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斯里兰卡港口城海域施工期波浪场数值计算.pdf
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1、斯里兰卡港口城海域施工期波浪场数值计算徐青云1,孙婉静2,3,4,陈进2,3,4,蔡琼琼5,冯先导2,3,4,王建营6(1.中国港湾工程有限责任公司,北京100027;2.中交第二航务工程局有限公司,湖北武汉430040;3.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室,湖北武汉430040;4.交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心,湖北武汉430040;5.国家海洋环境预报中心,北京100080;6.临沂水利集团有限公司,山东临沂276000)摘要:斯里兰卡港口城项目通过吹填造陆为城市建设提供用地,施工期内需要使用大量的挖泥船、交通船、货船等,因此需要进行施工期的波浪场模拟,评估波浪对工程
2、船舶的影响。文中基于GFS海面风场数据以及GEBCO水深数据,将海浪数值模型WaveWatch III和SWAN进行多层嵌套,建立了适合斯里兰卡港口城区域的波浪场的数值模拟系统,并通过与实测数据对比对该系统进行验证。基于该系统对港口城施工区域处于不同施工阶段的波浪场进行了数值分析,得到了典型船舶施工地点波高、周期、波向在整个施工期内的变化规律。为近岸海域波浪场数值计算提供了一种有效的方法,为合理地安排工程船舶作业窗口期、提高施工效率提供了参考依据。关键词:WaveWatch III;SWAN;五层嵌套;施工期;防波堤中图分类号:U652.3;P731.22文献标志码:A文章编号:2095-78
3、74(2024)01-0018-08doi:10.7640/zggwjs202401004收稿日期:2023-03-20修回日期:2023-05-09基金项目:中交科研项目(JSFK-20190710-008)作者简介:徐青云(1990),男,浙江宁海人,工程师,港口航道与海岸工程专业。E-mail:Numerical calculation of wave field during construction processin the sea area of Port City,Sri LankaXU Qing-yun1,SUN Wan-jing2,3,4,CHEN Jin2,3,4,CAI
4、 Qiong-qiong5,FENG Xian-dao2,3,4,WANG Jian-ying6(1.China Harbor Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100027,China;2.CCCC Second Harbor Engineering Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei430040,China;3.Key Laboratory of Large-span Bridge Construction Technology,Ministry of Communications,Wuhan,Hubei430040,China;4.Research and
5、Development Center of Transport Industry of Intelligent Manufacturing Technologies ofTransport Infrastructure,Wuhan,Hubei 430040,China;5.National Marine Environmental Forecasting Center,Beijing 100080,China;6.Linyi Water Conservancy Group Co.,Ltd.,Linyi,Shandong 276000,China)Abstract:The Sri Lankan
6、Port City project provides land for urban construction through land reclamation,a large number ofdredgers,traffic vessels,and cargo ships are employed during the construction process.Therefore,it is necessary to simulate thewave field during the construction process to evaluate the influence of wave
7、s on engineering ships.Based on GFS sea surfacewind field data and GEBCO water depth data,the wave numerical models WaveWatch III and SWAN were nested in multiplelayers to establish a numerical simulation system suitable for wave field in the Port City area of Sri Lanka.The system wasverified by com
8、paring with the measured data.Based on this system,numerical analysis was conducted on the wave field in thePort City construction area at different construction stages.The trend of wave height,period and direction in the wholeconstruction process of typical construction site was obtained.This paper
9、 provides an effective method for the numericalsimulation of wave fields in nearshore waters,and provides an important reference basis for the reasonable arrangement ofengineering ship operation window and the improvement of construction efficiency.Key words:WaveWatch 芋;SWAN;five layers of nesting;c
10、onstruction process;breakwater中国港湾建设China Harbour Engineering第44卷第1期2024年1月Vol.44No.1Jan.20242024年第1期0引言我国在东南亚、非洲等国家与地区的近海工程建设项目日益增加,获得准确可靠的波浪数据,评估波浪对工程的影响,是工程设计、施工以及项目运营的重要技术保障。在海上工程设计阶段需要进行波浪后报,分析波浪分布、推算不同重现期极值波高,预测工程抵御设计年限内可能出现的各种极端海况。对海上工程在施工期或运营期间进行波浪预报,预知未来几天的海况变化,结合船舶的运动响应特点,可合理安排作业。第三代海浪数值预报
11、模式WAM、SWAN和WaveWatch III模型等被广泛应用于建立全球和中国近海的区域性海浪业务化数值模拟系统。为了模拟近岸波浪变形过程,可以采取结合相位解析模型、波浪能谱模型、多种波浪能谱模型嵌套等方法。毛科峰等1对比分析了各种描述复杂地形特征方法的优缺点,包括多重网格嵌套方案、岛屿次网格地形效应计算方案以及非结构网格、无网格、动态自适应四叉树网格等。广大学者多采取WaveWatch III和SWAN嵌套方法模拟各个海域的波浪场,比如台风“海鸥”下目标岛礁波浪环境2、东海区和上海近海的波浪场3、墨西哥湾飓风迪安的波浪场4以及长江口海域19962015年连续20 a的风浪场5。SWAN模型
12、被应用于模拟南加利福尼亚海湾的波浪场6以及与ADCIRC风暴潮模式的耦合模拟江苏辐射沙脊群海域的海浪7。海浪数值模型也被广泛应用于近海岸的码头、港口工程波浪场的计算,为近岸工程的设计施工提供指导。王少朋等8利用SWAN与CGWAVE建立的大、小范围波浪嵌套模型,对舟山东福山岛码头附近海域进行波浪计算。翟甲栋等9将MIKE21 SW波浪数值模型应用于塞拉利昂港口项目的波浪预报中,为工程选址提供设计依据。吴楚敏10利用CGWAVE模型对普陀岛拟建码头的工程海区波要素进行了分析。这些工作都为港口工程的设计施工提供了可靠的波浪要素。1工程概况科伦坡港口城项目位于科伦坡市中心,根据港口城项目附近2002
13、2003年波浪实测资料(见图1),发现斯里兰卡西部及西南岸线波浪主要由风浪和涌浪两部分组成,风浪周期较短,一般在38 s,涌浪周期较长,为820 s。涌浪主要源自斯里兰卡南部深水海域,涌浪从深水到浅水传播过程中,受地形影响发生折射,波向改变。项目工程平面布置图如图2所示,科伦坡港口城项目陆域北侧为现有科伦坡南港的防波堤,东侧为现有道路,西侧和南侧设1道环形外防波堤,以减少波浪对吹填区的影响。项目的目的是为城市建设提供用地,港口城陆域总面积约为269 hm2,建设时需要通过护岸形成围填区,再通过吹填和软基处理形成陆域,为掩护陆域和沙滩,需建设防波堤、拦砂堤、潜堤和直立式护岸等。项目吹填造陆工作于
14、2014年9月17日开工,建设期需要使用大量的挖泥船舶、交通船、货船等工程船舶,施工期水深地形的变化引起施工区域波浪场的改变,因此需要进行施工期的波浪场模拟,分析典型施工地点波浪要素(a)波浪玫瑰图(b)涌浪玫瑰图(c)风浪玫瑰图图1港口城项目附近20022003年波浪实测资料Fig.1Wave measurement data in the vicinity of the Port City project in 20022003NNN5%5%5%Hs/mAbove 3.22.83.22.42.82.02.41.62.01.21.60.81.20.40.80.00.4Below 0.0Cal
15、m0.00%Hs/mAbove 3.22.83.22.42.82.02.41.62.01.21.60.81.20.40.80.00.4Below 0.0Calm0.00%Hs/mAbove 3.22.83.22.42.82.02.41.62.01.21.60.81.20.40.80.00.4Below 0.0Calm0.00%图2港口城工程平面布置图Fig.2Layout plan of the Port City project防波堤游艇码头人工沙滩运河南港集装箱码头徐青云,等:斯里兰卡港口城海域施工期波浪场数值计算19中国港湾建设2024年第1期表1港口城区域数值模型参数设置Table 1
16、Parameter settings of numerical model of the Port City area区域模式计算范围网格分辨率网格数时间步长/min1WaveWatch 芋-78毅S78毅N,0毅E360毅E1毅伊1毅156伊360102WaveWatch 芋0毅N25毅N,70毅E90毅E1/10毅伊1/10毅250伊200103WaveWatch 芋5.5毅N7.5毅N,79.5毅E81.5毅E1/120毅伊1/120毅240伊240自适应4WaveWatch 芋6.865毅N7.03毅N,79.75毅E79.87毅E1/1 200毅伊1/1 200毅198伊144自适应
17、5SWAN6.92毅N6.945毅N,79.815毅E79.85毅E1/7 200毅伊1/7 200毅180伊252自适应的变化规律并评估波浪对工程船舶的影响。本文基于GFS风场数据源和GEBCO全球海洋通用水深数据,采用WaveWatch III模式和SWAN模式进行嵌套建立一套适用于斯里兰卡港口城海域的海浪数值模拟计算系统,通过与实测数据对比对该模式进行验证,基于该模式对施工区域处于不同施工阶段的波浪场进行了数值模拟,得到了不同施工阶段波浪要素的变化规律,为工程船舶施工窗口期的选择提供参考。2数值模型及参数设置2.1计算模型本文基于海浪模式WaveWatch III和SWAN模式的多层嵌套
18、建立数值模拟系统。WaveWatch 芋是Tolman等基于第三代海浪模式WAM开发形成,适用于大洋深海尺度海浪的模拟。SWAN模型是由荷兰Delft大学11开发,由于其考虑了非平稳水深引起的波浪折射、白浪破碎、水深变浅引起的破碎、波浪绕射等浅水物理过程,该模型更适用于海岸、湖泊、河口地区波浪的生成和传播的数值模拟,但是该模式也有其自身的局限性,不能计算波生流、波浪衍射效应等。SWAN模式采用作用量密度N来描述随机波浪,其控制方程为波作用量平衡方程,在直角坐标系中方程的形式为11:鄣鄣tN+鄣鄣xCxN+鄣鄣yCyN+鄣鄣滓C滓N+鄣鄣兹C兹N=S滓式中:滓为波浪的相对角频率;兹为波向,即垂直
19、于各谱分量波峰线的方向;Cx、Cy分别为x、y方向上的波浪传播速度;C滓、C兹分别为谱空间(滓,兹)上的波浪传播速度;S为能量源、汇项;t为时间。2.2计算区域及参数设置计算范围的选定需综合考虑大区域台风作用和季风的影响,为了满足不同区域对数值模式的范围和精度的不同需求,计算采用5层嵌套的计算方法,其中最小的SWAN模型网格分辨率可达1/7 200毅伊1/7 200毅,即15.2 m伊15.2 m。具体的数值模型参数设置见表1,各个模式的计算范围如图3所示。计算步长为北京时间2014年12月1日08时2018年12月1日08时。港口城区域的波浪边界由南印度洋的计算结果提供。第1和2层区域的波浪
20、谱的最小频率为0.041 18 Hz,最大频率是0.405 6 Hz,波浪谱方向平均分为48个,第3、4和5层区域波浪谱的最小频率为0.04 Hz,最大频率是0.394 Hz,波浪谱方向平均分为36个。2.3地形、风场等GEBCO数据的全称是全球海洋通用水深数据(General Bathymetric Chart of the Oceans),是由国际海道测量组织(IHO)和政府间海洋学委员会(IOC)联合发布的最全面的世界大洋海底地形数据,也是当今海洋模式中最常用的海洋水深数据之一12。本次模型的最外3层水深地形数据来自于GEBCO数据,其分辨率为1/4毅伊1/4毅;最内2层的水深地形数据来
21、自于港口区海图和典型施工阶段水深地形的测量图,局部地形的测图比尺为1颐240 000。风场是海浪模型的驱动场,其准确性至关重图3港口城区域数值模式计算范围Fig.3Calculation range of numerical model in the PortCity area3层4层5层20窑窑2024年第1期可见数值模拟得到的监测点有效波高、跨零周期、谱峰周期与实测值变化趋势均相近,其中有效波高均方根误差为0.274 m,跨零周期均方根误差为1.659 s,计算结果与观测数据吻合较好,并且夏季风时期(59月)的模拟效果要优于冬季风期(12月次年4月)。这主要是由于在冬季风期间,波浪周期中短
22、周期波成分增加,越洋涌浪成分占比降低,而作为模式驱动场的GFS风场分辨率不高,对局地风浪缺乏计算能力。图6中的谱峰周期模拟结果与观测数据整体变化趋势相同,其中模拟值偏大,其均方根误差为4.08 s,这是由于对谱峰周期误差的判定,需要首先判断此海域的波浪中风浪还是涌浪占优,当风浪成分超过涌浪时,周期计算可能会与实测结果出现5 s以上的误差。而在风浪与涌浪成分占比接近时,有效波高和跨零周期的误差却没有那么显著,因此谱峰周期误差的代表性不如跨零周期,波周期分析更倾向于观察跨零周期的变化规律,对谱峰周期的要。本文采取GFS风场,数据可以通过美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的国家业务模型档案和分发系
23、统(NOMADS)下载13。风场数据覆盖全球,空间分辨率为0.25毅伊0.25毅。由于工程海域潮差较小,平均潮差在15 cm内,潮流流速相对较弱,不考虑潮差对波浪的影响,主要考虑风的影响。3计算结果验证在项目附近科伦坡港部署Inter Ocean S4DW电磁测流仪,用于测量波浪和水流的大小和方向,测量时间为2008年5月2010年5月,该时间段内仪器布置的坐标点为M1(6毅55忆22.813 907义,79毅49忆59.273 475义)。港口城项目南部的南港集装箱码头建设是在2011年开始的,2014年完工,所以采取实测数据对港口城波浪模型进行验证时不需要考虑南港集装箱码头地形的影响。本节
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