漁港有效避風面積計算探討——以霞關漁港為例

林法玲

（1.福建省海洋預報臺，福建福州 3500032.福建省海洋與漁業(yè)信息中心福建福州 350003）

1 引言

我國是一個海洋大國，海洋漁業(yè)作為海洋三大產(chǎn)業(yè)中的第一產(chǎn)業(yè)在我國海洋經(jīng)濟中占有重要位置。據(jù)不完全統(tǒng)計，全國共有各類海洋捕撈漁船約31萬艘，各類漁港1000余個，從業(yè)漁民達800萬人。由于我國位于西北太平洋和南海海域沿岸，而西北太平洋和南海海域是全球臺風最為活躍的海域，頻受風暴潮和臺風浪的襲擊，海洋災害對漁業(yè)生產(chǎn)造成了重大傷亡和財產(chǎn)損失。根據(jù)《中國海洋災害公報》統(tǒng)計，在2000—2010年期間，我國漁船沉損累計達56000余艘，養(yǎng)殖面積累計損失近1300千公頃，直接經(jīng)濟損失1498億元。2006年8號臺風“桑美”超強臺風的正面襲擊福建和浙江交界海域，福建沙埕港灣內(nèi)聚集了福鼎市、霞浦縣及浙江蒼南、平陽等地各類大、小避臺漁船近萬艘，造成721艘漁船沉沒、1723艘漁船被損壞的結(jié)果,給當?shù)貪O業(yè)生產(chǎn)帶來了極大的損失[1]。海洋漁業(yè)生產(chǎn)安全，關系到廣大漁民的切身利益，一直是各級政府部門高度關注的民生問題。建設好海洋漁業(yè)安全環(huán)境保障系統(tǒng)，為漁業(yè)生產(chǎn)安全管理提供有力的技術支撐，不僅是國家海洋局當前重中之重的工作，也是沿海各省自身應做好的工作職責。而通過漁港有效避風面積計算確定漁港避風容量，確保漁船在港內(nèi)安全避風，是海洋環(huán)境專題預報中的重要內(nèi)容。漁港有效避風面積是指，漁港在100年一遇設計波浪作用時，漁港港內(nèi)有效波高H1/3≤1.0 m的水域面積[2-4]。本文利用Mike21中的BW模型，以防波堤堤前波要素為邊界條件[5]，計算避風漁港的港內(nèi)波況，并統(tǒng)計出相應的避風面積，進一步完善了海洋漁業(yè)生產(chǎn)安全保障系統(tǒng)，為海洋漁業(yè)行政主管部門指導漁業(yè)安全生產(chǎn)提供了有力的技術支撐[6]。

圖1 x、y方向的交錯網(wǎng)格

2 MIKE21-BW波浪數(shù)值模型介紹[7]

MIKE21-BW波浪數(shù)值模型由丹麥水力研究所（Danish Hydraulic Institute，簡稱DHI）開發(fā)，能很好的模擬波浪傳播過程中的折射、繞射、反射、淺化等現(xiàn)象。

2.1 模型控制方程

連續(xù)方程：

X方向動量方程：

Y方向動量方程：

式中，下標x、y、t分別表示對空間和時間的偏微分。式中：ξ為波面升高；P、Q為x、Y方向流量密度；B為深水色散系數(shù)；Fx、Fy為x、y方向水平應力；

D為靜水深；h為水深，h=d+ξ;C為謝才系數(shù)；α為孔隙介質(zhì)中的層流阻力系數(shù)；Β為孔隙介質(zhì)中的紊流阻力系數(shù)；n為孔隙率；g為重力加速度。

2.2 邊界條件

模型計算區(qū)域的邊界分3種：

（1）入射波浪邊界條件

MIKE21－BW模型中，入射波浪邊界有邊界造波和內(nèi)部造波兩種[8]。

（2）全反射邊界條件

全反射直墻邊界上的法向速度應為0，即u·n=0，式中n=(nx,ny)為邊界的外法向單位矢量。

（3）吸收波浪邊界

在實際工程中，防波堤等建筑物都是部分吸收波浪能量，為使波浪能量部分被吸收，且能量部分反射回計算區(qū)域，模型采用在邊界前設置海綿層的方法使波浪衰減。

2.3 數(shù)值求解

圖2 漁港平面布置圖

BW模型采用等間距矩形網(wǎng)格，ADI格式求解。在矩形計算域中，分別在x方向和y方向進行求解，使問題轉(zhuǎn)化為求解兩個三對角矩陣方程組，網(wǎng)格布置見圖1。差分格式詳見相關參考文獻[9]。

3 工程概況及模型設置

蒼南縣霞關一級漁港位于溫州市蒼南縣的南端，地理坐標為27°10′N、120°27′E，與福建省沙埕港隔海相望，距離僅5.0 km。影響該避風港的外海波浪主要有兩種：一種是SE、ESE和E向浪，從東口門（南關島和門仔嶼兩個口門）進入；另一種是SSW和SW向浪，主要從西口門（老鼠尾防波堤西側(cè)）及八字門傳入港內(nèi)，八字門口門狹窄，進入港區(qū)的波浪較小，西口門很大，偏西向波浪的傳入，會對新建防波堤后的港區(qū)避風條件產(chǎn)生較大影響。該漁港共建設防波堤包括老鼠尾、門仔嶼和南關島三段。老鼠尾段防波堤自老鼠尾島西南岬角處，沿方位角110°—290°N方向延伸1000 m，該方案布置后，形成港池面積約2.60 km2，對S—SW向浪具有較大的掩護作用，部分SW和SSW向浪將通過繞射進入港區(qū)。霞關鎮(zhèn)—門仔嶼由長114 m的透空式防波堤連接，防波堤走向0°—180°N，門仔嶼—南關島為雙突堤布置，兩堤走向均為70°—250°N，呈平行布置，各長27 m和45 m，形成口門寬90 m，具體詳見圖2。

由于SW和SSW向波浪周期較短，相應的波長也較短，計算時需要采用較小的計算網(wǎng)格；東側(cè)防波堤長度較短，口門較小，也需要采用較小的計算網(wǎng)格，模型采用5 m×5 m矩形網(wǎng)絡。為提高模型計算效率，需要盡量選取較小的計算范圍，經(jīng)分析，確定不同方向模型計算范圍。由于模型空間網(wǎng)格小，為滿足Courant數(shù)的要求，相應的時間步長也要小，模型時間步長取0.3 s。

因造波線距離防波堤很近（僅6—7倍波長），模型又不計底摩擦，驗算表明，從造波線位置到防波堤的傳播過程中波浪基本不衰減。因而，可取堤前波要素作為模型計算邊界條件，其中SW、SSW向港內(nèi)波浪計算的邊界條件取1＃波要素，E、ESE和SE向港內(nèi)波浪計算的邊界條件取2＃波要素。港內(nèi)波況計算邊界條件見表1。

表1 港內(nèi)波浪計算邊界條件

自然岸灘按全吸收邊界處理，設置10層海綿層；斜坡堤按0.3的反射系數(shù)設置空隙層；直立堤按0.9的反射系數(shù)設置空隙層；透空堤按透射系數(shù)0.4、反射系數(shù)0.6考慮設置空隙層。由于計算范圍較小，模型不計底摩擦。模型也未考慮波浪破碎[10]。

4 計算結(jié)果分析

由于偏東向浪主要為涌浪，模型計算時，邊界條件的波向采用折射后港外波浪的實際方向。偏東向港內(nèi)波浪計算時，模型計算范圍中，南關島西側(cè)部分水域?qū)τ诟蹆?nèi)波浪計算基本沒有影響，為提高模型計算效率，將該水域設置為人工陸地，其邊界按全吸收邊界處理。

圖3 E向浪入射時港內(nèi)波高分布（單位/m）

圖4 ESE向浪入射時港內(nèi)波高分布（單位/m）

圖5 SE向浪入射時港內(nèi)波高分布（單位/m）

圖6 SSW向浪入射時港內(nèi)波高分布圖（單位/m）

圖7 SW向浪入射時港內(nèi)波高分布圖（單位/m）

表2 各波高段對應區(qū)域面積統(tǒng)計（單位/萬m2）

SE、ESE和E3個港外波浪方向中，SE向波浪入射時港內(nèi)波況最好，有效波高0.6 m以下的避風區(qū)域面積198.91 m2。ESE向波浪入射時港內(nèi)波況最差，有效波高0.6 m以下的避風區(qū)域面積121.82 m2。E向波浪入射時港內(nèi)波況介于前兩者之間，這顯然是因為ESE向港外波浪的波高大、周期長，屬最不利工況，其波高分布見圖3—5，各波高段對應區(qū)域面積見表2。因此，在港外發(fā)生偏東向大浪時，漁船應盡量避開東口門附近區(qū)域，而選擇在霞關漁港西側(cè)避風錨泊。

霞關漁港附近水域偏西向浪主要為風浪，出于避風漁船的安全考慮，計算時港外波要素方向取與風向相同，而不采用折射后的波向。為減小計算范圍、提高計算效率，將港外波浪由八字門傳入港內(nèi)的情況單獨考慮。

偏西向港內(nèi)波浪的計算結(jié)果表明，由八字門傳入港內(nèi)的波浪很小，對于霞關漁港的港內(nèi)避風條件影響很小。SSW和SW向港外波浪入射時，港外波浪經(jīng)老鼠尾防波堤繞射往港內(nèi)繞射并逐漸衰減，波高分布見圖6—7，SSW向波浪入射時港內(nèi)波況較好，有效波高0.6 m以下的避風區(qū)域面積250.37 m2，SW向波浪入射時港內(nèi)波況較差，有效波高0.6m以下的避風區(qū)域面積220.89 m2，各波高段對應區(qū)域面積見表2。根據(jù)圖示，SW向來浪時屬不利工況。

將各個浪向中最不利的工況進行疊加，得出漁港有效的避風錨泊面積為184.76萬m2，并按照0.6 m以下、0.6—0.8 m和0.8—1.0 m三類波高段進行避風區(qū)域劃分（見圖8），以便行政主管部門結(jié)合錨地水深、底質(zhì)等要素，確定不同船型漁船的避風區(qū)域，做到有針對性的安排漁船避風。

5 結(jié)論

圖8 霞關漁港避風錨泊區(qū)域圖

（1）漁港有效避風面積是避風能力的一個重要指標，是海洋環(huán)境專題預報中的重要內(nèi)容。本文利用Mike21-BW模型，通過計算各浪向入射時的漁港港內(nèi)波況，來確定有效波高H1/3≤1.0 m的區(qū)域面積，并按照0.6 m以下、0.6—0.8 m和0.8—1.0 m三類港內(nèi)波高段進行避風區(qū)域劃分，結(jié)合漁港避風錨地水深、底質(zhì)等要素，確定不同船型漁船的避風區(qū)域，做到合理、有序和安全避風，為海洋環(huán)境專題預報提供依據(jù)。

（2）通常情況下，在臺風期間，行政主管部門在根據(jù)漁港有效避風面積計算結(jié)果確定避風容量，有秩序有計劃地安排并指導漁民安全避風。

（3）下一步工作中，將針對Mike21-BW模型進行改進，爭取立足自主的海洋模式開展?jié)O港有效避風面積的計算，以便該計算方法在各級海洋預報機構更有效的推廣。

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