和水平混合式直立堤越浪量的試驗(yàn)研究繪制了越浪計(jì)算圖表，并推算得到直立式海堤越浪量；俞聿修等[13]在國內(nèi)首次通過物理試驗(yàn)研究了直立堤上不規(guī)則波的越浪量，研究結(jié)果表明長(zhǎng)波的越浪量較大；BESLEY[14]總結(jié)了以堤前水深系數(shù)區(qū)分破碎波影響的分段估算公式，分析了基床對(duì)直立堤越浪量的影響并給出了經(jīng)驗(yàn)公式；ALLSOP 等[15]持續(xù)對(duì)直立堤前波浪破碎進(jìn)行了詳細(xì)研究，并重新討論了區(qū)分破碎波的條件，認(rèn)為破碎過程不僅對(duì)越浪量有影響，也會(huì)帶來不同的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。國內(nèi)外部分常用的越浪量計(jì)算公式如下：

①《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)有無胸墻的單坡斜坡堤（見圖1）給出了計(jì)算公式：

圖1 堤頂無胸墻和有胸墻斜坡式海堤示意圖Fig.1 Schematic diagram of inclined seawalls with and without wave wall

式中：q為平均越浪量（單位：m3（/s·m））；A、B為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；KA為護(hù)面結(jié)構(gòu)影響系數(shù)；H1/3為有效波高；Tp為譜峰周期；Hc為無胸墻時(shí)堤頂與靜水面的距離，為有胸墻時(shí)頂部與靜水面的距離；m為坡度；b1為有胸墻時(shí)堤肩寬度；d為堤前水深。

全部51例疑似脊柱骨折患者病理診斷陽性42例、陰性9例。X線脊柱骨折診斷陽性36例、陰性15例。CT檢查脊柱骨折診斷陽性41例、陰性10例。詳情見表1。

②陳國平公式主要適用單坡和復(fù)式斜坡堤。公式如下：

式中：Rs為累計(jì)率13%的波浪爬高；p為胸墻高度；Hs為有效波高；Rc為堤頂與靜水面的距離；g為重力加速度。

③EurOtop-2018適用于多種斜坡式和直墻式海堤，越浪量計(jì)算公式按影響因素的不同劃分比較詳細(xì)，研究和設(shè)計(jì)人員可根據(jù)不同前置條件進(jìn)行選取。主要基礎(chǔ)公式為：

式中：Rc為堤頂與靜水面的距離，Rc≥0；Hm0為波譜有效波高；a、b、c為擬合系數(shù)。

研究人員對(duì)比分析了國內(nèi)外斜坡堤越浪量的計(jì)算方法，并通過物理模型試驗(yàn)進(jìn)行比較。楊克勤等[16]認(rèn)為EurOtop 公式有較強(qiáng)的適用性；舒葉華等[17]建議進(jìn)行復(fù)式海堤計(jì)算時(shí)可綜合比較EurOtopⅡ公式和陳國平公式后進(jìn)行選用；李社生等[18]通過試驗(yàn)比較認(rèn)為，相比于美國CEM 方法、日本港口技術(shù)規(guī)范（Technical Standards and Commentaries for Port and Harbor Facilities，OCDI）方法，EurOtop方法能較準(zhǔn)確地估計(jì)斜坡堤的越浪量，因此在國標(biāo)適用條件外，推薦使用EurOtopⅡ公式。針對(duì)直立堤的越浪量計(jì)算，俞聿修[19]比較了多種方法，各公式計(jì)算得到的平均越浪量總體隨波向角的增大而減小、隨相對(duì)超高Rc/Hs的增大而減?。辉S荔等[20]通過試驗(yàn)對(duì)比，認(rèn)為可選用陳國平公式將坡度取為接近零的值來計(jì)算直立堤越浪量，效果良好；李曉亮[21]對(duì)破碎波條件下的直立堤上越浪量進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果表明對(duì)周期和底坡坡度等因素的不同處理方式是導(dǎo)致估算出現(xiàn)差異的重要原因，合田良實(shí)公式比EurOtop方法更接近試驗(yàn)結(jié)果。

總體來說，因海堤等防護(hù)結(jié)構(gòu)種類較多、波浪條件不同等原因，在運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行越浪預(yù)測(cè)時(shí)，需要根據(jù)不同的斷面形狀、護(hù)面條件及其他影響因素，選取適合的平均越浪量計(jì)算公式用于堤防設(shè)計(jì)或風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等。

1.2 越浪數(shù)值模擬研究

由于越浪物理模型試驗(yàn)存在成本高、耗時(shí)、受場(chǎng)地和工況制約、比尺效應(yīng)等問題，因此科學(xué)家也在不斷探索新的越浪研究方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值方法的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬越來越多地應(yīng)用于越浪研究，成為試驗(yàn)研究重要的補(bǔ)充工具。常用模型包括淺水方程模型、雷諾時(shí)均（Reynolds-Averaged Navier-Stokes，RANS）方程模型等，應(yīng)用流體體積（Volume Of Fluid，VOF）方法或光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH）方法，基于Fluent、OpenFOAM 等軟件開展模擬研究。

基于非線性淺水方程，HU 等[22]建立的AMAZON 模型模擬了各類海岸結(jié)構(gòu)工程的越浪過程，計(jì)算的越浪量結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果非常吻合，該模型比經(jīng)驗(yàn)公式更靈活，比三維模型計(jì)算效率更高。SUZUKI 等[23]研究了非靜壓時(shí)域波浪模擬（Simulating Waves Till Shore，SWASH）模型在淺灘不透水海岸結(jié)構(gòu)越浪量估算方面的適用性，為了獲得精確的平均越浪量，針對(duì)堤腳的入射波特性提出了一種修正方法，與物理試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，SWASH 模型能夠?qū)\灘原型尺度下大于10-3m3/（s·m）的越浪量進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)，同時(shí)還能預(yù)測(cè)瞬時(shí)越浪量。張杰等[24]基于SWASH 模型對(duì)長(zhǎng)江口圍墾工程的越浪進(jìn)行模擬研究，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值隨時(shí)間變化的趨勢(shì)一致，大小接近，與《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算相比，模擬結(jié)果更精確。在基于Navier-Stokes（N-S）方程的數(shù)值模型中，VOF 和SPH 是兩種主要的自由表面追蹤法。SPH 方法是一種無網(wǎng)格拉格朗日方法，能夠很好地處理自由表面形變的流動(dòng)問題，SHAO等[25]提出一個(gè)不可壓縮的SPH 模型模擬規(guī)則波和不規(guī)則波在斜坡堤的越浪過程，敏感性分析顯示了湍流模擬和空間分辨率的重要性；AKBARI[26]對(duì)邊界處表面顆粒的粘度進(jìn)行了改進(jìn)處理，能夠更準(zhǔn)確地模擬自由表面邊界，模擬結(jié)果更可靠，越浪率更接近測(cè)量值。但是，SPH 方法存在計(jì)算量大、效率低的問題，相較而言基于VOF方法的模型計(jì)算成本更低，且能夠準(zhǔn)確捕捉自由表面的大變形運(yùn)動(dòng)，因此許多學(xué)者對(duì)VOF 方法進(jìn)行了大量研究?；赗ANS 方程和VOF 法，LOSADA 等[27]模擬了規(guī)則波和不規(guī)則波在斜坡堤上的越浪過程，與試驗(yàn)值相比，模型模擬得到的平均越浪量平均誤差和均方根誤差均小于經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值，且更適用于預(yù)測(cè)瞬時(shí)越浪量；周勤俊等[28]在Fluent 平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了數(shù)值造波與消波，建立了二維數(shù)值波浪水槽并對(duì)規(guī)則波在海堤上的越浪過程進(jìn)行了模擬，模擬值與試驗(yàn)值的偏差隨模型比尺的增大和堤前波浪破碎強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大；張九山等[29]在此基礎(chǔ)上，將多孔介質(zhì)模型作為耗散源項(xiàng)加入動(dòng)量方程中，發(fā)展了帶異形塊體海堤的越浪過程數(shù)值模擬技術(shù)，確定了等效阻力系數(shù)，越浪量計(jì)算值與試驗(yàn)值相對(duì)誤差在10%以內(nèi)；劉亞男等[30]對(duì)規(guī)則波在不可透性簡(jiǎn)單斜坡堤上的越浪過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果與HU 等[22]非線性淺水方程的數(shù)值結(jié)果相比，能更有效地模擬含有卷吸、射流和破碎的海堤越浪問題；董志等[31]針對(duì)復(fù)式海堤開展了規(guī)則波和不規(guī)則波越浪研究，模擬結(jié)果與物理試驗(yàn)值都比較吻合，規(guī)則波模擬值較HU等[22]的模擬值更接近物理模型結(jié)果，不規(guī)則波的模擬結(jié)果總體偏?。欢镜冗€研究并分析了波浪與海堤相互作用的3 個(gè)階段，發(fā)現(xiàn)海堤除受到波浪的正面沖擊力外，迎水面特別是堤腳附近還會(huì)受到退浪和上浪過程形成漩渦的淘刷作用；李東洋等[32]基于OpenFOAM 建立了三維數(shù)值波浪水槽，研究了正向入射不規(guī)則波與扭王塊體護(hù)面斜坡堤的相互作用，模擬結(jié)果表明全尺度的數(shù)值波浪水槽可以較合理地描述復(fù)雜護(hù)面塊體斜坡堤的越浪過程；CHEN等[33]基于OpenFOAM 建立了二維數(shù)值模型用于預(yù)測(cè)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和粗糙度的堤壩越浪，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度與EurOtop 手冊(cè)中的經(jīng)驗(yàn)公式準(zhǔn)確度相當(dāng)甚至更好，研究還分析了堤壩結(jié)構(gòu)因素對(duì)減少越浪的影響，驗(yàn)證了模型良好的適用性。

1.3 基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的越浪量估算

隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機(jī)器學(xué)習(xí)算法的興起，研究人員也開展了相應(yīng)研究，其中影響最為廣泛的是歐洲CLASH 項(xiàng)目。該項(xiàng)目通過許多獨(dú)立項(xiàng)目和試驗(yàn)收集了大量數(shù)據(jù)并形成數(shù)據(jù)庫，在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)建立了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。VAN GENT 等[34]基于CLASH項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訓(xùn)練，開發(fā)了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)方法，可用于多種類型的海岸結(jié)構(gòu)的平均越浪量預(yù)測(cè)，而且還提供預(yù)測(cè)可靠性分析，預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，尤其是對(duì)于較大的越浪量表現(xiàn)更好，均方根誤差約為0.29。ZANUTTIGH 等[35]建立的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可用于預(yù)測(cè)沿海防護(hù)堤的波反射系數(shù)，具有良好的穩(wěn)定性，平均均方根誤差低于0.04。EurOtop-2018的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算工具基于上述及更多研究，包含超過17 000 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在預(yù)測(cè)能力和精度方面都得到改進(jìn)，可預(yù)測(cè)平均越浪量、波浪透射系數(shù)及波浪反射系數(shù)。LEE 等[36-37]采用數(shù)據(jù)處理組合算法（Group Method of Data Handling，GMDH）提出一個(gè)新的斜坡堤和直立堤越浪估算公式，測(cè)試結(jié)果顯示該公式和EurOtop 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的準(zhǔn)確度相似，比EurOtop 經(jīng)驗(yàn)公式更為準(zhǔn)確。劉詩學(xué)等[38]基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了單坡堤越浪量預(yù)測(cè)模型，該模型與試驗(yàn)結(jié)果有很強(qiáng)的相關(guān)性。胡原野等[39]建立了以隨機(jī)森林算法為基礎(chǔ)的復(fù)坡堤越浪量預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)能力優(yōu)于集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，該模型可以分析特征參數(shù)對(duì)預(yù)測(cè)精度的影響大小，為進(jìn)一步篩選特征參數(shù)提供依據(jù)。鄭健等[40]建立了開孔沉箱防波堤反射系數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模型，計(jì)算結(jié)果與訓(xùn)練樣本和檢驗(yàn)樣本總體符合良好，平均均方根誤差小于0.1，相關(guān)系數(shù)超過0.86，相比已有經(jīng)驗(yàn)公式，該模型不僅提高了計(jì)算精度，且擴(kuò)大了適用范圍。

3類越浪預(yù)測(cè)方法對(duì)比見表1?？傮w而言，在上述3 種方法中，平均越浪量經(jīng)驗(yàn)公式經(jīng)過長(zhǎng)期的研究，應(yīng)用更普遍，最常用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的確定需經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，且難以分析形狀復(fù)雜的防護(hù)結(jié)構(gòu)；數(shù)值模擬和機(jī)器學(xué)習(xí)作為重要的補(bǔ)充工具，也是越浪預(yù)測(cè)的發(fā)展方向，尤其可用于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和預(yù)警方面。機(jī)器學(xué)習(xí)模型可以對(duì)不同坡度、不同護(hù)面類型、混合堤等復(fù)雜斷面進(jìn)行計(jì)算，方便快捷，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度更高，給出的置信區(qū)間可以對(duì)越浪量可能出現(xiàn)的范圍進(jìn)行初步估計(jì)，彌補(bǔ)了經(jīng)驗(yàn)公式的不足，在海堤等前期設(shè)計(jì)階段可以作為方案優(yōu)化選擇的輔助工具。數(shù)值建?？梢愿呔饶M特殊或復(fù)雜結(jié)構(gòu)的越浪過程，能夠詳細(xì)分析各類要素對(duì)越浪過程的影響，適用于對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)要求更多的工程；但由于其物理環(huán)境和動(dòng)力過程設(shè)置復(fù)雜，計(jì)算效率低，目前各類數(shù)值模型都有自身的局限性，不足以成為預(yù)測(cè)越浪的標(biāo)準(zhǔn)工具，但數(shù)值模擬仍有很大的發(fā)展前景。

表1 3類越浪預(yù)測(cè)方法對(duì)比Tab.1 Comparison of three types of methods for wave overtopping prediction

2 允許越浪量標(biāo)準(zhǔn)

允許越浪量標(biāo)準(zhǔn)是防護(hù)結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)和使用中需要考慮的重要因素之一，需要綜合分析越浪量、海堤結(jié)構(gòu)、后方人員設(shè)施等情況。在實(shí)際發(fā)生越浪的過程中，平均越浪量不能反應(yīng)越浪的短期效應(yīng)甚至瞬時(shí)效應(yīng)，因此研究單個(gè)波浪產(chǎn)生的越浪量是必要的。單波越浪峰值體積（Vmax，單位：m3/m）可能對(duì)過往行人和車輛安全等造成更大的威脅，在設(shè)定允許越浪量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)也作為重要衡量因素之一。某些情況下還需要考慮越頂流速和越頂厚度等因素[41]。目前很多國內(nèi)外規(guī)范中都規(guī)定了允許越浪量標(biāo)準(zhǔn)。

俞聿修[42]對(duì)日本、荷蘭、美國等相關(guān)規(guī)范中的允許越浪量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行綜合對(duì)比，發(fā)現(xiàn)各標(biāo)準(zhǔn)主要基于堤防結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、堤上車輛速度、人員是否經(jīng)過訓(xùn)練等差異可能造成的不同危害程度來對(duì)平均越浪量和單波越浪峰值體積進(jìn)行可允許的標(biāo)準(zhǔn)劃分，這對(duì)堤壩設(shè)計(jì)和越浪預(yù)警具有重要參考意義。夏運(yùn)強(qiáng)等[43]綜合了國內(nèi)外允許越浪量標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，收集整理了工程實(shí)例和研究成果，根據(jù)防波堤和護(hù)岸的不同功能和不同使用時(shí)長(zhǎng)要求，提出了適用于港口工程的允許越浪量標(biāo)準(zhǔn)建議值。耿寶磊等[44]對(duì)中外港口相關(guān)規(guī)范中的海堤越浪量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，認(rèn)為考慮結(jié)構(gòu)安全的允許越浪量最大，后方區(qū)域重要程度次之，考慮交通安全的允許越浪量最小；但他也強(qiáng)調(diào)“單波越浪可達(dá)平均越浪的百倍”，其破壞性不容忽視。

3 越浪風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警研究

越浪風(fēng)險(xiǎn)主要來自兩方面，一個(gè)是對(duì)堤防結(jié)構(gòu)的沖擊或滲透破壞，另一個(gè)是越過堤后對(duì)后方人員、設(shè)施等帶來的破壞，以及由此造成的生命財(cái)產(chǎn)損失。因此，開展越浪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究并制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)或防御指南，對(duì)減輕越浪風(fēng)險(xiǎn)有重要意義。由于開展越浪預(yù)報(bào)、預(yù)警需要高分辨率的近海水位和波浪要素信息、海岸防護(hù)結(jié)構(gòu)工程的最新參數(shù)，以及考慮適合的模型或經(jīng)驗(yàn)公式等，限制條件較多，因此很少針對(duì)越浪開展業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)工作。但近年來，歐洲多地根據(jù)自身需求也逐步開展越浪風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。

DOS REIS[45]和SABINO 等[46]開展了葡萄牙海岸越浪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和預(yù)警研究，分別進(jìn)行了近岸海浪要素獲取、越浪計(jì)算、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以及預(yù)警發(fā)布；越浪計(jì)算分為兩種方式，即在港口內(nèi)運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，在沿海則運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。ALVARELLOS 等[47]建立了針對(duì)西班牙海岸的越浪監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在獲取歷史數(shù)據(jù)和觀測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，根據(jù)計(jì)算結(jié)果預(yù)測(cè)越浪的發(fā)生。STOKES等[48]設(shè)計(jì)了SWEEP-OWWL 系統(tǒng)來開展越浪風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警業(yè)務(wù)：首先通過數(shù)值模式（Delft3D/SWAN）預(yù)測(cè)水位和波浪參數(shù)，基于波浪參數(shù)和沿岸自然或防護(hù)工程參數(shù)，并利用EurOtop-2018 選擇適合的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算越浪量，最后根據(jù)預(yù)測(cè)值與允許越浪量計(jì)算得到越浪風(fēng)險(xiǎn)。該系統(tǒng)為英國西南部1 000 km 海岸線提供3 d 的越浪風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，準(zhǔn)確率達(dá)到97%，并能夠區(qū)分低風(fēng)險(xiǎn)事件和高風(fēng)險(xiǎn)事件。ALISES 等[49]提出了一種越浪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，該方法綜合考慮了危險(xiǎn)事件發(fā)生概率、衡量受影響港口的脆弱性及經(jīng)濟(jì)成本，可將其整合到越浪風(fēng)險(xiǎn)管理框架中以應(yīng)對(duì)港口安全問題。CAO等[50]針對(duì)沿海不透水斜坡堤和垂直堤，提出了一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估框架來評(píng)估越浪對(duì)行人的風(fēng)險(xiǎn)，該風(fēng)險(xiǎn)框架考慮了海況、工程結(jié)構(gòu)以及行人信息等，將風(fēng)險(xiǎn)量化為可能性和嚴(yán)重性的總和。另外，CHINI 等[51]研究了在氣候變化和海平面上升的背景下，越浪的發(fā)生頻率及越浪量的變化。CHEN 等[52]對(duì)水力和結(jié)構(gòu)條件改變情況下可能增加的越浪風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析研究，并提供了一種確定風(fēng)險(xiǎn)成本優(yōu)化維護(hù)策略的工具。

4 結(jié)語和展望

本文系統(tǒng)性地分析了國內(nèi)外現(xiàn)有的越浪預(yù)測(cè)方法、越浪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和預(yù)警等研究工作?？傮w來說，越浪預(yù)測(cè)趨向更便捷、更準(zhǔn)確的方法，針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)，可采用靈活的組合方式來提升預(yù)測(cè)的適用性和準(zhǔn)確度。為了進(jìn)一步減輕越浪可能造成的危害，有必要加強(qiáng)越浪風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并推動(dòng)越浪預(yù)警報(bào)業(yè)務(wù)的發(fā)展。具體總結(jié)及展望如下：

①無論是用于工程設(shè)計(jì)還是越浪預(yù)警，平均越浪量公式是目前應(yīng)用最為廣泛的工具，由于海堤等結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，不同類型的公式涉及因素不盡相同，需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的工具。公式的更新完善以及各類相關(guān)參數(shù)的設(shè)置受物理試驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量等因素的制約和影響，因此仍需對(duì)其不斷深入研究；多數(shù)越浪量計(jì)算公式?jīng)]有考慮風(fēng)的作用，未來需要通過有風(fēng)條件和無風(fēng)條件下進(jìn)一步的數(shù)據(jù)來驗(yàn)證和量化風(fēng)作用的影響。

②機(jī)器學(xué)習(xí)算法能夠免于復(fù)雜的選擇、計(jì)算快捷、操作方便，歐洲多地已經(jīng)開始使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為越浪預(yù)測(cè)工具。該方法需要大量的數(shù)據(jù)來支撐訓(xùn)練和驗(yàn)證，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度在很大程度上取決于篩選的數(shù)據(jù)集的質(zhì)量，目前國內(nèi)這方面的研究和應(yīng)用仍然開展較少。

③數(shù)值模擬是越浪研究的一個(gè)重要發(fā)展方向，已經(jīng)有很多學(xué)者通過各類軟件成功模擬了越浪過程，但在數(shù)值方法適用選擇、邊界條件等設(shè)置上還需進(jìn)一步研究和探討。目前數(shù)值模型的計(jì)算效率相對(duì)較低，且經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置需要經(jīng)過充分的驗(yàn)證，因此可結(jié)合物理模型試驗(yàn)或機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行優(yōu)化選擇，模擬一旦經(jīng)過驗(yàn)證，能夠成為更經(jīng)濟(jì)便捷的方案用于因自身局限性無法進(jìn)行越浪試驗(yàn)和海防工程設(shè)計(jì)的研究中。

④我國應(yīng)加強(qiáng)堤防結(jié)構(gòu)形式和越浪試驗(yàn)資料的收集分類，并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。由于我國海岸線長(zhǎng)，地形地勢(shì)存在較大差異，因此要調(diào)查分析不同地區(qū)、不同類型的沿海堤防結(jié)構(gòu)，并與相似的越浪量試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，獲取相適應(yīng)的平均越浪量計(jì)算公式；同時(shí)也可以為基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法開展越浪預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

⑤加強(qiáng)越浪風(fēng)險(xiǎn)研究，建立允許越浪標(biāo)準(zhǔn)。由于越浪造成的破壞可能取決于單波最大的越浪量，不能與平均越浪量完全對(duì)應(yīng)，因此，在平均越浪量的研究基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對(duì)其他越浪因素的研究，例如考慮越浪率、單波越浪峰值體積、越頂速度和厚度等，并結(jié)合承災(zāi)體等信息進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，建立更為適用的允許越浪標(biāo)準(zhǔn)。

⑥開展越浪風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。越浪研究已經(jīng)不局限于海堤等防護(hù)工程設(shè)計(jì)，開展越浪預(yù)警對(duì)保護(hù)堤后生命財(cái)產(chǎn)安全、加強(qiáng)沿海防災(zāi)減災(zāi)管理具有重要意義。歐洲多地都已建立越浪預(yù)警系統(tǒng)，主要利用海浪數(shù)值模式獲取波浪參數(shù)，通過不同的越浪計(jì)算工具得到越浪量并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估來提供越浪風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，而我國在這方面還處于空白。隨著氣候變化等帶來的威脅，越浪風(fēng)險(xiǎn)也在增加，因此有必要加強(qiáng)越浪預(yù)測(cè)技術(shù)研究，建立越浪預(yù)警系統(tǒng)。