孫志林，鐘汕虹，王辰，涂文榮，紀汗青

( 1. 浙江大學 港口海岸與近海工程研究所，浙江 杭州 310058)

1 引言

我國東部沿海漁港眾多，頻發(fā)的臺風災害對漁港造成了嚴重威脅。舟山漁港是浙江省中心漁港之一，風暴潮位劇烈抬升可能造成漫堤災害，分析漁港風暴潮，對防災減災具重要意義。

數(shù)值模擬是計算風暴潮的主要方法，常用的數(shù)值模型包括FVCOM、ADCIRC、POM[1-6]等，此外Delft-3D 也在風暴潮、臺風致災、漫灘范圍上有著良好的模擬結果[7-9]。對海灣地區(qū)，Hope 等[10]和Kennedy 等[11]模擬了颶風Ike 登陸德克薩斯州海岸的風暴潮過程，指出高強度臺風與海岸口袋式結構共同導致了臺風登陸前巨浪的出現(xiàn)，Liu 等[12]研究了湛江港淺水灣的風暴潮，發(fā)現(xiàn)臺風路徑通過強迫外部水域影響了最大風暴潮發(fā)生的時間，Wang 等[13]探索了臺風登陸位置、參數(shù)組合在海南省產(chǎn)生的最大可能風暴潮，Wang等[14]研究了渤海萊州灣風暴潮的主要作用氣旋類型，Luo 等[15]用多變量極端統(tǒng)計方法模擬了半封閉海灣的風暴潮情況，劉永玲等[16]指氣旋資料長度也影響著風暴潮危險性評估效果。在河口地區(qū)，除臺風地形因素外，還需考慮圍海工程、徑流變化以及外海涌浪等對風暴潮的影響，修正河口風暴潮預報過程的誤差，可以降低災害防治中的不確定性[17-21]。

以往關于風暴潮的模擬多集中于海岸河口等半封閉區(qū)域，對于兩頭連通外海的港區(qū)研究較少。本文模擬了舟山漁港風暴潮，分析不同路徑登陸臺風的港內(nèi)風暴潮位特征以評估漫堤風險，計算了不同丁壩方案對漁港漫堤概率的削弱效果，為漁港防臺提供參考。

2 風暴潮模型構建及驗證

2.1 控制方程

采用基于結構化網(wǎng)格的Delft-3D-FLOW 模塊進行水動力模型建模，使用ADI 法對坐標下的控制方程進行離散求解[22]，風暴潮模型的控制微分方程包括：

（1） ξ方向動量方程

（2）η方向動量方程

（3）σ方向速度

w根據(jù)連續(xù)方程求出：

2.2 模型天文潮驗證

舟山漁港為長7 km、寬300～700 m 的ESE 向狹長水域，北岸舟山島與南岸小干島、蛇山對峙形成東口門、西口門和中口門3 個口門，并與海洋連通。東口門寬700 m 朝向東南，西口門寬300 m 朝向西北，中口門500 m 朝向西南。臺風影響范圍與漁港尺度相差懸殊，為提高風暴潮模擬精度，本文采用雙層嵌套結構化網(wǎng)格模型，計算區(qū)域網(wǎng)格見圖1，其中大模型范圍23.89°～33.61°N，118.06°～126.39°E，分辨率為1 400 m。小模型范圍29.61°～30.69°N，121.50°～122.86°E，最小網(wǎng)格長度20 m。渦動黏滯系數(shù)的取值由網(wǎng)格分辨率控制，當分辨率大于100 m，渦動黏滯系數(shù)的取值范圍為分辨率為20 m 左右，則黏滯系數(shù)的取值范圍為1～10 m2/s 。低分網(wǎng)格區(qū)域曼寧系數(shù)取為0.015 m-1/3·s ，渦動黏滯系數(shù)取為80 m2/s ，高分網(wǎng)格區(qū)島嶼眾多岸線邊界復雜，曼寧系數(shù)由0.015 m-1/3·s 緩慢過渡為0.045 m-1/3·s ，渦動粘滯系數(shù)取為1 m2/s 。時間步長設為1 min，模型采用冷啟動，初始水位和流場設為0，外海水位開邊界潮位數(shù)據(jù)由Tidal Model driver工具包調(diào)和分析預報得出[23]，考慮M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1和Q1共8 個分潮。

圖 1 計算區(qū)域網(wǎng)格Fig. 1 Grid of computational area

采用自然資源部第二海洋研究所2017 年3 月實測天文潮數(shù)據(jù)對嵌套網(wǎng)格模型進行驗證，測點A 位置見圖1。天文大潮驗證時間從13 日9 時至14 日10 時，小潮從20 日7 時至22 日0 時，計算結果與實測值對比見圖2 和圖3，98%的點天文潮位誤差不大于10 cm，流速相對誤差小于10%的點占80%，天文潮模擬精度良好。

2.3 模型風暴潮驗證

臺風場由梯度風和移行風組成。梯度風場-→Ws選擇Fujita-Takahashi 模式[24]，

圖 3 測點A 天文小潮驗證Fig. 3 Verification of astronomic neap tide at Station A

臺風最大風速半徑R用黃冠鑫根據(jù)美國15 年實測資料建立的經(jīng)驗公式計算：

式中，r為計算點到臺風中心的距離；為距離臺風中心r處的氣壓；為臺風中心氣壓；為臺風外圍環(huán)境氣壓，取值為1 010～1 013 hPa；為經(jīng)驗常數(shù)，取40 km； ρa為空氣密度； θ 為梯度風吹入角；為臺風中心坐標；為距臺風中心r處的坐標；為臺風移行速度在方向上的分量。

1211 號臺風于2012 年8 月8 日在寧波市象山縣登陸時中心氣壓960 hPa，近中心風力為14 級，舟山漁港離登陸點較近，受影響嚴重。將計算生成的臺風場文件加入嵌套模型，選取跟漁港相近的定海站潮位數(shù)據(jù)進行驗證如圖4，模擬值與實測值對比，誤差不超過30 cm，效果良好。

3 臺風路徑對漁港風暴潮位影響

3.1 臺風設計

中國臺風網(wǎng)提供的歷史臺風統(tǒng)計資料顯示，在影響舟山漁港的臺風中，9711 造成最大風暴潮位，故以其登陸等級12 級作為臺風代表強度，中心氣壓、最大風速分別為965 hPa 與35 m/s，此強度下，移行風速多分布在5～15 km/h 之間，故取10 km/h、13 km/h、15 km/h 3 種速度計算，影響舟山的臺風大多發(fā)生在東至南90°夾角內(nèi)，選取E、ESE、SE、SSE 和S 共5 個方向各2 條路徑進行模擬，以漁港為中心，與臺風路徑的距離分別取R、-R，負值表示南側登陸臺風，正值為北側登陸臺風，由此計算得到漁港風暴潮位特征及漫堤概率，具體模擬路徑見圖5，臺風中心初始位置為圖中紅線最東南端。

圖 4 1211 號臺風期間定海站風暴潮位驗證Fig. 4 Verification of storm tide at Dinghai Station during Typhoon 1211

3.2 不同路徑下風暴潮位極值

計算以上10 條路徑的風暴潮位，移行風速取慢速10 km/h，臺風強度為12 級，計算時間為2017 年8 月8 日0:00 至8 月12 日0:00 天文大潮時，選取計算結果中最高潮位值進行分析。

在12 級臺風作用下，對于北側登陸臺風，模型計算所得的港內(nèi)風暴潮位峰值范圍為2.26～2.30 m，最低值出現(xiàn)于ER 路徑，當?shù)顷扅c位于漁港南側時港內(nèi)最高風暴潮位為2.84～3.12 m，SE-R 向臺風出現(xiàn)最高值；南側比北側登陸臺風所造成的最高風暴潮位高35.7%，差值可達82 cm。

圖 5 臺風模擬路徑Fig. 5 Typhoon simulation paths

風應力是潮位增長的主要驅(qū)動力，在靠近陸地的海灣地區(qū)，離岸風作用使內(nèi)部水體流向外海，部分地區(qū)出現(xiàn)風暴減水，但舟山漁港兩頭與外海連通，港內(nèi)風暴潮是風向、口門大小及朝向共同作用的結果，向岸風與離岸風均會使水流進入，造成風暴增水，臺風在南側登陸時風向分布于北至西的90°夾角內(nèi)，漁港受向岸風作用，大量外海水體從東口門、中口門進入，此時港內(nèi)水量增加達風暴潮位顯著抬高；臺風在北側登陸時漁港受離岸風作用，近岸海水被吹向外海，水體主要從開口較小的西口門、中口門流入，東口門流出，近岸來水相較于外海水量少，且漁港位于舟山東南角，西北方分布著長峙島、岙山等眾多島嶼，提供了良好的遮蔽作用，從西口門進入的水量小于東口門與中口門，故南側登陸時進入港內(nèi)水體約為北側的1.3 倍。此外臺風場不對稱性也是造成潮位差的原因，在北半球，臺風呈逆時針旋轉，加入移行風場使得最大風速半徑域內(nèi)形成東北高西南低的不對稱漏斗形風速分布，臺風南側登陸時，風場的最大風速區(qū)掠過漁港上空，而當?shù)顷扅c在北側時，漁港處于低風區(qū)，外加舟山島對漁港有遮蔽作用，使港內(nèi)風速比南側登陸時低20.3%。

臺風移行速度對港內(nèi)風暴潮有不可忽視的影響，模擬移行速度不同的各來向風暴潮位，令臺風于同一時刻過境，發(fā)現(xiàn)臺風移行速度由10 km/h 增大到13 km/h，減少了臺風停留在漁港上空的時間，風暴潮位最多減小29 cm；而當臺風移行速度由13 km/h 增大為15 km/h時，移行風速的疊加使臺風整體風速值升高，帶來了更多外海的表層水體，潮位最多增大35 cm。說明移行風速增大具有兩種作用，即減少漁港上方臺風停留時間使潮位降低和驅(qū)動表層水體令潮位增高。

3.3 風暴潮位的空間分布

E 向12 級臺風作用下，南側登陸臺風在距離東口門西側2 000 m 附近形成風暴潮位下凹面，比港區(qū)小干島一側最高風暴潮位低8 cm，而北側登陸臺風形成上凸面，比港區(qū)最低風暴潮位高12 cm。S 向臺風南側登陸時，西口門至中口門段風暴潮位高于兩側，比港內(nèi)東口門附近最低風暴潮位高10 cm；北側登陸臺風將水吹至外海，中口門附近風暴潮位低于兩側，從中口門至東口門風暴潮位逐漸升高，比港內(nèi)最高處低7 cm。ESE、SE、SSE 向臺風作用下漁港風暴潮位分布情況相似，南側登陸時，中口門附近風暴潮位最高，而東口門附近流速較大，沒有岸線的遮擋導致水快速進入港區(qū)而形成了最低風暴潮位，潮位最高比最低值高7 cm；臺風北側登陸時，大量水流從中、西口門進入，港內(nèi)風暴潮位值在西口門附近略有抬高，經(jīng)過中口門的風暴潮最低區(qū)域后逐漸增高，并在距東口門1 000 m 的附近海域形成最高潮位區(qū)，中口門附近風暴潮位值比最大值要小8 cm。

總的來看，臺風期間水體分布受到的影響表現(xiàn)為兩個方面：一方面海域上空氣壓場變化引起水體發(fā)生位移，在臺風模型中，氣壓場改變，引起水域高壓區(qū)水體流向低壓區(qū)，使得高壓區(qū)水位降低、低壓區(qū)水位抬升；另一方面，F(xiàn)ujita-Takahashi 參數(shù)化臺風模式中風梯度場通過梯度風公式求得，風為氣壓導數(shù)的函數(shù)，因此氣壓的變化改變了風場，引起水體逆風速梯度方向流動，進而影響了水位分布。但臺風影響范圍面積約為舟山中心漁港面積的數(shù)千倍，漁港上空氣壓變化不大，同側登陸臺風引起的港內(nèi)風暴潮位分布差異主要與風向有關，相同走向南、北登陸臺風，離岸風的作用使水向東口門流動，隨著水面寬度收窄，無法及時流出的水體在口門附近形成堆積；而向岸風則造成了中口門進入的水流撞擊岸線后分為兩股，一側與東口門進水相聚，一側被西口門狹窄的水面寬度阻礙，分別形成風暴潮位高值。各路徑登陸12 級臺風下漁港最高潮位與風向分布見圖6。

3.4 不同路徑下漫堤概率

漫堤是指水位高于堤防并持續(xù)產(chǎn)生漫溢，漁港北側為舟山市城區(qū)，風暴潮期間的漫堤威脅居民與財產(chǎn)安全，在長約7 km 岸堤緊鄰網(wǎng)格上取123 個觀察點，繪制觀察點風暴潮位連線與海堤高程連線，前者高于后者的岸段長度即為漫堤長度，這里定義漁港的漫堤概率等于漫堤岸線長度/岸線總長度，以此計算漫堤概率，來反映風暴潮災害的危險程度。

圖 6 港內(nèi)風暴潮位與風速Fig. 6 Storm tide and wind velocity at the fishing port

對北側登陸的12 級臺風，風暴潮位均低于岸線最低高程，不會出現(xiàn)漫堤。12 級臺風南側登陸，S-R、E-R 路徑也不發(fā)生漫堤；ESE、SE 和SSE 向的漫堤概率分別為0.45%、0.46%和0.43%。南側登陸臺風的漫堤風險要高于北側登陸。藍焰燃氣廠外側的海堤高程最低，僅為3.1 m，處于漫堤高發(fā)區(qū)，與最近的房屋相距不足100 m，應重點提防漫堤災害。

根據(jù)不同路徑下風暴潮在港內(nèi)的分布特點可推斷，隨著臺風等級的增加，ESE、SE、SSE 向北側登陸以及E 向臺風作用下，距東口1～2 km 的高風暴潮位區(qū)延伸至海堤東端，該段海堤的低點臨城工業(yè)園區(qū)高程僅為3.3 m，需加強風暴潮防治；ESE、SE、SSE 向南側登陸和S 向臺風作用下，港內(nèi)最高風暴潮出現(xiàn)區(qū)域覆蓋了藍焰燃氣廠外側的海堤最低點，極易在該處出現(xiàn)漫堤險情。

海堤各段高程差異較大，范圍從3.1～6 m，為計算分析10 種路徑中形成最高風暴潮位的SE-R 路徑12～17 級臺風作用下漫堤情況，得到海堤極限防臺等級，定義漁港防臺級別為海堤出現(xiàn)漫堤時的臺風等級。海堤防臺等級見圖7。

位于海堤最西端300 m 岸段平均高程為3.3 m，最低點僅為3.1 m，在12～13 級臺風下就已發(fā)生漫堤；海堤東端高程起伏變化，臺風等級由14 級升為15 級，靠岸潮位超過3.8 m，導致漫堤概率升高明顯，由8.2%增至22.13%，當受到17 級臺風影響時，港內(nèi)部分風暴潮位高度達到4 m，此時漫堤風險為26.23%?？傊锌陂T所對海堤段的防臺能力較好，可滿足于防御17 級臺風造成的風暴潮，但位于漁港東、西口門處的部分岸段高程較低，海堤西端防臺等級僅為12～13 級，海堤東端高、低防臺能力交替出現(xiàn)，最低防臺等級為13 級。

圖 7 海堤的防臺等級Fig. 7 The defense level of sea dike

4 丁壩對風暴潮位的削弱作用

4.1 風暴潮位最不利路徑

通過上述分析可知臺風期間劇烈的風吹流作用使?jié)O港內(nèi)水位顯著抬高而發(fā)生漫堤，造成舟山市嚴重的經(jīng)濟損失。如前所述，在5 種來向中，以SE-R 向臺風造成的漁港風暴潮位最大，漫堤概率最高。為此在SE 向增加4 條平行模擬路徑，以進一步分析登陸位置與港內(nèi)風暴潮位的關系。相鄰路徑間距為0.25R，5 條路徑見圖8，其中登陸點在漁港記為0。

圖 8 東南向路徑Fig. 8 The southeast path

計算了5 條路徑12 級臺風過程中舟山漁港的風暴潮位。漁港位于登陸點北側1 個最大風速半徑R時，風暴潮位3.116 m，比0.5R路徑臺風時最大風暴潮位3.172 m 低5.6 cm，而高于其他路徑臺風的潮位峰值。

一般而言，最大風暴潮位出現(xiàn)在R路徑臺風作用時，然而舟山漁港兩端通海，東口門與西口門正向相對，岸線接近直線，最大風速與漁港走向一致時會加快水體流出港區(qū)，從而降低風暴潮位。0.5R路徑臺風與東入口流向一致，有利于加大入港漲潮流，同時漁港走向與入口潮流向呈一定夾角，有利于水體在港內(nèi)滯留。因此0.5R路徑臺風造成了漁港最高風暴潮位，此時漫堤的可能性最大，臺風登陸時刻漁港潮流與風速見圖9。

4.2 添加丁壩后的漫堤概率

經(jīng)上述分析，改變漁港走向與入口潮流方向是降低漫堤概率的關鍵。在東口門小干島東側設置1 200 m或魯家峙西側設置1 300 m 的丁壩，走向均為東西向，出口留有200 m 的距離供漁船進出，通過計算對比17 級臺風作用下各方案與未設丁壩時港內(nèi)風暴潮位高度，分析其對港內(nèi)風暴潮的削弱作用。丁壩設置前后的風暴潮位差值見圖10。

當壩頭設置于魯家峙西側，口門朝向與漁港走向的交角沒有改變，壩體阻擋了部分水流進入但未能加長水流進入漁港的路徑，削弱作用有限；當壩頭設置在小干島東側時，東口門方向改變?yōu)檎龞|向，與漁港走向的交角變大，水體從開口進入，先撞擊舟山島再流向港池，水流速度相較于沒有設置防波堤時減慢了10.7%，港內(nèi)整體潮位比未設防波堤時均有減小，最大減小了8 cm，潮位削弱效果是壩頭設置在魯家峙西側時的5 倍，在17 級臺風的作用下，防波堤可使得漫堤概率降低至10.66%，將原概率削減一半。

5 結論

（1）在2017 年8 月8-12 日大潮期間，SE-R 向臺風引起的港內(nèi)風暴潮位峰值最大，臺風南側比北側登陸造成的風暴潮高35.7%，漫堤風險更大。漁港北側岸線在17 級臺風作用下的最高漫堤概率為26.23%。移行風速增大即可減少臺風停留時間使風暴潮位降低又會驅(qū)動表層水體令潮位增高，其與參數(shù)化風場一起影響了港內(nèi)風暴潮位分布，綜合考慮了高程與風暴潮位的分布得到兩端海堤防臺等級低于中部。

圖 10 丁壩對風暴潮位的削弱效果Fig. 10 The weakening effect of the spur dike on the storm tide level

（2）對兩端通海的舟山漁港，SE-0.5R路徑臺風作用下，風速與入口流速方向一致，漲潮流量增大，而漁港走向與風速呈一定交角有利于水體滯留，港內(nèi)潮位最高。將壩頭設置在小干島東側的丁壩對港內(nèi)風暴潮削弱作用良好，此時北側岸線漫堤風險為10.66%，相較于未設堤防時降低了一半。