港口長周期波問題的應對措施

周 劍，解東升，李培良，付博新

(1.中交水運規劃設計院有限公司，北京 100007；2.浙江大學 海洋學院，浙江 舟山 316021)

長周期波是指周期在幾十秒到幾個小時的海面波動，通常在30 s以上，介于涌浪和潮波之間，一般包括次重力波(碎波拍、邊緣波)、副震蕩(假潮)、氣象海嘯、海嘯等。長周期波波長長、能量大、難耗散，常規的傳統消浪措施很難起到效果，常導致港口裝卸中斷、系泊纜繩斷裂、碼頭岸壁損壞、護舷和船體損傷，甚至人員傷亡等問題。如果進一步和港口發生共振，會帶來更大災害。

國外對長周期波對策研究較多。日本沿海開發技術研究中心[1]發行了“港內長周期波影響手冊”，涉及平面布局、消波結構物、長周期波預警等對策；平石哲也等[2]研究了拋石斜坡堤、渦流結構等長周期波吸收構造物，評估了各種對策的適用性；Caro等[3]指出改進系泊系統可緩解長周期波問題。國內尚無針對長周期波應對措施的研究，但我國承建的斯里蘭卡漢班托塔港[4-5]、尼日利亞萊基港[6-7]、秘魯錢凱港[8-9]均面臨長周期波問題挑戰，其中錢凱港預期使用4～6組ShoreTension?緩解長周期波問題。

本研究搜集了受長周期波影響的港口分布，重點分析長周期波潛在應對措施，為工程建設提供指導。

1 全球長周期波影響下港口分布

研究表明[10-11]，南非、澳大利亞南部、新西蘭、秘魯智利沿岸、日本沿岸、阿拉斯加灣沿岸等區域為次重力波影響嚴重區域，法國、葡萄牙等區域多發生副震蕩、氣象海嘯現象。我國港口次重力波影響有限，以副震蕩為主[12]。表1列出受長周期波影響的港口，圖1為相應各港口位置分布。

表1 受長周期波影響的港口

注：圖中黑點為港口。

2 長周期波應對措施

為了提高船舶系泊安全性和裝卸效率，并確保船舶靠離泊的定時性和穩定性，有必要采取長周期波對策。一般有2種措施：1)減少波浪對船舶的作用；2)改變船舶系泊系統的響應。前者為“硬解決方案”，涉及港口基礎設施的變化，如通過修改港口布局減少波浪傳入、增設消波構筑物降低目標泊位反射系數等；后者為“軟解決方案”，通過改善系泊系統緩解長周期波問題，或構建預警系統指導船舶作業。

2.1 抑制長周期波生成或傳入

長周期波的生成與短波破碎密切相關。通過修改地形、構建波聚焦或散焦結構等方式，降低長周期波能量，改變長周期波傳播方向，是解決長周期波港口問題的手段之一。如消減地形(變緩、變平)、改變進港航道走向、建設波散焦丘等形式，減少長周期波產生，從而減少長周期波傳入港內。

2.2 優化平面布局

合理的港口平面布局可以改善港內泊穩度。對于新建港口，規劃時通過優化調整平面方案，減少長周期波能傳入。而老港可以通過延長舊防波堤或新設防波堤和消波構造物(如人工岸灘)來降低港內長周期波能量。

長周期波進入港池可能會激發港池的共振。港池自然周期與水深、港口幾何形狀和尺寸密切相關，合理的布局可以避免共振。例如羅馬游艇碼頭防波堤、消波岸灘、消波港池的應用(圖2)，有效改善了港內泊穩問題。

圖2 羅馬游艇碼頭長周期波消波措施

2.3 構建消波結構

通過在港口內建設人工岸灘、消波結構物等消波設施，可以降低港內長周期波反射造成的放大效應，將波高降低到裝卸限制波高以下，進而改善港內泊穩度。圖3a)為渦流消波結構[13]，由導水板和消能室構成，利用渦流耗散進行消波；圖3b)為拋石堤消波，也可結合開縫沉箱等形式進行組合，利用碎石層摩阻、紊流、壓力差(消能池)進行消波。

圖3 典型消波結構物形式

拋石斜坡堤比較常見[14]，反射系數分布在0.6～1.0(周期越大，反射系數越大)，其缺點是需要足夠長度和寬度(寬度一般不小于30 m)，占用岸線多；但建設成本低，施工便利，如日本苫小牧港成功應用拋石斜坡堤[15](圖4)緩解港內長周期波問題。

2.4 改進系泊配置

圖4 日本苫小牧港長周期波消波措施(單位：m)

針對長周期波帶來的系泊問題，另一個有效措施是修改系泊系統，通過改變船舶系泊系統的響應提高操作安全性和減少船舶在泊位的停機時間。常規操作包括增設岸基系泊纜、使用充氣式護舷、使用恒張力絞車、采用真空系泊系統(MoorMasterTM、Auto Moor等)和液壓系泊系統(ShoreTension?)等。真空系泊系統廣泛應用在阿曼薩拉拉、南非庫哈、澳大利亞杰拉爾頓等港口；液壓系統也在澳大利亞埃斯佩蘭斯和杰拉爾頓、新西蘭塔拉納基、葡萄牙錫尼什、智利阿里卡等港口得到應用。另外，改良系泊系統亦可防止共振，通過改變系泊系統的自然周期，使其偏離波浪的主周期，從而避免與長周期波發生共振。另外，拖船輔助系泊也是有效手段之一。

沒有通用規則可定義最合適的系泊系統，每個特定案例都需要對停泊船舶及其系泊系統進行聯合動力學分析，根據評估結果優化完善系泊布局，盡量抑制船舶過度運動。

2.5 開發長周期波預報系統

通過開發長周期波預報系統，可合理安排船舶裝卸以及靠離泊情況，規避風險。常用方法有長周期波浪數值預報[16]和經驗模型預報[17]。前者根據波浪觀測、氣象信息等進行數學模型計算；后者構建長周期波與短波經驗關系。2種方法在日本高知港(圖5)[18]、八戶港、鹿島港、常陸那珂港、苫小牧港，澳大利亞杰拉爾頓港、新西蘭塔拉納基港等均得到應用。

圖5 日本高知港長周期波預測系統

以上對策可在一定程度上緩解長周期波帶來的問題。相對來說，構建消波結構物和改進系泊系統是行之有效且低成本的對策。但是對于長周期波影響，沒有統一完美的解決方案，所有最優措施均是根據實際情況平衡的結果。圖6為長周期波對策概念圖。

圖6 長周期波對策概念圖

3 案例

3.1 澳大利亞杰拉爾頓港

杰拉爾頓港位于澳大利亞西海岸，在珀斯北部375 km，長周期波是其系泊問題的根源。為了改善長周期波問題，提出如下改進措施。

1)改造防波堤。最初設想的解決方案是延長西防波堤，但投入資金非常大，能否獲得足夠效益值得商榷。研究發現[19]，現有西防波堤向北延伸350 m可有效降低港池第二模態長周期波(周期45 s，長周期波高度降低35%，系泊運動量改善20%)，但對第一模態90 s無影響。而滿載巴拿馬型船主要受90 s長周期波響應，所以效果有限。

2)疏浚。長周期波沿著淺礁區和航道邊緣傳播。通過改變航道線形或尺寸(航道或礁坡加寬、變平)來緩解長周期波問題，但需要付出相當大的財政和生態成本。

3)改進系泊系統。通過增設岸基系泊纜、安裝軟護舷(充氣式護舷)、采用真空系泊系統MoorMasterTM和液壓系泊系統ShoreTension?(圖7)等措施，緩解長周期波影響。

4)開發長周期波預報系統。開發波浪預報系統以管理泊位運行(圖8)。在無其他措施的條件下，如果預測的長周期波高度(在25～120 s的周期范圍內)超過臨界條件0.20 m，則將船舶撤離泊位。

3.2 日本秋田港

圖7 采用Shoretension?系統的散貨船“KS Flora”

圖8 杰拉爾頓港長周期波預報系統

秋田港位于秋田市西北，港口深受長周期波影響，尤其是外港區域，因港內的反射和共振，長周期波較港外放大，使得系泊船大幅度移動，導致系泊纜斷裂等問題，系泊障礙在冬季12月至次年2月尤為顯著。在無消波措施的情況下，實際裝卸效率均低于目標裝卸效率97.5%。

2004—2005年開展長周期波對策設施的配置計劃討論，包括防波堤延伸和港內消波構造物，前者延長防波堤、縮小港口，抑制長周期波侵入；后者在港口內配置消波構造物(圖9)，防止反射引起波高增大，最終采用港內消波措施[20]。外港前消波于2008年完成，水深-8.5 m，拋石斜坡堤(頂寬10 m)，反射率0.92；綠地護岸前消波于2009年完成，水深-6 m，拋石斜坡堤(頂寬10 m)，反射率0.76；南防波堤消波于2010年完成，位于防波堤內測，水深-14.5 m，拋石斜坡堤(頂寬10 m)，距防波堤30 m，反射率0.88；綠地護岸直角消波于2011年完成，水深-13 m，L形開縫護岸，寬20 m，反射率0.89。各消波斷面形式見圖10。采用消波構筑物后，長周期波高降低至原來的一半左右，裝卸工作率超過基準97.5%。

3.3 阿曼薩拉拉港

圖9 秋田港消波構筑物現狀分布

圖10 秋田港消波結構斷面形式(單位：m)

薩拉拉港位于阿曼蘇丹國多法爾地區南部，在薩拉拉市以西約15 km。6—9月夏季季風期間(當地稱為“Khareef”)，外海涌浪傳入近岸水域產生長周期波，經過岸灘反射和防波堤繞射傳入港內，導致集裝箱船裝卸因船舶過度運動而中斷，降低貨物轉運作業效率。

為了降低長周期波影響并擴展港口，遠期規劃建議建設3.7 km北防波堤為擴建的集裝箱碼頭提供掩護。北防波堤建成后，同樣波浪條件下，系泊船舶運動量可減小50%以上，可明顯改善港內泊穩條件。

當前階段，薩拉拉港主要采用自動系泊系統抑制Khareef季節發生的船舶縱移運動，同時通過實時監測系統，為仍然使用傳統系泊系統的泊位提供問題預警。與傳統纜繩系泊相比，采用自動真空系泊系統MoorMasterTM縱移可降到2 cm以內，裝卸效率大幅提升。

3.4 新西蘭塔拉納基港

塔拉納基港位于新西蘭北島西海岸新普利茅斯，每年受長周期波影響的系泊問題可達6.5%～8.0%。考慮到防波堤投資過大，塔拉納基港采用長周期波預報系統進行指導靠離泊工作(圖11)，后來進一步增加液壓系泊動力系統ShoreTension?消除長周期波帶來的影響。

注：Moturoa泊位，長周期波波高閾值0.1 m。

4 結論

長周期波主要應對措施如下：

1)控制長周期波波源生成或傳入港內；

2)優化平面布局，減少長周期波傳入，避免港內共振；

3)構建消波結構物(寬度一般不低于30 m)，降低港內反射系數；

4)改進系泊配置，增設真空系泊系統、液壓系泊系統等系泊設施；

5)開發長周期波預警系統，使港口有富余應對；

6)構建消波結構物和改進系泊系統是行之有效且低成本的對策，可作為優選措施。