漁港護岸防臺風能力研究與評估

楊萬康 ，楊青瑩，方明豹，鞏 明

（1.衛星海洋環境動力學國家重點實驗室，浙江 杭州 310012；2.自然資源部第二海洋研究所，浙江 杭州310012；3.國核浙能核能有限公司，浙江 杭州 310012）

浙江省沿岸分布著大大小小近百個漁港，這些漁港內修建了大量的碼頭、錨泊地和護岸設施，不僅保障了漁船的安全靠泊，也保護了漁港后方的陸域居民區，是沿海經濟發展和防災體系中重要的組成部分。但是，每年由于設施老化、地面沉降等因素，沿岸漁港都會遭受一定的災害損失，漁港防護已經成為沿岸海洋災害防護的一個弱點。隨著極端天氣頻發，沿海漁港對海洋災害的防御能力有所下降，一旦發生重大海洋災害，其后果將十分嚴重。臺門漁港位于浙江省舟山市普陀區東部海域，是浙江省重要的漁港之一。臺門漁港由六橫島、對面山島、懸山島環繞組成，是優良的避風港口。受人類活動的影響，漁港內建設了大量的圍墾工程和漁港設施，水深地形及水動力條件有了顯著改變，隨著時間推移，部分護岸破損和沉降嚴重，原有的防護設計標準已經發生改變，需要重新評估才能保證漁港的安全。

許多學者針對臺風災害開展了大量評估和研究，尹寶樹等[1]針對黃河三角洲示范區建立了一套漫堤風險災害等級標準，并基于海浪和風暴潮結果，提出了風暴潮風險評估方法和關鍵步驟。張敏等[2]通過構造可能最大風暴潮事件集，計算得到雷州市可能最大臺風風暴潮淹沒范圍及水深分布。丁玉梅等[3]根據不同年代的海岸線建立數值模型，研究了岸線變化前后渤海風暴潮的近岸增水變化規律。李濤等[4]利用歷史風暴潮資料對浙江沿海縣級風暴潮危險性進行區劃。桂勁松等[5]采用遺傳算法研究了漁港布局規劃問題，并用人工神經網絡方法分析了漁港工程的結構設計。隨著沿岸漁港設施的老化和沉降，漁港抵御臺風的能力越來越受到關注，部分學者從漁港岸線、錨泊地和防波堤等不同角度對漁港防臺風等級開展了研究[6-7]。

綜上所述，由于人類活動影響臺門漁港內的水動力條件已發生較大變化，而且缺乏對臺門漁港護岸防臺風能力的針對性研究。因此本文采用最新的岸線及水深資料，建立高分辨的風暴潮—波浪耦合模型對臺門漁港各岸段護岸的防臺風能力進行定量評估，為臺風期間漁港的防護和安全調度提供科學依據。

1 數值模型介紹

風暴潮計算采用的數值模型為ADCIRC（Advanced Circulation Model）海洋模型。ADCIRC是一種采用非結構網格的有限元模式，該模型采用三角形非結構網格，可以保證在岸線復雜的地方有較高的分辨率，兼具計算效率和計算精度，在國內外得到了廣泛應用[8-9]。

在笛卡爾直角坐標系下，ADCIRC模型采用沿水深積分的二維連續方程和動量方程如下。

式（1）—（3）中，H為總水深；ζ為偏離平均海面的水位值；U和V分別為x和y方向沿水深積分的平均流速；g為重力加速度；ρ0為密度；f為科氏力參數；Ps為大氣壓強；τbx和τby分別為x和y方向的底摩擦力分量；τsx，wind和τsy，wind分別為x和y方向的風應力；τsx，waves和τsy，waves分別為x和y方向的波致輻射應力梯度項；Dx和Dy為x和y方向上的動量耗散項。風應力τsx,wind和τsy,wind計算公式如下。

式中，ρa為空氣密度；Wx和Wy為x和y方向的風速分量；Cd為風應力拖拽系數，風應力拖曳系數通過公式（6）得到。

本次臺風浪計算采用的波浪模型為SWAN（Simulating Waves Nearshore）模型，SWAN模型是考慮了波浪破碎、波—波相互作用和白帽耗散等影響的第三代海浪數值模式，在近岸波浪計算中精度較高，應用較廣[10]。SWAN 模型的控制方程為動譜密度守恒方程，在笛卡爾坐標下的表達式如下。

式中，Cf為底拖曳力系數，

式中，N為動譜密度函數；σ為波浪頻率；Cx和Cy為在x和y空間的傳播速度；Cσ和Cθ為波浪在σ和θ方向傳播速度；S為動譜密度源項，包括風輸入項、底摩擦、白帽耗散、波浪破碎導致的能量損失和波—波相互作用等。

臺風風暴潮及臺風浪計算中，風場的重構對計算結果至關重要。本文采用HOLLAND G T提出的臺風風場模型[11]，氣壓方程和風場公式如下所示。

根據氣壓公式和梯度風原理，風速計算公式如下所示。

式中，ρa為空氣密度；r表示模型中任意點與臺風中心的距離；Pn為外圍參考氣壓；Pc為臺風中心氣壓；Rmax為最大風速半徑；B為Holland參數，其值決定了風場的輪廓形狀。本文B參數計算采用如下公式[12]。

最大風速半徑采用如下計算公式[13]。

式中，φ為地理緯度；Vmax為最大風速，臺風中心位置坐標、中心氣壓值、最大風速等參數選用中國臺風網的最佳路徑數據集資料。

2 數值模型設置與驗證

由于需要計算臺風風暴潮過程，因此模型計算域選取范圍較大，外海開邊界處分辨率為30 000 m，臺門漁港附近網格進行了加密，分辨率達到50 m左右（圖1）。漁港內部采用最新的水深測量數據進行插值，外海水深采用GEBCO（General Bathymetric Chart of the Oceans）全球水深數據，分辨率為30″×30″，潮位邊界采用從OTIS（Oregon State University Tidal Inversion Software）數據集提取的潮汐調和常數，包含了M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1等8個分潮。ADCIRC模 型 與SWAN模型采用相同網格，ADCIRC與SWAN的耦合過程如下：ADCIRC將流場和水位數據提供給SWAN，而SWAN模型則將波致輻射應力數據提供給ADCRIC模型。

圖1 模型計算區域和網格

利用2014年“鳳凰”臺風登陸期間的實測潮位和波高資料對模型進行驗證。潮位站采用六橫海洋站的數據，波浪數據采用六橫外海浮標站數據。圖2為實測風暴潮和模擬結果時間序列的比較，由圖可知，實測潮位與模擬結果匹配較好，基本能夠重現整個風暴潮過程。臺風期間波浪有效波高對比如圖3所示，臺風浪波高模擬結果與實測結果符合較好，誤差較小，尤其波高峰值計算結果較為吻合。驗證結果表明模型參數設置合理，能夠滿足風暴潮和波浪計算的精度要求。

圖2 實測風暴潮位和模擬結果對比

圖3 實測有效波高和模擬結果對比

3 漁港護岸防臺風等級計算

3.1 最危險臺風路徑的選取

根據調查和收集的數據資料分析，漁港在登陸臺風中心的最大風速半徑處，受災情況較為嚴重，根據《漁港防臺風等級評估技術規程》要求[14]，確定最大風速半徑處Rmax登陸臺風為極限臺風。根據中國臺風網提供的歷史臺風路徑數據以及漁港統計得到的臺風期間出現頻率最高的風向，選取東東南（ESE）、東南（SE）、南東南（SSE）和南向（S）共4個臺風路徑方向開展計算，臺風路徑方向與風向定義相同。以這4個方向共設計了8條假想臺風路徑，每條路徑以臺門漁港為中心，沿著南北兩側最大風速半徑Rmax處經過，其中正值Rmax代表南側登陸，負值Rmax代表在漁港北側登陸。不同臺風等級強度下的中心氣壓、風速、移動速度等參數如表1所示，首先選取12級臺風參數構造假想臺風路徑，進行對比計算，選出最危險臺風路徑。

表1 不同臺風等級參數設置

由圖4可知，各路徑方向上漁港南側最大風速半徑處（-R）登陸的臺風引起的增水遠大于北側登陸的臺風，ESE方向南側登陸的臺風引起了最嚴重的水位抬升。因此我們選取了ESE方向，沿著漁港南側登陸的臺風作為最危險臺風路徑，這與歷史上登陸舟山的超強臺風路徑較為相似，具有一定的合理性和代表意義。

圖4 不同路徑下漁港內風暴潮增水疊加有效波高后的平均水位

根據篩選得到的危險臺風路徑，分別計算了不同強度臺風等級下的風暴潮增水及臺風浪波高分布。限于篇幅，僅列出了12級臺風下風暴潮增水和波浪有效波高分布如圖5所示。由圖可知，由于臺門漁港為三面被島嶼環繞，兩端開口的特殊地形，不利于風暴潮增水的堆積，因此風暴潮增水幅度有限，整個漁港內風暴潮水位區域性差異不大。雖然漁港外部在臺風作用下波浪較強，但波浪通過懸山島和對面山之間的狹窄水道進入漁港后，波浪衰減較為明顯，受對面山島掩護遮蔽的影響，漁港內對面山島附近的波高較小，懸山島和六橫島靠近岸邊由于水深較淺，因此有效波高小于漁港中部深水區。

圖5 12級臺風下風暴潮增水及波浪有效波高分布

3.2 漁港護岸防臺能力評估

首選對臺門漁港周邊護岸高程進行了測量，數據統一轉換為國家85高程。測量點采樣如圖6所示。通過最新的現場測量數據可知，部分護岸存在一定的沉降，六橫本島的護岸高程在4.5～5.0 m之間。懸山島一側的護岸高程普遍低于六橫本島，高程普遍在3～4 m之間，部分高程甚至低于3.0 m，存在較大的風險。對面山島附近護岸高程在3～4 m，部分海塘高程達到了5 m。

圖6 臺門漁港護岸高程測量點

基于不同臺風等級下的風暴潮和波浪數值模擬結果，結合護岸高程的現場勘測數據，可以確定臺門漁港各護岸的防護能力。將疊加總水位結果Hw與護岸現有高程H護岸相比較，如Hw≤H護岸，則判別為不漫堤，說明護岸設施可以安全防護該等級臺風下的風暴潮和海浪風險；反之，則認為護岸無法防護該等級臺風下的風暴潮和海浪災害風險。總水位Hw按如下公式計算得到。

式中，Htide為6—9月份的平均高潮位，根據多年觀測結果，臺門漁港6—9月平均高潮位為1.52 m；Hsurge為風暴潮增水；HS為最大有效波高。根據上述公式對各臺風等級下的總水位進行了組合，限于篇幅，只給出了17級臺風下臺門漁港內總水位的分布如圖7所示。

圖7 臺門漁港內疊加總水位分布（17級臺風）

臺門漁港整體被六橫本島、懸山島、對面山島所圍繞，岸線分布比較零散，因此將岸線進行分段研究，以保證漁港岸線設施評估的合理性和準確性，最終各段岸線防臺等級結果如圖8所示。

圖8 臺門漁港各護岸防臺等級

由于懸山島一側存在眾多簡易護岸，年久失修加上沉降嚴重，導致臺門漁港懸山島一側護岸防護等級較低，各岸段防臺最低等級為14級，六橫本島一側各標準海塘經過加固和翻新后，防護水平要遠超過懸山島一側，臺風防護等級達到了17級，可以很好地保護后方的居民區及房屋設施等。對面山塘護岸防臺等級能力處于六橫本島和懸山島之間，防臺等級為15級。按照漁港防臺規程結合漁港實際防臺情況，基于就低不就高的原則，臺門漁港護岸防臺等級最終確定為14級。

4 結 論

本文通過建立高分辨率的風暴潮—臺風浪數值模型，對臺門漁港護岸的防臺風等級進行了評估研究。選取了臺風經常登陸的4個方向設置了假想路徑進行對比，結果表明ESE方向在漁港南側登陸的臺風路徑為最危險臺風路徑，然后基于最危險路徑分別計算了不同強度臺風等級下的風暴潮增水和有效波高。研究結果表明：臺門漁港由于三面被島嶼環繞，兩端開口，因此不利于風暴潮增水的累積，而且對波浪的遮蔽效果較為明顯，港內的波高顯著小于漁港外圍海域。通過測量護岸高程并與數值模擬的總水位進行漫堤比較，確定了各段護岸的防臺風等級：懸山島一側防護堤防護等級較低，為14級；六橫本島護岸能夠抵御17級臺風引起的水位抬升；對面山島護岸的防臺風能力為15級。按照就低不就高的原則，臺門漁港護岸防臺等級最終確定為14級。本研究可為漁港抵御臺風災害提供一定的科學依據，對沿海其他工程設施的海洋災害風險評估也有重要的借鑒意義。