山東半島設計波要素研究

石小翠，范 飛，梁丙臣

（中國海洋大學海岸工程系，青島266100）

山東半島設計波要素研究

石小翠，范 飛，梁丙臣

（中國海洋大學海岸工程系，青島266100）

文章主要對山東半島的設計波浪要素進行了模擬研究。首先，運用第三代波浪模型SWAN模型，對山東半島1996～2011年的風場進行了波浪模擬，并與觀測值進行了比較，擬合結果良好，表明了模型的準確性。然后再根據模擬結果對山東半島波浪分布情況進行了研究，運用P-III型曲線對黃河三角洲、成山頭、青島的齋堂島這3處進行極值統計，得到不同重現期條件下的波浪要素。研究結果表明山東半島波浪最大處在成山頭。

海岸工程；波浪后報；極值分布

波浪是影響近海工程和海岸工程中主要因素之一。由于波浪每年都會造成我國財產和人員的損失，因此對波浪的研究變得十分有意義［1］。山東半島被渤海黃海環繞，具有人口密度廣，海岸線長等特點，因此對山東半島波浪進行研究，對這一地區的工程建設有著一定的應用價值。為了研究山東半島的波浪要素分布情況［2］，本文運用第三代波浪模型SWAN模型對山東半島的波浪進行了模擬研究，本文大體主要可分為3個部分：首先，以1996-1～2011-12的風場數據為驅動，運用波浪模型SWAN對東中國海的波浪進行了模擬，再對山東半島地區進行了嵌套，然后與黃河口、鰲山灣和千里巖這3個測站處的波高和周期進行了驗證，以確保計算結果的準確性；最后，利用P-III曲線對黃河口、成山頭、青島海域淺水區各重現期的設計波浪要素進行了研究［3］，研究結果表明山東半島波浪分布特點是波高由東往西，由南往北遞減［4］，成山頭附近50 a一遇波高能達到12.5m，齋堂島附近50 a一遇波高能達到9.9m。

1 理論介紹

1.1 波浪模型理論

第三代波浪模型SWAN主要是基于能量守恒的一種波浪譜模型。在直角坐標系統中，SWAN模型的主導方程可表示為［5］

式中：N為波浪作用譜密度（action density），即N（σ，θ）=E（σ，θ），E（σ，θ）為波浪密度譜函數，cx、cy分別為波σ浪在x、y方向上的傳播速度的分量分別是速度σ、θ向的分量。

能量輸入輸出項

其中式（2）的右邊的五項分別代表風能的輸入，三波和四波相互之間的非線性作用，白帽現象導致的能量損失，底部摩擦導致的波能損失以及水深地形變淺導致波浪破碎引起的能量損失。

1.2 波浪模型參數設定

模擬過程中所采用的風場數據是基于大氣模型WRF計算出來的，它的覆蓋范圍為117°E～131°E、24°N～41°N，空間步長是0.1°×0.1°，時間步長是3 h，時間計算范圍是從1996-1-1～2011-12-31。整個波浪模擬過程可分為兩步：首先是以風場為驅動條件對整個東中國海的波浪進行了模擬，然后再對山東半島地區進行了嵌套。在對東中國海波浪進行模擬時，計算空間范圍為117°E～128.01°E，28°N～41°N，空間步長取為0.056°×0.068°，計算時間步長是1 h，輸出時間步長是3 h。在對山東半島進行嵌套時的空間計算范圍是117.5°E～124.01°E，35°N～38.51°N，空間步長為0.018 6°×0.013 5°，計算時間步長為1 h波浪場輸出時間步長為3 h。圖1顯示了山東半島水深地形圖，圖中符號*1、*2、*3分別標識了本次計算統計點的位置，圖中#1、#2、#3處分別代表了測站的位置。

1.3 波浪驗證

為確保波浪模擬的精度，本文利用黃河口、鰲山灣和千里巖這3個測站處的波高和周期結果對模型進行了驗證［6］。如圖2所示，下圖中左圖分別是是黃河口、鰲山灣和千里巖三處觀測的有效波高值與模擬值的比較，右邊分別是這三處周期比較圖。從整體看，觀測值與模擬值擬合的很好，不僅變化趨勢相一致，而且最大值也很相近；但也稍微有些局部差異，這主要是由于水深地形和風場的精確度造成的。

2 波浪分布研究

圖3是山東半島16 a的最大波高和平均波高圖，從圖中可以看出最大波高是由陸地到海洋呈遞增的趨勢，其中在山東半島的成山頭站點有效波高最大，大約是6.1m。平均波高也是從離岸到近岸有遞減趨勢，其中也是成山頭的平均有效波高最大，大約是1m，這主要是由于水深的分布特點是由東往西遞減，由南往北遞減，在日照東側最大水深處達到70 m左右，而在黃河口附件水深最大處只有20 m左右，這是由于波浪來自于大洋，并且由黃海傳進山東，黃海的波高要普遍高于渤海內的波高［7］。

為研究黃河三角洲、成山頭和齋堂島三處的波浪設計要素，分別選取了這三處附近20m水深處的點進行了研究。首先1996～2011年16 a的模擬結果中分別提取出年最大波高和最大周期。通過極值的P-III曲線擬合，得出這3個點的波浪要素。

圖4是所繪出的黃河口的16 a最大波高和周期的P-III曲線［8］，表1顯示黃河口100 a、50 a、20 a、10 a、5 a一遇的各累計頻率波高分布情況，其中可以得到黃河三角洲100 a一遇的波高達8.6m。

圖5是所繪出的成山頭的16 a最大波高和周期的P-III曲線，并且通過計算得到成山頭100 a、50 a、20 a、10 a、5 a一遇的各累計頻率波高，表2顯示成山頭100 a、50 a、20 a、10 a、5 a一遇的各累計頻率波高分布情況，其中可以得到成山頭100 a一遇的H1%波高可達13.3m。

圖6是所繪出的青島的齋堂島的16 a最大波高和周期的P-III曲線，并且通過計算得到青島100 a、50 a、20 a、10 a、5 a一遇的各累計頻率波高，表3顯示青島100 a、50 a、20 a、10 a、5 a一遇的各累計頻率波高分布情況，其中可以得到齋堂島100 a一遇的波高達10.6 m。

3 結論

波浪是海岸帶最重要的動力因素之一，準確模擬近岸波浪要素具有重要的現實意義。經過上面的計算和分析，可以得知山東半島波浪分布特點是：由東往西遞減，由南往北遞減。利用SWAN模型對山東半島的波浪進行模擬，通過驗證后表明模擬結果良好。并且對山東半島的波浪分布情況做了進一步研究，選取黃河三角洲、成山頭、青島的齋堂島三處進行了極值波要素推算。結果數據可作為山東半島附近實際工程的參考。

［1］JTJ213-98，海港水文規范［S］.

［2］谷漢斌，孫精石，鄭寶友，等.近岸波浪數學模型的發展［J］.水道港口，2004（6）：1-6. GU H B，SUN JS，ZHENG B Y，et al.Developments of Near-shoreWave Numerical Models［J］.Journal of Waterway and Harbour，2004（6）：1-6.

［3］邱大洪.工程水文學［M］.北京：人民交通出版社，1995.

［4］吳宋仁.海岸動力學［M］.北京：人民交通出版社，1999.

［5］李紹武，梁超，莊茜，等.SWAN風浪成長模型在近海設計波浪要素推算中的應用［J］.港工技術，2012（2）：5-7.

［6］李繁華.山東近海水文狀況［M］.山東：山東地圖出版社，1989.

［7］Ris R C，Booij N，Holthuijsen L H.A third-generation wave model for coastal regions［J］.Journal of geophysical research，1999，104（4）：7 667-7 681.

［8］Wood D J，Muttray M，Oumeraci H.The SWAN Model Used to Study Wave Evolution in a Flume［J］.Ocean Engineering，2001，28（7）：805-823.

Study of wave climate of Shandong peninsula

SHIXiao-cui,FAN Fei,LIANG Bing-chen
(Ocean engineering college,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

In this paper,the wave climate of Shandong peninsula was mainly studied,which could be divided into two parts.First,wave climate of Shandong peninsula was simulated by SWAN model,which was driven by wind fields from 1996 to 2011.After comparison,the results show that the buoy data are validated with measured data.Then,the P-III curve was used to calculate the extreme value of the Yellow River Delta, Chengshan headland and Zhaitang island.The research results show that the maximum value of wave height of Shandong peninsula occurs in Chengshan headland.

coastal engineering;wave hindcasting;extreme value distribution

TV 139.2；TV 142

A

1005-8443（2013）05-0376-05

2012-12-10；

2013-01-09

山東省優秀中青年科學家科研獎勵基金（BS2011HZ016）；國家自然科學基金（51179178）

石小翠（1987-），女，山東省青州人，碩士研究生，主要從事水利環境數值模擬。

Biography：SHIXiao-cui（1987-），female，master student.