楊 氾，張 瑋

(1.河海大學 港口航道及近海工程學院，江蘇 南京 210098;2.南京水利科學研究院，江蘇 南京210024)

韋帕臺風對連云港典型水域波能損耗及懸沙含沙量影響研究

楊 氾1，2，張 瑋1

(1.河海大學 港口航道及近海工程學院，江蘇 南京 210098;2.南京水利科學研究院，江蘇 南京210024)

旨在建立淤泥質海岸條件下波能功率沿程損耗和水體懸沙垂向懸浮功率之間的時間對應關系。通過韋帕臺風時期連云港波浪數(shù)學模型，求解了測點處波能功率沿程損耗的變化過程。結合實測資料進行分析后認為，該過程與波高過程存在相位差，同時與實測水體懸沙含沙量變化過程對應關系較好。結合以往研究成果，說明利用波能功率衰減變化推求淤泥質海岸風天條件下的水體含沙量變化可以同時滿足空間和時間上對應關系。還分析了底部摩阻損耗與底部含沙量之間的對應關系，兩者在時空分布上也較為吻合。通過韋帕臺風實測資料和數(shù)學模型結果，推求出波能功率沿程損耗與懸沙垂向懸浮功率之間的轉化因子為0.3。

淤泥質海岸;臺風;波能損耗;含沙量;連云港

我國有著漫長的淤泥質海岸線。隨著觀測試驗手段不斷提高以及理論研究成果的不斷積累，人們對于淤泥質海岸岸灘泥沙運動機理的認識逐漸深入，通過現(xiàn)有實測風、浪、流資料推求岸灘變化成為合理規(guī)劃保護、利用和開發(fā)淤泥質海岸方案的有力手段和重要依據(jù)。在淤泥質海岸，岸灘沖淤變化主要受到水體懸浮含沙量變化的影響。因此，研究分析水流、波浪條件與水體含沙量之間的關系對于有效預測岸灘變化很有意義。眾多學者引用挾沙力建立起其與動力條件之間的關系，如劉家駒［1］、曹祖德［2］、竇國仁［3］等人分別提出了各自的水體挾沙力公式，其他學者也分別基于最新的觀測結果針對風天條件下淤泥質海岸挾沙力展開研究［4］，這些成果在以往實際工程應用中取得了良好的效果。

隨著對于泥沙回淤計算精度要求的逐漸提高，近年來廣泛受到關注的大風浪泥沙驟淤問題不僅需要預報驟淤量，更需要掌握大風浪過程中的含沙量變化過程。如文獻［5］所述，目前基于挾沙力研究成果所計算出的平均含沙量，只能反映較長時間動力條件相對應的含沙量，如年平均含沙量，難以反映出大浪期間隨時間變化的含沙量過程，難以反映實測資料中含沙量變化滯后于動力變化的過程［6-7］。針對這一問題，孔令雙［8］認為泥沙運動受到慣性作用，因此滯后于挾沙力變化過程;吳德安［9］認為動力作用需要時間過程，即存在動力的滯后性;竇國仁［3］認為含沙量不僅受挾沙力作用，也與前期及來流方向的含沙量有關。

從能量角度上講，風天時刻劇烈的水體運動所產生的紊動能量是導致水體含沙量升高的直接原因，水體懸沙懸浮所需要的懸浮功率應等于或小于水體紊動功率，兩者在變化趨勢上應保持一致。波浪在向近岸傳播過程中的能量損耗是引起水體紊動能量升高的最大來源，也是維持水體懸沙懸浮和近底含沙量增大的主要原因?；诖耍?007年連云港韋帕臺風時期觀測資料為依據(jù)，依托波浪數(shù)學模型手段，分析和研究波能功率沿程損耗隨時間變化過程的特點，通過其與實測水體含沙量變化過程的對比，分析兩者在時間變化上的關系;建立波能功率沿程損耗與水體泥沙懸浮功之間的理論公式，通過實測資料推求兩者之間的轉換因子系數(shù)。

1 實測資料分析

連云港地處江蘇省北部黃海海州灣西南岸，屬于我國比較典型的淤泥質海岸之一。2007年9月16日，第13號臺風“韋帕”(Wipha)在西太平洋洋面上生成，并與2007年9月19日2時20分在浙江省蒼南縣霞關鎮(zhèn)境內登陸，最大風力為14級(45 m/s)，并在登陸后不久減弱為熱帶風暴，于9月20日凌晨5時在江蘇省灌南縣境內離岸，最大風力為8級(18 m/s)。臺風離岸過程中，對于連云港海域造成了一定的影響，其中大西山海洋站實測瞬時最大風速達到28.8 m/s，為近年來對連云港影響較大的一場臺風。交通運輸部天津水運工程科學研究院在該海域設立了2個測站，分別位于－3 m和－5 m水深處，在臺風過程中實時記錄了水流、波浪及水體含沙量等資料［7］，為分析風天條件下連云港水動力條件及泥沙運動提供了基礎。

在淤泥質海岸，波浪作為泥沙懸揚主要的能量來源，在挾沙力公式中可以通過波高的平方來表示。根據(jù)觀測資料做出－3 m、－5 m測點處波高平方與水體垂向平均含沙量及近底含沙量隨時間的變化過程(圖1)。

圖1 2007年韋帕臺風時期連云港實測－3 m、－5 m測點處波能與含沙量變化過程Fig.1 The progress of the wave power and SSC at-3 m and －5 m points in Lianyungang during Typhoon Wipha，2007

圖1可以看出，兩次峰值時刻，含沙量峰值滯后于波高峰值約0.5～1.0個小時，這說明實際含沙量過程滯后于波高及波能過程。

從圖2可以看出，同一時刻，－5 m、－3 m測點實測波高之間存在一定的差距，這是因為波浪在傳播過程中受到底部摩阻作用和破波因素影響存在波能的沿程損耗?；诰€性波理論，一個波周期內單位寬度斷面上波能E在傳播方向上的沿程損耗率可以表示為

圖2 －3 m、－5 m測點實測波高及兩測點間波高差距隨時間變化過程Fig.2 The progress of the wave height at－3 m and －5 m point and their difference

考慮到淤泥質海岸岸灘變化坡度較小，從實測地形上來看，在－3 m和－5 m測點之間，岸灘邊坡基本保持不變;此外，根據(jù)以往研究成果，緩坡條件下，隨著坡度的減小，底部摩阻損耗會逐漸取代破波損耗，稱為波浪傳播過程中的主要損耗方式。假設底部摩阻沿程損耗在邊坡不變時可以為一定值，且－5 m至－3 m測點之間波高沿程衰減率可近似表達為波高差與距離的比值，即:

將－3 m及－5 m測點處的一個周期斷面波能沿程損耗率近似表示為

上式說明，－3 m及－5 m測點處的波能沿程損耗率的變化過程受該點處波高H及兩點間波高差ΔH兩者變化過程的共同影響。韋帕臺風時刻徐圩海域存在兩次波浪峰值時刻，分別為20日的凌晨及上午9點左右。從圖2中可看出，20日凌晨1點左右，兩測點波高先后達到峰值，但波高差峰值晚于波高峰值1小時后出現(xiàn);20日上午9點，兩測點波高同時達到峰值，而測波高差峰值于晚于波高峰值2個小時出現(xiàn)。這說明，波高變化過程與測點間波高差變化過程在時間上存在相位上的差距，后者滯后于前者?？紤]到兩者在數(shù)值上共同決定了波能沿程損耗的變化過程，因此可以推論，斷面波能沿程損耗?E/?x變化過程與波高H變化過程存在一定程度上的相位差距，前者滯后于后者。

當該斷面能量以一定波速向岸傳播過程中，由于底部摩阻影響，同時也伴隨著波速的衰減。采用波能功率沿程損耗?P/?x來代替?E/?x進行分析，可以更綜合反映出單位時間內斷面波能衰減和波速衰減所產生的紊動能量，即紊動功率。依據(jù)線性波理論有:

即波能功率損耗應等于斷面波能的沿程損耗和波群速度沿程損耗兩部分組成。?P/?x可以近似看做單寬波能在經過單位長度后轉化為的紊動功率，由此可以進一步推論，某測點處由波浪引起的紊動功率的變化過程應滯后于該點處的波高變化過程。

臺風天實測資料獲取難度較大，測點數(shù)量較少。為了進一步說明波能功率沿程損耗變化滯后于波高變化這一特性，擬通過建立韋帕臺風時期連云港數(shù)學模型，得到近岸破波區(qū)波浪功率沿程分布，進而推求出波能功率沿程損耗隨時間變化過程，為隨后的分析奠定基礎。

2 數(shù)學模型建立

波浪數(shù)學模型計算范圍西自現(xiàn)有岸線，北起日照(35°22'30″N，119°33'E)，東至(35°22'30″N，120°17'E)，南至廢黃河口附近(34°17'00″N，120°17'E)，東西寬約 99.7 km，南北長約 119.3 km，模型范圍約8 648 km2(圖3)。水下地形根據(jù)實測資料確定?？紤]到計算范圍較大，波浪模型采用動譜能量守恒方程:

式中:N為動譜能量密度;σ為相對波浪頻率(當坐標系隨水流運動時觀測到的頻率);θ為波向;Cx，Cy為波浪沿x、y方向傳播的速度;Cσ，Cθ為波浪在σ、θ坐標下的傳播速度。S為源匯項，如式(7)表示

式中:Sin為風能輸入項;Snl為非線性波－波相互作用的能量傳輸;Sds為波浪白帽耗散造成的能量損失;Sbot為波浪底部摩阻所造成的能量損失;Ssurf為波浪破碎所導致的能量損失。

模型網(wǎng)格采用三角形網(wǎng)格，并在連云港周邊海域加密網(wǎng)格，最小網(wǎng)格尺度100 m，最大網(wǎng)格尺度5 000 m，如圖3所示?？紤]到常風天條件下，連云港波浪較小，而韋帕臺風臨近連云港時處于離岸狀態(tài)，連云港附近海域波浪主要為風浪，浪高、浪向受風速、風向影響較大，而外海傳波對于連云港波浪影響較小，因此東、北兩條水邊界設定為透浪邊界，允許能量傳出，西、南邊界為陸邊界。風場資料和潮位資料采用大西山實測風資料和潮位資料。

首先采用多年波浪實測資料進行對模型進行驗證和參數(shù)率定。底部摩阻系數(shù)采用龔崇準推薦值kn=0.01，波浪破碎指標采用Ruessink推薦計算公式，波浪譜采用JOSWAP譜。根據(jù)連云港大西山海洋站(34°47'N、119°26'E)1962 至2003 年實測波浪資料統(tǒng)計［10］，連云港常浪向為NE向。強浪向為NNE向，NE次之。因此綜合考慮后，采用50年、25年、10年、2年一遇NE向波浪資料，并結合文獻［11］推求－20 m等深線深水波要素，進行模型的驗證和率定，驗證結果如表1所示。可以看出所建立波浪數(shù)學模型基本符合實際，可用于進一步計算韋帕臺風時期的波浪情況。

圖3 波浪模型范圍及網(wǎng)格(北京54座標120°E)Fig.3 The range and the mesh of wave model

表1 連云港大西山及深水波要素驗證Tab.1 The verification of the wave at Daxishan，Lianyungang and the deep water

計算參數(shù)中，時間步長Δt=30 s。模型計算時間從2007年9月15日12點開始，至9月21日0點結束，重點關注18日18時至20日12時的波浪過程。風場采用整點實測風速資料，潮位采用現(xiàn)場實測潮位結果，暫不考慮潮流對于波浪的作用。

韋帕臺風浪模型采用－3 m和－5 m測站實測資料進行驗證，驗證結果見圖4?？梢钥闯觯鳒y點的計算波高和實測值基本符合，變化過程趨于一致，較好的反映出兩次峰值期間的波浪變化過程，由此可以認為建立的臺風浪模型能較好的模擬韋帕臺風時期連云港周邊波浪隨時間的變化過程，并以此為基礎進一步研究分析波能功率沿程損耗情況。

圖4 －3 m、－5 m測點處波高驗證Fig.4 The verification of wave height at－3 m and －5 m points

3 波能功率損耗的計算分析

上文依據(jù)實測資料得到波能功率沿程損耗?P/?x變化滯后于波高H變化這一推論。受到折射效應的影響，在向近岸傳播過程中，波向接近于橫向斷面?zhèn)鞑?，此時可以認為橫向斷面上波能功率沿程損耗?P/?x最大。由于實測資料中兩測點連線與橫向斷面線有較大的夾角，為較為真實的反應出實際波浪傳播過程中的波能沿程損耗，需分別經過這兩點建立橫向斷面(圖5)。

通過數(shù)學模型計算結果提取處各點的波能功率，可得到起橫向斷面分布(圖6，以2007年9月20日9時為例)。可以看出，邊坡越大，波能功率沿程損耗率亦增大;當邊坡保持基本不變時，波能功率沿程衰減率在較短距離內亦可認為保持不變。因此提取各測點附近橫向斷面內波能功率值，認為其沿程線性衰減，從而得到該點處?P/?x的變化過程。

圖5 測點及斷面布置示意Fig.5 The sketch diagram of the point and profile

圖6 2007年9月20日9時左右大浪時刻波能功率橫向斷面分布Fig.6 The cross-profile of wave power at 9pm，Sept.20，2007

考慮到在崩破波條件下，波浪的底部摩阻損耗對于底部泥沙的掀起作用遠大于破波。為了分析底部含沙量的變化過程，有必要單獨計算底部摩阻損耗。通過提取測點處波高H、周期T、水深h、底床質點水平速度ub，根據(jù)線性波理論和Jonsson［12］可以求解得到底部摩阻損耗功率Pbot。由此可以臺風過程期間各測點處的波能功率沿程損耗以及底部摩阻損耗隨時間變化的過程(圖7)。從中可以看出:

1)各測點波能功率沿程損耗隨時間的變化與波高變化第一次峰值時刻存在一個小時的相位差，前者晚于后者;第二次峰值時刻滯后半個小時。

2)各測點底部摩阻波能功率損耗隨時間變化與波高變化在第一次峰值時刻存在一個小時的相位差，前者晚于后者;第二次峰值時基本吻合。

3)在淤泥質海岸，底部摩阻損耗是波能損耗的主要形式。隨著水深減小，底部摩阻損耗越大，同時其在波能功率損耗中所占的比重也越大，占總損耗的一半以上。

由此可見，無論是實測資料還是數(shù)學模型計算結果都表明，在臺風條件下，淤泥質海岸某一點處波能損耗(波能功率損耗)變化過程滯后于波高變化過程。此處需說明，模型結果中滯后時間比實測資料略小，原因在于模型計算斷面為岸灘橫向斷面，而實測資料斷面與岸線并不垂直。后者不僅存在橫向岸灘損耗，同時也存在沿岸向岸灘損耗，因此兩者結果在數(shù)量上并不完全一致，但特性相同，均表現(xiàn)出滯后現(xiàn)象。

圖7 －3 m、－5 m測點處波能功率損耗、底部摩阻損耗隨時間變化過程Fig.7 The progress of the loss of wave power and its bottom friction loss at－3 m and －5 m points

4 波能功率損耗與泥沙含量關系分析

引起水體含沙量增大的主要動力來源為波浪的底部切應力作用以及破波所造成的水體紊動，因此將波能功率損耗與近底水體含沙量以及垂線泥沙懸浮功率Pssc進行對比分析。Pssc如下式定義:

式中:ω為泥沙沉速;S為垂向平均含沙量;ρs，ρ分別為泥沙顆粒密度和水密度;h表示水深。通過對結果(圖8)進行分析可得出以下結論:

1)淤泥質岸灘上，波能功率沿程損耗變化能體現(xiàn)出與水體含沙量變化的對應關系。波能功率衰減峰值、谷值時刻時垂向整體懸浮功都有明顯的對應峰值、谷值出現(xiàn)，且兩者增減變化基本無相位差距。

2)各點摩阻損耗變化與底部含沙量變化對應關系明顯，突出表現(xiàn)在底部含沙量峰值時刻前后，當波能功率底部摩阻損耗發(fā)生變化時，底部含沙量亦發(fā)生變化，變化趨勢相同。兩者峰值、谷值時刻對應關系亦十分明顯。

3)從－3 m、－5 m測點波能功率損耗隨時間變化關系上可以看出，連云港地區(qū)經歷了兩次比較大的大浪過程，突出體現(xiàn)了臺風在灌云離岸過程中前沿風場及中心風場對于波浪場的影響。因此，波能損耗亦有明顯的兩次比較明顯的峰值，且大小接近。從觀測資料可以看出，第二次損耗峰值時刻對應含沙量峰值明顯大于第一次。這一現(xiàn)象可以從挾沙能力來解釋:①第一次峰值時刻持續(xù)時間較短，此時水體實際含沙量可能并未達到水體挾沙能力含沙量，但近底的紊動效應已經破壞了原有底床的穩(wěn)定結構，動力衰減后重新回落到底床上的懸沙在動力增強時更容易進入二次懸揚狀態(tài)，突出表現(xiàn)在第一次和第二次峰值之間，當波能功率底部摩阻沿程損耗出現(xiàn)小幅度的變化時，近底含沙量會同步出現(xiàn)較為劇烈的變化;②第二次峰值時刻持續(xù)時間較長，加之第一次峰值時刻對于底床的擾動作用，使得底沙更加容易懸浮進入水體。此時雖然損耗峰值比第一次要小，但水體實際含沙量可以認為已經達到水體挾沙能力含沙量，突出表現(xiàn)在第二次峰值過后波能功率沿程損耗變小時，水體泥沙懸浮功及近底含沙量都表現(xiàn)出衰減趨勢，且趨勢相同，說明在這一過程中，水體挾沙能力的減小導致水體含沙量減小，因此可以認為此時水體實際含沙量已經達到了挾沙能力含沙量。

圖8 －3 m、－5 m測點波能功率損耗、底摩阻損耗與泥沙懸浮功、底部含沙量關系Fig.8 The relationship between the on-way wave power loss and the work of suspended sediment，and that between the bottom friction loss and the SSC at bottom

此處需指出，波能功率沿程損耗與水體挾沙力都是反映水流挾帶懸浮泥沙的能力，但兩者存在一定的區(qū)別。從目前的水體挾沙力計算公式可以看出，純波浪條件下，水體挾沙力基于現(xiàn)有水流能量，與波高的變化過程是同步的;而波能功率沿程損耗則是基于基于波浪沿程變化梯度，滯后于波高的變化。

綜上所述，波能沿程損耗能更綜合、完備地體現(xiàn)出與水體含沙量的對應關系。其中，波能功率損耗過程與懸沙懸浮功過程吻合較好，兩者基本上無相位差距，這也反映了紊動能量轉化為泥沙懸浮運動能量時的即時性;波浪底部摩阻損耗過程與底部含沙量變化過程也較為吻合，基本無相位差。這說明，在風天條件下，從能量平衡角度利用波浪功率沿程損耗變化過程來分析和推求淤泥質海岸破波區(qū)岸灘水體含沙量變化過程是可行的。

5 理論分析及公式建立

采用波能功率沿程損耗來代替波能沿程損耗進行分析，因此結合文獻［13］的結果，通過采用波能功率替換斷面波能，基于能量守恒，可得到如下等式:

式中:Pw表示單位寬度上的波能功率;η表示波能功率損耗轉化的效率因子;ρs，ρ分別表示泥沙顆粒密度和水密度;S表示在垂向平均含沙量;ω表示沉速;h表示水深。相比文獻［13］，該式同時考慮了波高和波周期沿程的變化情況。公式存在兩個未知量，當已知某一時刻波浪功率能量沿程損耗時即可推求水體平均含沙量。

所以當已知波能功率沿程損耗?Pw/?x以及含沙量時，可推求效率系數(shù)η:

式(10)中，對于觀測點，水深h可以通過觀測資料獲得，泥沙沉速ω根據(jù)連云港淤泥在海水中的沉速可取為ω=3 cm/s，ρs可取1.2×103kg/m3。上文中已經由連云港韋帕臺風波浪數(shù)學模型得到實測點處的?Pw/?x，結合實測含沙量，進而可以推求出η。綜合考慮后，在排除底床擾動影響的前提下，選取19日17時至20日6時一個完整潮位過程中－3 m、－5 m測點處波能損耗功率和水體含沙懸浮功通過式(10)來推求效率因子η，計算結果范圍為0.08至0.49，平均值為0.3，與文獻［13］計算結果相符，比文獻［13］結果略大。結合文獻［13］結論可以認為，在已知合適的效率因子η前提下，式(9)能同時充分反映出風天條件下淤泥質海岸水體懸浮泥沙的空間分布和時間變化過程。

6 結語

1)建立韋帕臺風時期連云港波浪數(shù)學模型，通過驗證，與實測資料符合較好，可以反映臺風期間波浪變化過程，為研究波能損耗與水體含沙量之間的關系提供了分析基礎;

2)實測資料和波浪數(shù)學模型均表明，風天條件下，淤泥質海岸波能功率沿程損耗隨時間變化的峰值時刻晚于波高峰值，存在至少一個小時的相位差;

3)通過損耗類別分析后認為，在淤泥質海岸條件下，底部由于摩阻產生的波能功率損耗占總損耗達到一半以上，并且水深越小，比率越大;

4)在淤泥質海岸條件下，某點的波能功率損耗隨時間變化過程線與該點處水體垂向平均含沙量隨時間變化過程吻合程度較好，可作為一個推斷后者時空分布的重要依據(jù);

5)在淤泥質海岸條件下，某點波能功率的底部摩阻損耗變化過程與底部含沙量的變化過程在時間上吻合程度較好，可以作為一個推斷后者時空分布的重要依據(jù);

6)建立了波能功率損耗與泥沙懸浮功率之間的理論公式，并通過韋帕臺風實測資料推求出波能功率損耗與泥沙懸浮功率的轉換因子為0.3。

本次模型中暫未考慮波-流相互作用及風吹流所造成的紊動損耗計算。如何考慮風天條件下水體波浪、潮流運動產生的紊動能量量化計算，這將在今后的工作中展開。

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The influence of Typhoon Wipha on the loss of wave power and the suspension sediment concentration during wind process on muddy coast in Lianyungang

YANG Fan1，2，ZHANG Wei1
(1.College of Port，Coastal and Offshore Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China;2.Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210024，China)

This paper aims to establish the temporal relationship between the on-way loss of the wave power and the vertical power of the suspension sediment on the muddy coast.First，the process of the wave power on-way loss was calculated through the mathematical wave model at Lianyungang in Typhoon Wipha(2007).Both the observation data and the model result show that the process of wave power on-way loss lags behind that of wave height and is in good agreement with the process of suspension sediment concentration.The result of this paper and the existing research achievements show that the wave power on-way loss has both spatial and temporal correspondence with the vertical mean sediment concentration.This paper also analyzes the relationship between the wave power friction loss and sediment concentration at base，which also has a temporal correlation.Finally，based on both the field data in Typhoon Wipha and the result of mathematical model，the efficiency factor between wave power on-way loss and the vertical suspension power of the sediment is calculated，and it is 0.3.

muddy coast;typhoon;loss of wave power;sediment concentration;Lianyungang

TV148

A

1005-9865(2012)04-0082-08

2011-10-08

國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)資助項目(2012AA112509);江蘇省交通科學研究計劃資助項目(20100714-30HDKY001-2);2011年度江蘇省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程(CX2211-0449)

楊 氾(1987－)，男，江蘇南京人，博士生，主要從事淤泥質海岸波浪運動及其影響的研究。E-mail:yf1412@hhu.edu.cn