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        漁港有效避風(fēng)面積計(jì)算探討——以霞關(guān)漁港為例

        2012-11-17 13:59:06林法玲
        海洋預(yù)報(bào) 2012年6期
        關(guān)鍵詞:區(qū)域模型

        林法玲

        (1.福建省海洋預(yù)報(bào)臺,福建福州 3500032.福建省海洋與漁業(yè)信息中心福建福州 350003)

        1 引言

        我國是一個(gè)海洋大國,海洋漁業(yè)作為海洋三大產(chǎn)業(yè)中的第一產(chǎn)業(yè)在我國海洋經(jīng)濟(jì)中占有重要位置。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),全國共有各類海洋捕撈漁船約31萬艘,各類漁港1000余個(gè),從業(yè)漁民達(dá)800萬人。由于我國位于西北太平洋和南海海域沿岸,而西北太平洋和南海海域是全球臺風(fēng)最為活躍的海域,頻受風(fēng)暴潮和臺風(fēng)浪的襲擊,海洋災(zāi)害對漁業(yè)生產(chǎn)造成了重大傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。根據(jù)《中國海洋災(zāi)害公報(bào)》統(tǒng)計(jì),在2000—2010年期間,我國漁船沉損累計(jì)達(dá)56000余艘,養(yǎng)殖面積累計(jì)損失近1300千公頃,直接經(jīng)濟(jì)損失1498億元。2006年8號臺風(fēng)“桑美”超強(qiáng)臺風(fēng)的正面襲擊福建和浙江交界海域,福建沙埕港灣內(nèi)聚集了福鼎市、霞浦縣及浙江蒼南、平陽等地各類大、小避臺漁船近萬艘,造成721艘漁船沉沒、1723艘漁船被損壞的結(jié)果,給當(dāng)?shù)貪O業(yè)生產(chǎn)帶來了極大的損失[1]。海洋漁業(yè)生產(chǎn)安全,關(guān)系到廣大漁民的切身利益,一直是各級政府部門高度關(guān)注的民生問題。建設(shè)好海洋漁業(yè)安全環(huán)境保障系統(tǒng),為漁業(yè)生產(chǎn)安全管理提供有力的技術(shù)支撐,不僅是國家海洋局當(dāng)前重中之重的工作,也是沿海各省自身應(yīng)做好的工作職責(zé)。而通過漁港有效避風(fēng)面積計(jì)算確定漁港避風(fēng)容量,確保漁船在港內(nèi)安全避風(fēng),是海洋環(huán)境專題預(yù)報(bào)中的重要內(nèi)容。漁港有效避風(fēng)面積是指,漁港在100年一遇設(shè)計(jì)波浪作用時(shí),漁港港內(nèi)有效波高H1/3≤1.0 m的水域面積[2-4]。本文利用Mike21中的BW模型,以防波堤堤前波要素為邊界條件[5],計(jì)算避風(fēng)漁港的港內(nèi)波況,并統(tǒng)計(jì)出相應(yīng)的避風(fēng)面積,進(jìn)一步完善了海洋漁業(yè)生產(chǎn)安全保障系統(tǒng),為海洋漁業(yè)行政主管部門指導(dǎo)漁業(yè)安全生產(chǎn)提供了有力的技術(shù)支撐[6]。

        圖1 x、y方向的交錯(cuò)網(wǎng)格

        2 MIKE21-BW波浪數(shù)值模型介紹[7]

        MIKE21-BW波浪數(shù)值模型由丹麥水力研究所(Danish Hydraulic Institute,簡稱DHI)開發(fā),能很好的模擬波浪傳播過程中的折射、繞射、反射、淺化等現(xiàn)象。

        2.1 模型控制方程

        連續(xù)方程:

        X方向動量方程:

        Y方向動量方程:

        式中,下標(biāo)x、y、t分別表示對空間和時(shí)間的偏微分。式中:ξ為波面升高;P、Q為x、Y方向流量密度;B為深水色散系數(shù);Fx、Fy為x、y方向水平應(yīng)力;

        D為靜水深;h為水深,h=d+ξ;C為謝才系數(shù);α為孔隙介質(zhì)中的層流阻力系數(shù);Β為孔隙介質(zhì)中的紊流阻力系數(shù);n為孔隙率;g為重力加速度。

        2.2 邊界條件

        模型計(jì)算區(qū)域的邊界分3種:

        (1)入射波浪邊界條件

        MIKE21-BW模型中,入射波浪邊界有邊界造波和內(nèi)部造波兩種[8]。

        (2)全反射邊界條件

        全反射直墻邊界上的法向速度應(yīng)為0,即u·n=0,式中n=(nx,ny)為邊界的外法向單位矢量。

        (3)吸收波浪邊界

        在實(shí)際工程中,防波堤等建筑物都是部分吸收波浪能量,為使波浪能量部分被吸收,且能量部分反射回計(jì)算區(qū)域,模型采用在邊界前設(shè)置海綿層的方法使波浪衰減。

        2.3 數(shù)值求解

        圖2 漁港平面布置圖

        BW模型采用等間距矩形網(wǎng)格,ADI格式求解。在矩形計(jì)算域中,分別在x方向和y方向進(jìn)行求解,使問題轉(zhuǎn)化為求解兩個(gè)三對角矩陣方程組,網(wǎng)格布置見圖1。差分格式詳見相關(guān)參考文獻(xiàn)[9]。

        3 工程概況及模型設(shè)置

        蒼南縣霞關(guān)一級漁港位于溫州市蒼南縣的南端,地理坐標(biāo)為27°10′N、120°27′E,與福建省沙埕港隔海相望,距離僅5.0 km。影響該避風(fēng)港的外海波浪主要有兩種:一種是SE、ESE和E向浪,從東口門(南關(guān)島和門仔嶼兩個(gè)口門)進(jìn)入;另一種是SSW和SW向浪,主要從西口門(老鼠尾防波堤西側(cè))及八字門傳入港內(nèi),八字門口門狹窄,進(jìn)入港區(qū)的波浪較小,西口門很大,偏西向波浪的傳入,會對新建防波堤后的港區(qū)避風(fēng)條件產(chǎn)生較大影響。該漁港共建設(shè)防波堤包括老鼠尾、門仔嶼和南關(guān)島三段。老鼠尾段防波堤自老鼠尾島西南岬角處,沿方位角110°—290°N方向延伸1000 m,該方案布置后,形成港池面積約2.60 km2,對S—SW向浪具有較大的掩護(hù)作用,部分SW和SSW向浪將通過繞射進(jìn)入港區(qū)。霞關(guān)鎮(zhèn)—門仔嶼由長114 m的透空式防波堤連接,防波堤走向0°—180°N,門仔嶼—南關(guān)島為雙突堤布置,兩堤走向均為70°—250°N,呈平行布置,各長27 m和45 m,形成口門寬90 m,具體詳見圖2。

        由于SW和SSW向波浪周期較短,相應(yīng)的波長也較短,計(jì)算時(shí)需要采用較小的計(jì)算網(wǎng)格;東側(cè)防波堤長度較短,口門較小,也需要采用較小的計(jì)算網(wǎng)格,模型采用5 m×5 m矩形網(wǎng)絡(luò)。為提高模型計(jì)算效率,需要盡量選取較小的計(jì)算范圍,經(jīng)分析,確定不同方向模型計(jì)算范圍。由于模型空間網(wǎng)格小,為滿足Courant數(shù)的要求,相應(yīng)的時(shí)間步長也要小,模型時(shí)間步長取0.3 s。

        因造波線距離防波堤很近(僅6—7倍波長),模型又不計(jì)底摩擦,驗(yàn)算表明,從造波線位置到防波堤的傳播過程中波浪基本不衰減。因而,可取堤前波要素作為模型計(jì)算邊界條件,其中SW、SSW向港內(nèi)波浪計(jì)算的邊界條件取1#波要素,E、ESE和SE向港內(nèi)波浪計(jì)算的邊界條件取2#波要素。港內(nèi)波況計(jì)算邊界條件見表1。

        表1 港內(nèi)波浪計(jì)算邊界條件

        自然岸灘按全吸收邊界處理,設(shè)置10層海綿層;斜坡堤按0.3的反射系數(shù)設(shè)置空隙層;直立堤按0.9的反射系數(shù)設(shè)置空隙層;透空堤按透射系數(shù)0.4、反射系數(shù)0.6考慮設(shè)置空隙層。由于計(jì)算范圍較小,模型不計(jì)底摩擦。模型也未考慮波浪破碎[10]。

        4 計(jì)算結(jié)果分析

        由于偏東向浪主要為涌浪,模型計(jì)算時(shí),邊界條件的波向采用折射后港外波浪的實(shí)際方向。偏東向港內(nèi)波浪計(jì)算時(shí),模型計(jì)算范圍中,南關(guān)島西側(cè)部分水域?qū)τ诟蹆?nèi)波浪計(jì)算基本沒有影響,為提高模型計(jì)算效率,將該水域設(shè)置為人工陸地,其邊界按全吸收邊界處理。

        圖3 E向浪入射時(shí)港內(nèi)波高分布(單位/m)

        圖4 ESE向浪入射時(shí)港內(nèi)波高分布(單位/m)

        圖5 SE向浪入射時(shí)港內(nèi)波高分布(單位/m)

        圖6 SSW向浪入射時(shí)港內(nèi)波高分布圖(單位/m)

        圖7 SW向浪入射時(shí)港內(nèi)波高分布圖(單位/m)

        表2 各波高段對應(yīng)區(qū)域面積統(tǒng)計(jì)(單位/萬m2)

        SE、ESE和E3個(gè)港外波浪方向中,SE向波浪入射時(shí)港內(nèi)波況最好,有效波高0.6 m以下的避風(fēng)區(qū)域面積198.91 m2。ESE向波浪入射時(shí)港內(nèi)波況最差,有效波高0.6 m以下的避風(fēng)區(qū)域面積121.82 m2。E向波浪入射時(shí)港內(nèi)波況介于前兩者之間,這顯然是因?yàn)镋SE向港外波浪的波高大、周期長,屬最不利工況,其波高分布見圖3—5,各波高段對應(yīng)區(qū)域面積見表2。因此,在港外發(fā)生偏東向大浪時(shí),漁船應(yīng)盡量避開東口門附近區(qū)域,而選擇在霞關(guān)漁港西側(cè)避風(fēng)錨泊。

        霞關(guān)漁港附近水域偏西向浪主要為風(fēng)浪,出于避風(fēng)漁船的安全考慮,計(jì)算時(shí)港外波要素方向取與風(fēng)向相同,而不采用折射后的波向。為減小計(jì)算范圍、提高計(jì)算效率,將港外波浪由八字門傳入港內(nèi)的情況單獨(dú)考慮。

        偏西向港內(nèi)波浪的計(jì)算結(jié)果表明,由八字門傳入港內(nèi)的波浪很小,對于霞關(guān)漁港的港內(nèi)避風(fēng)條件影響很小。SSW和SW向港外波浪入射時(shí),港外波浪經(jīng)老鼠尾防波堤繞射往港內(nèi)繞射并逐漸衰減,波高分布見圖6—7,SSW向波浪入射時(shí)港內(nèi)波況較好,有效波高0.6 m以下的避風(fēng)區(qū)域面積250.37 m2,SW向波浪入射時(shí)港內(nèi)波況較差,有效波高0.6m以下的避風(fēng)區(qū)域面積220.89 m2,各波高段對應(yīng)區(qū)域面積見表2。根據(jù)圖示,SW向來浪時(shí)屬不利工況。

        將各個(gè)浪向中最不利的工況進(jìn)行疊加,得出漁港有效的避風(fēng)錨泊面積為184.76萬m2,并按照0.6 m以下、0.6—0.8 m和0.8—1.0 m三類波高段進(jìn)行避風(fēng)區(qū)域劃分(見圖8),以便行政主管部門結(jié)合錨地水深、底質(zhì)等要素,確定不同船型漁船的避風(fēng)區(qū)域,做到有針對性的安排漁船避風(fēng)。

        5 結(jié)論

        圖8 霞關(guān)漁港避風(fēng)錨泊區(qū)域圖

        (1)漁港有效避風(fēng)面積是避風(fēng)能力的一個(gè)重要指標(biāo),是海洋環(huán)境專題預(yù)報(bào)中的重要內(nèi)容。本文利用Mike21-BW模型,通過計(jì)算各浪向入射時(shí)的漁港港內(nèi)波況,來確定有效波高H1/3≤1.0 m的區(qū)域面積,并按照0.6 m以下、0.6—0.8 m和0.8—1.0 m三類港內(nèi)波高段進(jìn)行避風(fēng)區(qū)域劃分,結(jié)合漁港避風(fēng)錨地水深、底質(zhì)等要素,確定不同船型漁船的避風(fēng)區(qū)域,做到合理、有序和安全避風(fēng),為海洋環(huán)境專題預(yù)報(bào)提供依據(jù)。

        (2)通常情況下,在臺風(fēng)期間,行政主管部門在根據(jù)漁港有效避風(fēng)面積計(jì)算結(jié)果確定避風(fēng)容量,有秩序有計(jì)劃地安排并指導(dǎo)漁民安全避風(fēng)。

        (3)下一步工作中,將針對Mike21-BW模型進(jìn)行改進(jìn),爭取立足自主的海洋模式開展?jié)O港有效避風(fēng)面積的計(jì)算,以便該計(jì)算方法在各級海洋預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)更有效的推廣。

        [1]陳思增.關(guān)于建立漁港建設(shè)項(xiàng)目管理長效機(jī)制的探討[J].中國漁業(yè)經(jīng)濟(jì),2006(6):22-24.

        [2]SC/T 9010-2000,漁港總體設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2001.

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        [5]王文淵,唐國磊,宋向群,等.沿海集裝箱港區(qū)港內(nèi)錨地面積確定方法[J].中國港灣建設(shè).2011(6):6-8.

        [6]張娜,郭科,王旭輝.MIKE21-BW模型在日照港總平面設(shè)計(jì)方案可行性研究中的應(yīng)用[J].中國港灣建設(shè).2007(1):32-34.

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        [9]嚴(yán)以新,徐福敏,茅麗華.一種新型的數(shù)值模擬近岸波浪的動譜平衡方程模型[J].科學(xué)通報(bào),2001,46(1):73-77.

        [10]葛義軍,鐘中,李杰.SWAN模式中譜空間離散方案對臺風(fēng)浪模擬的影響研究[J].海洋通報(bào).2008,27(6):1-8.

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