黃島港區周邊海域不同重現期潮位及波高的數值模擬

劉傳弟，牛光偉，楊立鵬

（1.青島市金水水資源科技有限責任公司，山東 青島 266100；2.青島市水務事業發展服務中心,山東 青島 266100；3.青島市運輸事業發展中心，山東 青島 266100）

近岸海域的潮位、波浪對港口工程的影響非常明顯，是工程設計、安全生產要考慮的主要因素，因此眾多學者對不同工況下的潮位、波浪進行了大量研究。白玉川等[1]對流速與潮位耦合作用下的近岸波浪傳播進行了研究，得到了波高計算公式，并進行了對比驗證。孟祥東等[2]以小麥島污水處理廠為例，對近岸波高進行數值計算，為工程設計提供了依據。肖王挺[3]研究了潮位對濱海核電廠運行控制的影響，發現潮位上升會導致機組效率下降，并提出了相關建議。劉勇[4]研究了河口港對潮流水動力的影響，結果顯示，港口建設后將會對納潮量、潮流流態、船舶航行產生影響，設計時需對港口布局、結構型式進行優化。金桂中等[5]根據實測資料對錢塘江河口特征潮位、潮汐歷時的變化規律及相關的河口工程進行了研究，探討了潮汐特性變化的原因。

黃島港區是青島港的重要組成部分，是以原油、成品油和液體化工品運輸為主的大型專業化液體散貨港區，其周邊海域的水動力條件對工程建設及安全生產尤為重要，本研究以黃島港區為例，計算其附近海域不同重現期的潮位和波浪場，給出重點工程附近的波高分布及防潮防浪水位。

1 模型及計算工況

Mike21 模型采用大模型和小模型嵌套的方法建立，潮流、波浪模塊均采用三角形網格。大模型網格個數為19834，網格節點數為10650；小模型網格個數為4060，網格節點數為2420。模型地形如圖1 所示。

圖1 模型地形圖

因附近海域S、E、SE 向風作用比較明顯，所以本模型主要對這三個方向上的潮流場、波浪場進行計算，分析近岸海域的潮位和波浪變化，工況如表1 所示。

表1 計算工況

2 計算結果

2.1 潮位

邊界條件采用工程100 年一遇高潮位，風資料采用100 年一遇E 向大風。近岸區域主要工程監測點選取為：對膠州灣灣口潮流頂托作用較明顯的青島港油二期20萬噸級碼頭、油三期30 萬噸級碼頭的近岸區域；6 個監測點位置如圖2 所示。

圖2 監測點位置圖

對各監測點不同風向及重現期潮位值進行計算，100 年一遇高潮位介于3.15～3.16 之間；300 年一遇高潮位介于3.34～3.35 之間，300 年一遇潮位高出100年一遇工況潮位約0.2 米，且E 風向作用下的潮位略高于SE 向的工況，S 向潮位值最小。

2.2 波浪場

通過不同工況的模型計算發現，港區周邊海域E、SE、S 向風吹程最大，其中E 方向100 年一遇涌浪和風浪在岸邊的有效波高最大，SE 方向次之，S 方向較小，如圖3 所示。外海來浪在向近岸的傳播過程中衰減較小，衰減作用主要發生在近岸區域，并在靠近部分岸邊處發生破碎。

圖3 100 年一遇各風向有效波高分布圖

當遭遇E 方向100 年一遇風浪潮時，各點的有效波高為0.61～2.01m 不等，海域最大有效波高可達3.23m（如圖3(a)所示），最大波高可達6.0m（如圖4(a)所示）；當遭遇E 方向300 年一遇風浪潮時，各點的有效波高為0.91～2.38m 不等，海域最大有效波高可達3.61m（如圖4(b)所示），最大波高可達6.5m（如圖4(c)所示）；但各監測點所在位置高程較高，受風暴潮的影響較小。

圖4 不同重現期E 向大風波高分布圖

2.3 防潮防浪水位計算結果

因黃島港區岸邊高程較高，在100 和300 年一遇E向風大風疊加100 和300 年一遇天文潮時，淹沒范圍比較小，只有靠海一側高程比較低的位置形成了淹沒，如圖5 所示。

圖5 不同重現期E 向大風疊加潮位的淹沒范圍

主要工程監測點的防潮防浪水位如表2 所示，當遭遇100 年一遇工況時，各監測點防潮防浪的允許越浪水位約為3.16m，不允許越浪水位約為4.01m；當遭遇300年一遇工況時對應的允許越浪水位約為3.35m，不允許越浪水位約為4.24m，均增加約0.2m。

表2 工程區域沿岸各測點防潮防浪水位

3 結論

通過對不同風向、重現期潮位及波浪場的數值模擬，得到主要結論如下：

（1）對于工程海域，E、SE、S 向風區長度較大，其中E方向涌浪和風浪在岸邊的波高最大，SE方向次之，S 方向較小。

（2）當工程海域遭遇E 方向100 年一遇風暴潮時，海域最大有效波高可達3.23m；當遭遇300 年一遇風浪潮時，海域最大有效波高可達3.61m。

（3）當工程海域遭遇100 年一遇風暴潮時，允許越浪的防潮防浪水位約為3.16m，不允許越浪的防潮防浪水位約為4.014m；300 年一遇工況時，對應的防潮防浪水位分別約為3.351m 和4.238m。

4 工程建議

（1）近岸區域可增設匯流和外排通道系統，以解決越浪水量的匯流和回流問題，并保持越浪水量在較小范圍內活動，且能較快回流到海域。

（2）近岸構筑物宜采取新型結構形式以有效消減高潮位對應的波浪爬高，減少風暴潮期間越浪水體漫流的淹沒范圍。