朱小偉,侯 堋,劉曉建,王其松,王 強,郭輝群,劉琴琴

(1.珠江水利委員會珠江水利科學(xué)研究院,廣東 廣州 510611;2.水利部珠江河口治理與保護(hù)重點實驗室,廣東 廣州 510611;3.水利部珠江河口海岸工程技術(shù)研究中心,廣東 廣州 510611)

波浪是海堤、防波堤等海岸防護(hù)工程設(shè)計的重要外部荷載,臺風(fēng)天氣條件下產(chǎn)生的極端大浪具有顯著的破壞力,會對海岸防護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大安全隱患,因此,研究臺風(fēng)天氣下的波浪特征對于海岸結(jié)構(gòu)物的設(shè)計和安全防護(hù)有重要意義。

針對極端條件下進(jìn)行海岸防護(hù)工程結(jié)構(gòu)安全設(shè)計時,不同部位采用的波要素也不一致,例如海堤的護(hù)底塊石穩(wěn)定性計算一般采用H13%(相當(dāng)于有效波高H1/3)、校驗港區(qū)平穩(wěn)的設(shè)計波浪采用H4%(相當(dāng)于十分之一大波H1/10)、計算直立式擋墻最大波壓力則多采用最大波高Hmax。因此,了解波浪特征參數(shù)之間的換算關(guān)系對于海岸工程設(shè)計具有重要意義。國內(nèi)外學(xué)者基于不同海域的實測波浪資料、理論分析開展了大量波浪參數(shù)特征及其關(guān)系研究。Wiegel[1]根據(jù)美國西部太平洋海域3個波浪測點的資料,通過回歸分析給出了最大波高與有效波高的比值為1.85、1.87、1.91。Longuet-Higgins[2]假設(shè)波浪為窄譜隨機波浪,推導(dǎo)了最大波高的概率分布函數(shù),指出最大波高與有效波高的比值與樣本長度(波浪個數(shù))有關(guān)。Kumar等[3]在夏季季風(fēng)季節(jié)對阿拉伯海北部海域進(jìn)行了45 d的波浪觀測,根據(jù)實測數(shù)據(jù)給出了最大波高與有效波高比值為1.65。Goda[4]根據(jù)Wilson[5]風(fēng)浪預(yù)報公式,參考周期與波高的2/3次方定律[6],給出了有效周期與有效波高的經(jīng)驗公式。Yang等[7-8]根據(jù)中國黃海南部海域一年的波浪觀測資料,給出了最大波高與有效波高的比值為1.65,并給出了有效周期與有效波高之間的關(guān)系式。彭石等[9]分析了伶仃洋河口灣及口外水域在不同風(fēng)力條件下的波高分布特征,并擬合了大萬山、澳門兩站波高與橫瀾島站風(fēng)速的關(guān)系式。徐嘯等[10]基于臺灣海峽中部某浮標(biāo)站2017年全年的實測資料,指出NNE、NE方向的波浪有效波高和有效波周期線性相關(guān)性較強。解靜等[11]基于廣東省陽江市陽西縣近海海域水深約28 m處波浪觀測站2016—2017年實測資料,給出最大波高與有效波高比值為1.663,與有效波高比值為1.257。目前珠江口臺風(fēng)期實測波浪資料及波浪參數(shù)特征的研究匱乏,對實際工程設(shè)計的指導(dǎo)缺乏數(shù)據(jù)支撐,因此本文基于珠江口臺風(fēng)影響期間實測波浪資料,研究了波高、周期、波向等波浪特征參數(shù)的關(guān)系,為珠江口海岸防護(hù)工程的設(shè)計和研究提供參考。

1 測站和測量儀器

珠江河口原型觀測試驗站設(shè)置12個浮標(biāo),其中內(nèi)伶仃洋水域布設(shè)4個,澳門管轄水域布設(shè)3個,磨刀門水域布設(shè)3個,黃茅海布設(shè)2個,見圖1a。每個測站安裝有聲波式剖面流速波浪儀,泥沙、鹽度、水質(zhì)多參數(shù)觀測儀,測站實現(xiàn)了對珠江河口海域潮流、波浪、風(fēng)況、泥沙、鹽度及水質(zhì)等多要素的實時同步觀測[12]。

由于伶仃洋西側(cè)澳門海域的A7號測站波浪觀測時間長、數(shù)據(jù)完整率高,本次分析波浪實測數(shù)據(jù)取自A7號測站,測點位于22.11°N、113.63°E,測點處海圖水深約4.7 m。其中波浪觀測儀器為Nortek公司生產(chǎn)的AWAC“浪龍”聲波式剖面流速波浪儀(簡稱AWAC“浪龍”),是一款多普勒聲學(xué)測波儀器,其獨特的AST(聲學(xué)表面追蹤)功能,相比壓力測波,可以觀測到更小周期的波浪,且不受大氣壓影響,投放于海底,可以有效地避免海面惡劣天氣的影響、人為破壞以及水面船只的影響,水面浮標(biāo)太陽能系統(tǒng)可為其供電,水面信號發(fā)射裝置可將測量數(shù)據(jù)以無線傳輸方式實時發(fā)送到陸上客戶端,見圖1b、1c。AWAC“浪龍”采樣頻率為1 Hz,采樣間隔為1 h,每小時采集1 024次。

2 熱帶氣旋資料

熱帶氣旋按強度等級分為熱帶低壓、熱帶風(fēng)暴、強熱帶風(fēng)暴、臺風(fēng)、強臺風(fēng)和超強臺風(fēng),以2017—2022年影響珠江口11場熱帶風(fēng)暴等級以上的波浪實測數(shù)據(jù)為研究對象,分別為“1713天鴿”超強臺風(fēng)、“1714帕卡”強熱帶風(fēng)暴、“1719杜蘇芮”強臺風(fēng)、“1720卡努”強臺風(fēng)、“1804艾云尼”熱帶風(fēng)暴、“1809山神”熱帶風(fēng)暴、“1816貝碧嘉”強熱帶風(fēng)暴、“1822山竹”超強臺風(fēng)、“2007海高斯”臺風(fēng)、“2203暹芭”臺風(fēng)、“2209馬鞍”臺風(fēng),基本信息見表1。本文為便于描述,討論這11場不同強度等級的“熱帶氣旋”影響結(jié)果時均簡稱為“臺風(fēng)”。

表1 熱帶氣旋基本信息

3 臺風(fēng)期波浪特征參數(shù)分析

統(tǒng)計A7號測站臺風(fēng)影響期間72 h的數(shù)據(jù)(以Hmax最大值為時間分界點,分別統(tǒng)計前后36 h的數(shù)據(jù)),11場臺風(fēng)的數(shù)據(jù)完整率為97.2%,波浪特征參數(shù)包含最大波高Hmax、十分之一大波H1/10、有效波高H1/3、有效周期T1/3、平均周期Tz、譜峰周期Tp、主波向、譜峰波向。

3.1 特征波高之間的關(guān)系

根據(jù)珠江口臺風(fēng)影響期間72 h實測最大波高、有效波高以及十分之一大波的統(tǒng)計數(shù)據(jù),得到特征波高之間的關(guān)系分別見圖2、3。其中,Longuet-Higgins基于窄譜隨機波浪的假設(shè),得到最大波高與有效波高的比值為式(1):

圖2 最大波高與有效波高關(guān)系

Hmax/H1/3=0.706(lnN)1/2

(1)

式中,N為樣本長度(波浪個數(shù))。

從圖2可以看出,臺風(fēng)影響期間最大波高與有效波高的相關(guān)性很好,相關(guān)系數(shù)R為0.99,線性回歸函數(shù)為式(2):

Hmax=1.60H1/3

(2)

本次波浪實測資料樣本平均長度約250,代入式(1)得到Longuet-Higgins最大波高與有效波高比值為1.66,Yang等在中國黃海南部海域10 m水深處波浪測點研究成果Hmax/H1/3比值為1.65。由此,珠江口近岸海域的臺風(fēng)期實測Hmax/H1/3擬合比值1.60略小于Longuet-Higgins理論值和Yang等的結(jié)果。此外,圖3中十分之一大波與有效波高實測數(shù)據(jù)的擬合比值為1.24,同樣略小于Longuet-Higgins理論值1.28。這是因為當(dāng)前海域受臺風(fēng)影響較大,波浪譜形較寬,與Longuet-Higgins基于窄譜波浪假設(shè)不一致,從而導(dǎo)致特征波高之間比值關(guān)系略有不同。

圖3 十分之一大波與有效波高關(guān)系

3.2 波高與周期之間的關(guān)系

根據(jù)波高與周期關(guān)系的研究成果,有效周期與有效波高的經(jīng)驗關(guān)系式形如T1/3=aH1/3b,如美國陸軍工程師兵團的海岸防護(hù)手冊[13](Shore Protection Manual,SPM)建議有效周期與有效波高的關(guān)系為式(3):

T1/3=3.85H1/30.5

(3)

Goda根據(jù)Wilson公式,參考Toba波高與周期的2/3次方定律關(guān)系,給出有效周期與有效波高的關(guān)系式見式(4):

T1/3=3.3H1/30.63

(4)

基于珠江口臺風(fēng)影響72 h實測波浪數(shù)據(jù),有效周期與有效波高之間的關(guān)系見圖4,經(jīng)驗關(guān)系式見式(5):

圖4 有效波高與有效周期的關(guān)系

T1/3=5.13H1/30.34

(5)

擬合相關(guān)系數(shù)為0.61。結(jié)果表明:珠江口近岸海域臺風(fēng)影響期間的有效周期與有效波高之間的變化趨勢與SPM、Goda研究成果基本一致,即隨著有效波高增大,有效周期也逐漸增大,且對于相同的有效周期,本研究的有效波高小于SPM和Goda,這很有可能與測點水深有關(guān),SPM和Goda適應(yīng)于深海波浪,而本研究的波浪測點位于淺水,同等有效周期的波浪,在深水能引起更大的波浪,受水深限制淺水波高相對較小。

3.3 波浪要素與波向之間的聯(lián)合分布

a)波高與波向的聯(lián)合分布。珠江口實測臺風(fēng)波要素有效波高和最大波高的玫瑰圖見圖5,對應(yīng)數(shù)據(jù)見表2。統(tǒng)計結(jié)果發(fā)現(xiàn),臺風(fēng)期間珠江口海域的主波向為SSE,出現(xiàn)頻率為37.92%,次波向為S,出現(xiàn)頻率為26.11%,其余多為SE、ESE向,對應(yīng)出現(xiàn)頻率為11.04%、7.15%,北和西向浪出現(xiàn)概率較小,這是因為臺風(fēng)多發(fā)生在夏秋兩季,且在南海生成,引發(fā)的浪向以南向附近為主。另外,有效波高大于3 m及最大波高大于4 m的極端大浪,出現(xiàn)頻率為0.65%、1.95%,主要為ENE—SSW向。而且2017—2022年,伶仃洋西側(cè)澳門海域有效波高的最大值為3.44 m、最大波高的最大值為6.11 m,發(fā)生在“1822山竹”超強臺風(fēng)襲擊期間。

表2 有效波高和最大波高與方向聯(lián)合分布

有效波高

b)周期與波向的聯(lián)合分布。珠江口實測臺風(fēng)期波要素平均周期和譜峰周期的玫瑰圖見圖6,對應(yīng)數(shù)據(jù)見表3。統(tǒng)計結(jié)果發(fā)現(xiàn),平均周期多在2～6 s,出現(xiàn)頻率為87.15%,平均周期大于6 s的長周期波浪發(fā)生頻率相對較小,多為ESE—S向,出現(xiàn)頻率為12.86%,平均周期最大為9.05 s,發(fā)生在“1719杜蘇芮”強臺風(fēng)襲擊期間。譜峰周期多在5～10 s,發(fā)生頻率為65.47%,譜峰周期大于10 s的波浪,多為E—SSW向,出現(xiàn)頻率為12.99%,譜峰周期最大值為23.53 s,發(fā)生在“2209馬鞍”臺風(fēng)襲擊期間。

表3 平均周期Tz和譜峰周期Tp與方向聯(lián)合分布

a)Tz

4 結(jié)論

本文以伶仃洋西側(cè)澳門海域波浪測站作為珠江口代表測站,基于2017—2022年的11場臺風(fēng)實測波浪資料,分析了特征波高之間、特征周期與波高的關(guān)系及其分布特征,為珠江口海岸防護(hù)工程的設(shè)計和研究提供了參考,主要結(jié)論如下。

a)臺風(fēng)期實測最大波高與有效波高比值為1.60,略小于Longuet-Higgins深水波浪的1.66和Yang等中國黃海南部海域的1.65。十分之一大波與有效波高比值1.24,同樣略小于Longuet-Higgins(1952)理論值1.28。

b)臺風(fēng)期實測有效周期與有效波高相關(guān)性較強,擬合得到經(jīng)驗關(guān)系式。對于同樣的周期,本研究結(jié)果的有效波高略小于SPM和Goda的成果。

c)臺風(fēng)影響期間本海域的主波向為SSE,出現(xiàn)頻率為37.92%,次波向為S,出現(xiàn)頻率為26.11%。對于有效波高大于3 m、最大波高大于4 m的極端波浪,波向多為ENE—SSW,出現(xiàn)頻率為0.65%、1.95%;平均周期多在2～6 s,發(fā)生頻率為87.15%,對于平均周期大于6 s的長周期波浪,波向多為ESE—S,出現(xiàn)頻率為12.86%。譜峰周期多在5～10 s,出現(xiàn)頻率為65.47%,對于譜峰周期大于10 s的波浪,波向多為E—SSW,出現(xiàn)頻率為12.99%。