姬厚德 藍尹余 涂振順

摘要：本文以“尼伯特”臺風(fēng)為例，利用Holland經(jīng)驗風(fēng)場模型和SWAN波浪模型搭建臺風(fēng)浪場數(shù)值模型，計算不同設(shè)計工況下防波堤對消減臺風(fēng)浪波高的影響。結(jié)果表明防波堤長度和走向是消減臺風(fēng)浪的重要因素，防波堤設(shè)計時應(yīng)綜合考慮臺風(fēng)特點、岸線走向、地形地貌等因素合理確定長度和走向，最大程度提高臺風(fēng)浪消減率和避風(fēng)水域面積，同時也表明數(shù)值模擬是防波堤優(yōu)化設(shè)計的有效手段之一，可為防臺減災(zāi)提供重要的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：臺風(fēng)浪;防波堤;SWAN模型;海洋災(zāi)害

中圖分類號：P753文獻標識碼：A文章編號：1006—7973（2022）05-0085-03

福建省地處臺灣海峽西側(cè)，海岸線蜿蜒曲折，每年受臺風(fēng)侵襲嚴重[1]，2006年-2019年影響福建省的臺風(fēng)有66個[2]，其中33個直接登陸福建地區(qū)，平均每年2.36個。臺風(fēng)每年對福建造成嚴重損害[3]，其造成的海洋災(zāi)害尤以臺風(fēng)浪威脅最大[4]，2016年-2020年造成63人的海洋災(zāi)害死亡事故全部是由臺風(fēng)浪災(zāi)害引起。福建省是全國典型的漁業(yè)大省，海洋災(zāi)害事故主要集中于漁業(yè)作業(yè)區(qū)，全省已建設(shè)漁港近300個，為沿海漁業(yè)生產(chǎn)、保障人民生命財產(chǎn)安全提供保障。防波堤是消減臺風(fēng)浪波高最有效的措施，防波堤可以有效地阻擋海浪進入掩護水域，為港池內(nèi)的漁船避臺提供掩護，但防波堤建設(shè)周期長、耗費成本高，如何利用有限的資金建設(shè)具有最佳消減臺風(fēng)浪波高效果的防波堤是漁港建設(shè)的重要問題之一。本文在不同設(shè)計工況下分別模擬建設(shè)防波堤后東埔漁港附近海域臺風(fēng)浪場分布情況，分析防波堤在消減臺風(fēng)浪波高中的影響，為防臺消浪、防波堤優(yōu)化設(shè)計等提供技術(shù)支撐。

1研究概況

1.1區(qū)域概況及工況設(shè)計

東埔漁港處于福建省中部的泉州灣南部海域，東側(cè)直面臺灣海峽，該海域受臺風(fēng)侵襲嚴重。為研究防波堤對消減臺風(fēng)浪波高的影響，設(shè)計了分別建設(shè)不同長度、不同走向防波堤的4種工況及未建設(shè)防波堤的工況，比較分析不同工況下臺風(fēng)浪場的分布情況及防波堤對消減臺風(fēng)浪波高的影響。工況設(shè)計說明見表1，建設(shè)位置示意圖見圖1。

1.2臺風(fēng)概況

選取超強臺風(fēng)“尼伯特”（1601號）為例，該臺風(fēng)于2016年7月3日8時形成，60小時后加強形成超強臺風(fēng)，先后在臺灣省臺東縣和福建省石獅市登陸，對臺風(fēng)影響區(qū)域造成較大經(jīng)濟損失，并直接造成83人死亡。

1.3模型簡介

臺風(fēng)風(fēng)場的模擬對臺風(fēng)浪的模擬非常重要，本文選取Holland經(jīng)驗?zāi)Ｐ湍M臺風(fēng)風(fēng)場[5-6]，該模型涉及臺風(fēng)中心氣壓，臺風(fēng)外圍氣壓，最大風(fēng)速、最大風(fēng)速半徑等參數(shù)，這些參數(shù)可以從網(wǎng)絡(luò)上獲取。

波浪場利用SWAN模型[7-8]進行模擬，該模型基于波作用守恒方程，計算中包含了繞射、波浪破碎、白帽等波浪計算的大部分物理過程，是目前較為常用的模擬臺風(fēng)浪的數(shù)值模型。

2模型設(shè)置與驗證

2.1模型設(shè)置

為減少模型計算量，本次模擬采用粗網(wǎng)格（大區(qū)域）、細網(wǎng)格（小區(qū)域）嵌套的方法進行計算，粗網(wǎng)格計算邊界為經(jīng)度116°～124°，緯度19?！?7°，網(wǎng)格邊長約1000m，計算區(qū)域覆蓋整個臺灣海峽。細網(wǎng)格的計算邊界為經(jīng)度118°41′～118°52′，緯度24°36′～24°46′，網(wǎng)格最小邊長約50m，由粗網(wǎng)格計算出小區(qū)域的邊界條件，不僅可以提高計算效率，還便于更為細致地刻畫近岸區(qū)域的波浪場分布特征。

為了保證計算模型的穩(wěn)定并覆蓋整個臺風(fēng)過程，計算時間從2016年7月3日8：00-7月10日11點，時間步長設(shè)為600s，頻率離散范圍為0.055～1.100Hz，方向離散數(shù)量為32。

2.2模型驗證

為了驗證SWAN模型的準確性，選取位于福建省北部的北礵站實測資料進行驗證，有效波高對比圖見圖2。受經(jīng)驗風(fēng)場模型限制，當(dāng)風(fēng)速較小時，模擬風(fēng)速要比實際風(fēng)速小，當(dāng)風(fēng)速達到一定值后，兩者相關(guān)性逐漸變好，進而反映到波浪的模擬結(jié)果上。從圖2可以看出，當(dāng)模擬的有效波高大于1.5m時，計算值和實測值符合性較好，當(dāng)模擬的有效波高小于1.5m時，計算值與實測值的誤差明顯加大。總體上，有效波高平均相對誤差為11.7%，在有效波高大于1.5m期間平均相對誤差最大僅為7.0%，說明建立的波浪場模型在“尼伯特”臺風(fēng)浪模擬中取得了較為可信的效果。

3結(jié)果分析與討論

3.1不同工況計算結(jié)果分析

選取附近海域2個特征點（見圖1）作為對比分析點，計算不同工況下所在位置波浪變化情況，分析防波堤消減臺風(fēng)浪波高的影響，計算結(jié)果見圖3。從圖中可以看出，在未建設(shè)防波堤時，臺風(fēng)期間1號點最大有效波高略大于2號點，這主要是受近岸反射波疊加影響所致，總體上兩個點波高相差不大。工況1的防波堤建設(shè)過短，僅能阻擋1號點附近少量的臺風(fēng)浪，對2號點基本無掩護作用;工況2相較于工況1防波堤向西南側(cè)延伸，對1號點附近臺風(fēng)浪消減明顯，有效波高最大消減率約50%，但仍有大量能量繞過防波堤進入掩護水域，臺風(fēng)期間1號點最大有效波高仍有1.6m，難以起到足夠的防護效果，2號點處于工況2防波堤外側(cè)，附近海域臺風(fēng)浪消減效果甚微;工況3在工況2的基礎(chǔ)上繼續(xù)延伸防波堤，臺風(fēng)期間1號點和2號點的有效波高均在0.5m以下，有效波高最大消減率達80%，防波堤對掩護水域起到了極大的防護作用，防波堤內(nèi)側(cè)形成的掩護水域可達到避臺要求。由此說明，防波堤長度是影響消減臺風(fēng)浪波高的重要因素。

工況4雖然與工況3的防波堤長度一致，但受防波堤走向影響，消減臺風(fēng)浪效果一般，對于1號點，工況4比工況2防波堤長度長約300m，但防護效果與其相當(dāng)，對于2號點，工況4對臺風(fēng)浪消減效果較差，說明工況4形成的掩護水域面積較小。由此說明，防波堤走向也是影響消減臺風(fēng)浪波高的重要因素。設(shè)計防波堤走向時應(yīng)充分考慮臺風(fēng)旋轉(zhuǎn)方向、海岸線走向，結(jié)合當(dāng)?shù)氐匦蔚孛?，盡量減少波浪繞射進入掩護水域的能量，并減小防波堤與波浪人射方向的夾角以提高防波堤防護效果。

3.2典型時刻臺風(fēng)浪場分布特征

選取臺風(fēng)靠近漁港附近海域時的典型時刻分析防波堤對消減臺風(fēng)浪波高的影響，以工況3下2016年7 月8日18：00的有效波高分布為例（見圖4）。從圖中可以看出，此時近岸海域有效波高均在2.0m以上，距離海岸2km以外較深處有效波高達4.0m以上，而此時受防波堤保護，東埔漁港內(nèi)側(cè)水域有效波高均在1.0m以下，漁港內(nèi)東北側(cè)海域掩護效果最好，有效波高在0.4m以下，計算結(jié)果表明，該設(shè)計方案下，防波堤對消減臺風(fēng)浪波高具有良好的效果。此外，還可根據(jù)波高分布情況安排不同類型的船舶在不同區(qū)域合理避臺，使防臺資源得到最優(yōu)配置。

選取臺風(fēng)靠近漁港附近海域時的典型時刻分析防波堤對消減臺風(fēng)浪波高的影響，以工況3下2016年7月8 日18：00的有效波高分布為例（見圖4）。從圖中可以看出，此時近岸海域有效波高均在2.0m以上，距離海岸2km以外較深處有效波高達4.0m以上，而此時受防波堤保護，東埔漁港內(nèi)側(cè)水域有效波高均在1.0m以下，漁港內(nèi)東北側(cè)海域掩護效果最好，有效波高在0.4m以下，計算結(jié)果表明，該設(shè)計方案下，防波堤對消減臺風(fēng)浪波高具有良好的效果。此外，還可根據(jù)波高分布情況安排不同類型的船舶在不同區(qū)域合理避臺，使防臺資源得到最優(yōu)配置。

4結(jié)語

利用搭建的數(shù)值模型模擬了“尼伯特”臺風(fēng)過境時不同長度、不同朝向的防波堤下臺風(fēng)浪場的分布特征，進而分析了防波堤對消減臺風(fēng)浪波高的影響，結(jié)果表明：

（1）利用模型計算的有效波高與北礵站實測資料符合性較好，總體上有效波高平均相對誤差為11.7%，在有效波高大于1.5m期間平均相對誤差最大僅為7.0%，建立的波浪數(shù)值模型可較為準確的反映“尼伯特”期間的臺風(fēng)浪分布特征。

（2）隨著防波堤長度的增加，臺風(fēng)浪消減率提高，避風(fēng)水域面積也有所擴大，說明防波堤長度是消減臺風(fēng)浪波高的重要因素;防波堤合理的走向可有效阻擋波浪進入掩護水域，也可以大大減少波浪繞射進入掩護水域的能量，提高防波堤防護效率，因此防波堤走向也是消減臺風(fēng)浪波高的重要因素。

（3）利用建立的數(shù)值模型可直觀地反映臺風(fēng)期間波浪分布情況，今后可將臺風(fēng)預(yù)報信息加入模型中進而預(yù)報臺風(fēng)期間避風(fēng)水域內(nèi)波浪分布情況，合理安排不同類型船舶在不同區(qū)域避風(fēng)，為防臺減災(zāi)資源優(yōu)化配置提供技術(shù)支撐。

參考文獻：

[1]謝麗，張振克.近20年中國沿海風(fēng)暴潮強度、時空分布與災(zāi)害損失[J].海洋通報，2010，29（6）：690-696.

[2]鐘卓璇，林添水，陳臻皓.影響福建地區(qū)典型臺風(fēng)天氣特征研究[J].農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備，2021（08）：97-98.

[3]唐艷平，林祥.福建沿海臺風(fēng)浪數(shù)值模擬及特性分析[J].水運工程，2017，（4）：53-93.

[4]于豐武.臺風(fēng)浪特征分析及其對船舶安全影響探析[J].中國水運（下半月），2013，13（02）：31-32.

[5]楊萬康，尹寶樹，伊小飛，等.基于Holland風(fēng)場的臺風(fēng)浪數(shù)值計算[J].水利水運工程學(xué)報，2017（4）：28-34.

[6]Holland G J. An analytic model of the wind and pressure profiles in hurricanes[J]. Monthly Weather Review，1980，108：1212-1218.

[7]Ris R C，Holthuijsen L H，Booij N. A spectral model for waves in the near shore zone[J]. Coastal Engineering，1994，1.

[8]馮芒，沙文鈺，朱首賢.近岸海浪幾種數(shù)值計算模型的比較[J].海洋預(yù)報，2003，20（1）：52-53.