洋山港擬建碼頭波浪影響下作業天數統計分析

張婕，梁穎瑜，于蕓

（自然資源部東海預報減災中心，上海 200136）

0 引言

波浪是海洋水文特征要素之一，是岸灘演變、海港和海岸工程重要的動力因素和作用力。在較為開闊的海域環境，港區的系泊船舶因波浪的變化會產生較大幅度擺動，這種擺動不僅對裝卸作業造成一定困難，還可能會影響近岸水工結構物穩定性，從而發生較為嚴重事故。這種事故在我國都曾發生過：例如寶鋼馬跡山港、大連港萬噸礦石專用碼頭等都發生過多次斷纜事故，其原因均為波浪使系泊船劇烈擺動所致。由此可見港區的波浪條件對船舶停泊安全有著重要影響。

洋山深水港是世界上最大的海島型深水人工港，是上海建設國際航運中心的重要戰略基地。洋山深水港自2002 年開工建設以來，已逐漸完成了一期到四期碼頭建設與圍海造地工程，為了增加碼頭船舶泊位，擬在小洋山北側開發區外側建設防波堤，對碼頭形成較好的掩護條件，形成環抱式港池。而碼頭的作業天數作為海港碼頭設計中的重要指標，直接影響到防波堤的平面布置方案、碼頭噸級、結構選型等諸多方面問題[1]。

曹兵等[2]根據臨港新城海域連續1 a 的波浪實測資料，對該海域波浪影響下的不利作業天數進行了統計。柴雪琴[3]利用SWAN 波浪模型及洞頭站1 a 的氣象資料反推了甌飛北片港區的泊穩條件，得到各泊位不同噸級船型對應的作業天數，為碼頭工程建設方案提供科學依據。丁兆寬等[4]采用了MIKE21 軟件建立波浪模型數學模型，討論了不同的平面布置下港區內的泊穩條件。張素等[1]通過建立波浪觀測站點與碼頭前沿水域的波浪關系，進而對波浪影響作業天數進行了統計。可見，利用數學模型結合實際觀測資料來統計波浪影響下碼頭的作業天數是目前最常用的方法。

本文收集了小洋山北側楊梅嘴觀測站15 a 的觀測資料，通過建立波浪數學模型，采用張素等[1]提出的作業天數統計方法，對洋山港北側作業區碼頭的作業天數進行統計計算，為規劃部門優化防波堤的平面布置提供參考。

1 工程概況

1.1 項目簡介

為了增加洋山深水港碼頭船舶泊位，擬在小洋山北側建設防波堤對碼頭進行掩護。由于小洋山中部有輸油管道通過，因此防波堤的形式為東西兩段，在中間進行截斷設計，左側堤長3 000 m，右側堤長3 500 m，中部管道口寬420 m。具體形式見圖1。

圖1 防波堤布置方案Fig.1 Layout plan of breakwater

1.2 碼頭作業標準

影響碼頭作業的自然條件有很多，波浪、風速、降雨、大霧等等，由于本文主要研究該工程前期設計階段的碼頭方案比選，因此只討論波浪的影響。工程海域主要以風浪為主，涌浪出現頻率較小[5]，根據JTS 165—2013《海港總體設計規范》[6]和碼頭建設需求，本文主要討論波浪小于0.4 m 和波浪小于0.6 m 的情況。

1.3 工程海域波浪資料

收集了小洋山碼頭西北方向的楊梅嘴觀測站1997—2012 年的波浪歷史資料，統計得到楊梅嘴觀測站波浪頻率分布表，由于觀測站點觀測為H4%波高，在此轉化為有效波高Hs（表1）。

表1 楊梅嘴觀測站波浪頻率分布表Table1 Wave frequency distribution at Yangmeizui Observation Station %

2 碼頭作業天數統計

2.1 統計方法

根據張素等[1]文中闡述，本統計方法重要的一點就是計算碼頭前沿某波向波高與觀測站點的關系系數，且推薦采用2 a 一遇的比波高作為關系系數，公式為：

式中：H碼頭前沿為碼頭前沿允許作業波高，本文取0.6 m 和0.4 m 分別進行計算；H測點為測波點處允許波高，本文指楊梅嘴站波高。

根據式（1），可由碼頭前沿允許作業波高求得波浪觀測點處的波高，根據波浪觀測點處（楊梅嘴）的頻率統計資料，統計超過H測點的波高出現頻率，最終得到波浪影響作業天數。

根據以上方法，本文需要建立波浪數學模型先來獲得碼頭前沿水域2 a 一遇的比波高，進而求得影響作業天數。

2.2 模型介紹

2.2.1 模型選擇

由于防波堤的存在，碼頭內波浪發生折射、反射和繞射等現象，計算精度要求高，采用目前國內外海浪計算廣泛應用的第三代海浪數值計算模型SWAN 進行計算。

SWAN 模型為基于能量平衡方程的譜模式，其基本控制方程為波作用量守恒方程：

式中：N為作用量密度；σ 為相對頻率；θ 為波向；方程左邊第1 項代表作用量密度隨時間的變化率；第2 項和第3 項代表作用量密度在幾何空間的傳播（以Cx和Cy為傳播速度）；第4 項代表流和變化的水深引起的頻移（以Cσ為傳播速度）；第5 項代表由流和變化的水深引起的折射和變淺作用（以Cθ為傳播速度）；S為能量源項。

在球坐標系中，空間坐標以經度λ 和緯度φ表示。

模型主要考慮波浪在近岸的物理過程，包括風能量的輸入、底摩擦能量損耗、波浪破碎、波波相互作用、白帽耗散、折射、水流對波浪的作用、波浪繞射等。

2.2.2 模型邊界波要素

模型輸入邊界采用JONSWAP 譜，波要素采用楊梅嘴觀測站分方向（8 方位統計）的2 a 一遇H4%波高（P-Ⅲ曲線），波周期采用波高-波周期線性相關統計計算而得（波周期采用1997—2012年觀測的大于0.5 m 的波高與波周期線形擬合得出：T=1.693Hs+2.077）[7]，見表2。

表2 楊梅嘴2 a 一遇波浪要素Table 2 Wave elements of 2-year return period at Yangmeizui Observation Station

由于楊梅嘴觀測站位于工程附近，模型輸入未考慮風的作用及相關的物理耗散。

2.2.3 模型設置

模型采用矩形網格，模型空間分辨率為20 m，網格數為1 000×1 000。由楊梅嘴的實測資料分析，在小洋山北側，工程需要抵御的波浪為NW、N、NE、E 4 個方向。因此，為了有利于模型邊界條件輸入，本文采用2 套網格進行計算。其中N 向和E 向，采用圖1 所示范圍，以小洋山為中心，東西和南北向各取20 km；NW 向和NE向采用圖2 所示范圍，東北和西南向各取20 km。

圖2 NE 和NW 方向計算區域Fig.2 Calculation area in NE and NW

2.3 計算結果

如圖3 所示，取碼頭前沿A-J10 個采樣點波要素計算結果進行統計分析。

圖3 泊位區波浪結果提取區段位置示意圖Fig.3 Location diagram of wave data extractions sections in berth area

根據式（1），用數值計算結果得到的每個碼頭的比波高（見圖4），也就是關系系數，結合泊位要求波高H碼頭前沿（≤0.4 m，≤0.6 m），計算出H測點；根據表1 統計出各泊位各方向大于H測點的頻率之和，乘以365 d，最終計算得出各泊位的年不可作業天數。

圖4 原始方案相對波高分布Fig.4 Relative wave height distribution in original scheme

由表3 可見，在原始方案下，只有A 點處碼頭在0.4 m 波浪條件下不可作業天數大于30 d（33.9 d），其余各個碼頭的不可作業天數均小于30 d。

表3 各區段不可作業天數統計（原始設計方案）Table 3 Statistics of non-operational days（original design scheme）

3 補充方案應用

根據本工程平面布置方案，各區段滿足30 d以下不可作業仍有富足，為了減少工程造價，節約工程成本，同時驗證本文方法的可行性，本文在原始方案基礎上進一步討論了防波堤縮短方案，包含防波堤左側分別縮短300 m、600 m 和右側縮短300 m 的方案，計算不可作業天數，見表4—表9。可見，如要求碼頭作業波浪小于0.4 m，則縮短防波堤方案對不可作業天數影響較大，防波堤左側縮短300 m 時，已經有4 個區段大于30 d不可作業，當左側防波堤繼續縮短后，增加到6個區段大于30 d 不可作業。值得注意的是中間F區段，由于其處于中心但無防波堤防護處，所以防波堤縮短方案對其影響較大。對于小于0.6 m的波浪，縮短防波堤方案幾乎全部可以滿足小于30 d 的不可作業時間。

表4 各區段波浪小于0.4 m 不可作業天數統計（防波堤左側縮短300 m）Table 4 Statistics of non-operational days in various sections when wave height is less then 0.4 m（with breakwater cut short by 300 m on the left side）

表5 各區段波浪小于0.4 m 不可作業天數統計（防波堤左側縮短600 m）Table 5 Statistics of non-operational days in various sections when wave height is less then 0.4 m（with breakwater cut short by 600 m on the left side）

表6 各區段波浪小于0.4 m 不可作業天數統計（防波堤右側縮短300 m）Table 6 Statistics of non-operational days in various sections when wave height is less then 0.4 m（with breakwater cut short by 300 m on the right side）

表7 各區段波浪小于0.6 m 不可作業天數統計（防波堤左側縮短300 m）Table 7 Statistics of non-operational days in various sections when wave height is less then 0.6 m（with breakwater cut short by 300 m on the left side）

表8 各區段波浪小于0.6 m 不可作業天數統計（防波堤左側縮短600 m）Table 8 Statistics of non-operational days in various sections when wave height is less then 0.6 m（with breakwater cut short by 600 m on the left side）

表9 各區段波浪小于0.6 m 不可作業天數統計（防波堤右側縮短300 m）Table 9 Statistics of non-operational days in various sections when wave height is less then 0.6 m（with breakwater cut short by 300 m on the right side）

4 結語

1） 本文采用SWAN 波浪計算模型，搭建了針對洋山港擬建防波堤的波浪數學模型，并根據楊梅嘴觀測資料統計分析，確定了影響工程區域的主要波浪方向為NW、NE、E 和N 共4 個方向。

2） 基于搭建的數學模型和主要波浪方向，采用2 套計算網格，計算2 a 一遇的波浪入射條件下洋山港碼頭前沿的波浪分布情況。根據模型計算波高和入射波高的比值，求得碼頭處的相對波高。以碼頭處允許作業波高（0.4 m 和0.6 m）為基準，反向推導出實測站點的允許作業波高，結合實測站點的頻率統計，最終求得碼頭處不可作業天數。

3） 本文針對洋山港擬建碼頭處不可作業天數的統計研究，證明采用波浪數學模型建立波浪觀測站點和碼頭前沿波浪的關系，進而統計波浪影響作業天數的方法有效可靠，可為同類項目前期設計提供參考。