斯里蘭卡港口城海域施工期波浪場數值計算

徐青云，孫婉靜，陳進，蔡瓊瓊，馮先導，王建營

（1.中國港灣工程有限責任公司，北京 100027；2.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040；3.長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室，湖北 武漢 430040；4.交通運輸行業交通基礎設施智能制造技術研發中心，湖北 武漢 430040；5.國家海洋環境預報中心，北京 100080；6.臨沂水利集團有限公司，山東 臨沂 276000）

0 引言

我國在東南亞、非洲等國家與地區的近海工程建設項目日益增加，獲得準確可靠的波浪數據，評估波浪對工程的影響，是工程設計、施工以及項目運營的重要技術保障。在海上工程設計階段需要進行波浪后報，分析波浪分布、推算不同重現期極值波高，預測工程抵御設計年限內可能出現的各種極端海況。對海上工程在施工期或運營期間進行波浪預報，預知未來幾天的海況變化，結合船舶的運動響應特點，可合理安排作業。

第三代海浪數值預報模式WAM、SWAN 和WaveWatch III 模型等被廣泛應用于建立全球和中國近海的區域性海浪業務化數值模擬系統。為了模擬近岸波浪變形過程，可以采取結合相位解析模型、波浪能譜模型、多種波浪能譜模型嵌套等方法。毛科峰等[1]對比分析了各種描述復雜地形特征方法的優缺點，包括多重網格嵌套方案、島嶼次網格地形效應計算方案以及非結構網格、無網格、動態自適應四叉樹網格等。廣大學者多采取WaveWatch III 和SWAN 嵌套方法模擬各個海域的波浪場，比如臺風“海鷗”下目標島礁波浪環境[2]、東海區和上海近海的波浪場[3]、墨西哥灣颶風迪安的波浪場[4]以及長江口海域1996—2015 年連續20 a的風浪場[5]。SWAN 模型被應用于模擬南加利福尼亞海灣的波浪場[6]以及與ADCIRC 風暴潮模式的耦合模擬江蘇輻射沙脊群海域的海浪[7]。海浪數值模型也被廣泛應用于近海岸的碼頭、港口工程波浪場的計算，為近岸工程的設計施工提供指導。王少朋等[8]利用SWAN 與CGWAVE 建立的大、小范圍波浪嵌套模型，對舟山東福山島碼頭附近海域進行波浪計算。翟甲棟等[9]將MIKE21 SW 波浪數值模型應用于塞拉利昂港口項目的波浪預報中，為工程選址提供設計依據。吳楚敏[10]利用CGWAVE模型對普陀島擬建碼頭的工程海區波要素進行了分析。這些工作都為港口工程的設計施工提供了可靠的波浪要素。

1 工程概況

科倫坡港口城項目位于科倫坡市中心，根據港口城項目附近2002—2003 年波浪實測資料（見圖1），發現斯里蘭卡西部及西南岸線波浪主要由風浪和涌浪兩部分組成，風浪周期較短，一般在3～8 s，涌浪周期較長，為8～20 s。涌浪主要源自斯里蘭卡南部深水海域，涌浪從深水到淺水傳播過程中，受地形影響發生折射，波向改變。項目工程平面布置圖如圖2 所示，科倫坡港口城項目陸域北側為現有科倫坡南港的防波堤，東側為現有道路，西側和南側設1 道環形外防波堤，以減少波浪對吹填區的影響。

圖1 港口城項目附近2002—2003 年波浪實測資料Fig.1 Wave measurement data in the vicinity of the Port City project in 2002—2003

圖2 港口城工程平面布置圖Fig.2 Layout plan of the Port City project

項目的目的是為城市建設提供用地，港口城陸域總面積約為269 hm2，建設時需要通過護岸形成圍填區，再通過吹填和軟基處理形成陸域，為掩護陸域和沙灘，需建設防波堤、攔砂堤、潛堤和直立式護岸等。項目吹填造陸工作于2014 年9月17 日開工，建設期需要使用大量的挖泥船舶、交通船、貨船等工程船舶，施工期水深地形的變化引起施工區域波浪場的改變，因此需要進行施工期的波浪場模擬，分析典型施工地點波浪要素的變化規律并評估波浪對工程船舶的影響。本文基于GFS 風場數據源和GEBCO 全球海洋通用水深數據，采用WaveWatch III 模式和SWAN 模式進行嵌套建立一套適用于斯里蘭卡港口城海域的海浪數值模擬計算系統，通過與實測數據對比對該模式進行驗證，基于該模式對施工區域處于不同施工階段的波浪場進行了數值模擬，得到了不同施工階段波浪要素的變化規律，為工程船舶施工窗口期的選擇提供參考。

2 數值模型及參數設置

2.1 計算模型

本文基于海浪模式WaveWatch III 和SWAN 模式的多層嵌套建立數值模擬系統。WaveWatch Ⅲ是Tolman 等基于第三代海浪模式WAM 開發形成，適用于大洋深海尺度海浪的模擬。SWAN 模型是由荷蘭Delft 大學[11]開發，由于其考慮了非平穩水深引起的波浪折射、白浪破碎、水深變淺引起的破碎、波浪繞射等淺水物理過程，該模型更適用于海岸、湖泊、河口地區波浪的生成和傳播的數值模擬，但是該模式也有其自身的局限性，不能計算波生流、波浪衍射效應等。

SWAN 模式采用作用量密度N來描述隨機波浪，其控制方程為波作用量平衡方程，在直角坐標系中方程的形式為[11]：

式中：σ 為波浪的相對角頻率；θ 為波向，即垂直于各譜分量波峰線的方向；Cx、Cy分別為x、y方向上的波浪傳播速度；Cσ、Cθ分別為譜空間（σ，θ）上的波浪傳播速度；S為能量源、匯項；t為時間。

2.2 計算區域及參數設置

計算范圍的選定需綜合考慮大區域臺風作用和季風的影響，為了滿足不同區域對數值模式的范圍和精度的不同需求，計算采用5 層嵌套的計算方法，其中最小的SWAN 模型網格分辨率可達1/7 200°×1/7 200°，即15.2 m×15.2 m。具體的數值模型參數設置見表1，各個模式的計算范圍如圖3所示。計算步長為北京時間2014 年12 月1 日08時—2018 年12 月1 日08 時。港口城區域的波浪邊界由南印度洋的計算結果提供。第1 和2 層區域的波浪譜的最小頻率為0.041 18 Hz，最大頻率是0.405 6 Hz，波浪譜方向平均分為48 個，第3、4 和5 層區域波浪譜的最小頻率為0.04 Hz，最大頻率是0.394 Hz，波浪譜方向平均分為36 個。

表1 港口城區域數值模型參數設置Table 1 Parameter settings of numerical model of the Port City area

圖3 港口城區域數值模式計算范圍Fig.3 Calculation range of numerical model in the Port City area

2.3 地形、風場等

GEBCO 數據的全稱是全球海洋通用水深數據（General Bathymetric Chart of the Oceans），是由國際海道測量組織（IHO）和政府間海洋學委員會（IOC）聯合發布的最全面的世界大洋海底地形數據，也是當今海洋模式中最常用的海洋水深數據之一[12]。本次模型的最外3 層水深地形數據來自于GEBCO 數據，其分辨率為1/4°×1/4°；最內2層的水深地形數據來自于港口區海圖和典型施工階段水深地形的測量圖，局部地形的測圖比尺為1∶240 000。

風場是海浪模型的驅動場，其準確性至關重要。本文采取GFS 風場，數據可以通過美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的國家業務模型檔案和分發系統（NOMADS）下載[13]。風場數據覆蓋全球，空間分辨率為0.25°×0.25°。由于工程海域潮差較小，平均潮差在15 cm 內，潮流流速相對較弱，不考慮潮差對波浪的影響，主要考慮風的影響。

3 計算結果驗證

在項目附近科倫坡港部署Inter Ocean S4DW電磁測流儀，用于測量波浪和水流的大小和方向，測量時間為2008 年5 月—2010 年5 月，該時間段內儀器布置的坐標點為M1（6°55'22.813 907″，79°49'59.273 475″）。港口城項目南部的南港集裝箱碼頭建設是在2011 年開始的，2014 年完工，所以采取實測數據對港口城波浪模型進行驗證時不需要考慮南港集裝箱碼頭地形的影響。本節采取多重嵌套模型模擬對施工區域的波浪場進行數值模擬，模擬時間為2009 年6 月1 日—2010 年5月31 日，多重嵌套模型模擬得到的監測點的有效波高與實測數據的對比如圖4 所示。模型模擬得到的該時間范圍內的跨零周期與實測數據的對比如圖5 所示，模型模擬得到的該時間范圍內的譜峰周期與實測數據的對比如圖6 所示。

圖4 有效波高計算值與實測值對比Fig.4 Comparison between calculated and measured effective wave height

圖5 跨零周期計算值與實測值對比Fig.5 Comparison between calculated and measured zero-crossing period

圖6 譜峰周期計算值與實測值對比Fig.6 Comparison between calculated and measured peak period

可見數值模擬得到的監測點有效波高、跨零周期、譜峰周期與實測值變化趨勢均相近，其中有效波高均方根誤差為0.274 m，跨零周期均方根誤差為1.659 s，計算結果與觀測數據吻合較好，并且夏季風時期（5—9 月）的模擬效果要優于冬季風期（12 月—次年4 月）。這主要是由于在冬季風期間，波浪周期中短周期波成分增加，越洋涌浪成分占比降低，而作為模式驅動場的GFS 風場分辨率不高，對局地風浪缺乏計算能力。圖6 中的譜峰周期模擬結果與觀測數據整體變化趨勢相同，其中模擬值偏大，其均方根誤差為4.08 s，這是由于對譜峰周期誤差的判定，需要首先判斷此海域的波浪中風浪還是涌浪占優，當風浪成分超過涌浪時，周期計算可能會與實測結果出現5 s 以上的誤差。而在風浪與涌浪成分占比接近時，有效波高和跨零周期的誤差卻沒有那么顯著，因此譜峰周期誤差的代表性不如跨零周期，波周期分析更傾向于觀察跨零周期的變化規律，對譜峰周期的驗證更多關注周期變化趨勢是否相同。此結果表明，模型產生誤差的2 大原因，一是模式驅動場的GFS 插值風場時空分辨率不高，并且與實際風場存偏差；二是波浪模式本身引起的差異。

總體而言，通過將WAVEWATCH 和SWAN模型進行多重嵌套，所計算的波浪場與觀測結果符合較好，本文采用的數值方法滿足工程上對波浪模擬的精度要求。

4 施工期波浪場數值計算

4.1 港口城區域施工期地形變化

為了保障工程船舶正常作業，合理安排作業工期，提高運輸施工效率，需要分析不同施工階段港口城區域的波浪場變化。基于多層嵌套模式對各個地圖進行波浪場的數值計算，各個地形圖的計算時間分別為2014 年12 月—2016 年2 月、2016 年2 月—2017 年3 月、2017 年3 月—2018年3 月、2018 年3—12 月。4 個典型施工時間階段2014 年12 月、2016 年10 月、2017 年3 月和2018 年3 月港口城區域的水深地形圖如圖7 所示，可以看到隨著施工的進行，岸線逐步向深水處推移，2017 年3 月，防波堤已經初步形成，水深位于4～8 m 之間。

圖7 不同施工期港口城區域的水深地形圖Fig.7 Topographic map of water depth of the Port City area under different construction periods

4.2 監測點施工期波浪要素變化

為了評估波浪對挖泥船、運輸駁船等工程船舶工作效率以及對工程船舶靠離泊操作的影響，需要密切關注船舶典型工作地點波浪要素的變化。在擬建港口防波堤東南側布設監測點S1—S6，監測點在港口中的分布見圖8，監測點的經緯度坐標見表2。

表2 港口內監測點經緯度Table 2 Latitude and longitude of monitoring points in the port

圖8 港口內監測點分布Fig.8 Distribution of monitoring points in the port

斯里蘭卡港口城施工期的風速和風向的歷時過程如圖9 所示，重點點位S1、S3、S5 的有效波高、跨零周期在整個施工期的變化趨勢如圖10—圖12 所示。從有效波高變化趨勢中可以發現，斯里蘭卡港口城在每年的5—9 月為風速較大，風向為西南向，這是因為斯里蘭卡港口城每年的5—9月為夏季風期，波浪受印度洋西風帶涌浪和印度洋夏季風影響，有效波高較大，尤其是在8 月附近波高達到一年之中的最大值，而在每年的12 月—次年4 月風速較小，風向為東北向，為冬季風期，因此該時段下的有效波高均較小，有利于施工作業。

圖9 港口施工期風速、風向變化規律Fig.9 Variation law in wind speed and direction during port construction

圖10 點S1 施工期有效波高、跨零周期變化規律Fig.10 Effective wave height and zero-crossing period variation law during the construction period of point S1

圖11 點S3 施工期有效波高、跨零周期變化規律Fig.11 Effective wave height and zero-crossing period variation law during the construction period of point S3

圖12 點S5 施工期有效波高、跨零周期變化規律Fig.12 Effective wave height and zero-crossing period variation law during the construction period of point S5

在開工初期，S1 處有效波高在每年10 月—次年5 月最小，平均值為0.5～1.1 m，隨著施工的進行，特別是2017 年3 月防波堤初步形成以及2018 年4 月防波堤接近完工時，S1 處的有效波高有著明顯的下降，在2017 年10 月—2018 年5 月平均值為0.2～1 m，但是受到越洋涌浪和夏季風的影響，5—10 月的有效波高仍然較大，最大值可達到1.5 m 以上。從2017 年3 月之后，跨零周期超過8 s 的情況明顯減少了，說明逐漸形成的防波堤對長周期波具有顯著的消波作用。在2018 年12 月防波堤接近完工時，S1 和S3 處的波高周期都明顯減小了，表明防波堤對波浪具有明顯的消減作用。

圖13 給出了5 張水深地圖在典型時刻的波高分布情況，可以看出受到季風、南港集裝箱碼頭及地形的影響，施工區域波浪方向與外海的西南方向浪向一致，波浪在傳播至近岸的過程中受到底摩擦、破碎等損耗，波高逐漸變小。圖13（a）、圖13（b）、圖13（c）顯示的波浪浪向一致，波高受到水深地形及季風的綜合作用。圖13（d）為2018年8 月1 日的波高分布圖，盡管此時水深較淺，但是受到印度洋西風帶涌浪和印度洋夏季風的影響，波高依舊較大，此外在施工區域的東南角防波堤初步形成后，部分浪向發生改變。圖13（e）顯示防波堤已經完成近80%工程量，可以看到遮掩區域的波高急劇減小，平均波高為0.1～0.2 m，浪向從之前的西南向變成西北向，可以發現防波堤會導致遮掩區域波浪浪向發生改變。

圖13 地圖典型時刻波高分布圖Fig.13 Map typical time wave height distribution

5 結語

本文基于WAVEWATCH Ⅲ和SWAN 數值模式的多層嵌套建立了斯里蘭卡港口城施工海域的波浪數值計算系統，并且對施工區域處于不同施工期的波浪場進行了數值模擬，得到的主要結論如下：

1） 本文建立的波浪模擬系統計算值與實測值對比發現，有效波高、跨零周期的計算結果吻合較好，夏季風時期（5—9 月）的模擬效果要優于冬季風期（12 月—次年4 月）；譜峰周期的模擬值與實測值整體變化趨勢相同，模擬值相對偏大。

2） 通過對施工期的波浪場進行數值分析，發現有效波高值在夏季風期時較大，特別是在8 月附近波高達到一年之中的最大值，而在冬季風期的有效波高值均較小，適合開展施工作業。

3） 施工區域波浪方向與外海的西南方向浪向一致，防波堤的逐步修建、完善會導致遮掩區域的浪向發生改變。

4） 隨著水深減小，波高、周期逐步減小，可見防波堤的形成對長周期波具有明顯的消波作用。

隨著港口區域吹填施工的進行，水深地形在逐步變化，而計算時只使用的幾個典型的水深地形圖，每個地形圖跨度為1 a 左右，不能完全反映整個施工期施工區域地形變化。因此為了真實反映監測點波高、周期的變化，應該使用所關注的時刻近1～2 個月的水深地形圖。