李 杰

（上海勘测设计研究院，上海 200434）

南汇东滩促淤工程南区设计波浪要素研究

李 杰

（上海勘测设计研究院，上海 200434）

针对南汇东滩促淤工程所处的位置，选用基于波能平衡方程和波作用守恒方程的近岸风浪谱模型建立波浪传播计算数值模型，对非线性效应影响条件下的波浪要素进行计算研究。研究结果表明，波浪在远距离的传播过程中，受到沿程的风的影响，组成波之间能量交换转移和耗散等非线性效应的影响不可忽略，在南汇东滩海域采用近岸风浪谱数值模型对波浪的传播变形计算较为合适。

设计波浪要素；风浪谱模型；南汇东滩

Biography：LI Jie（1980-），male，engineer.

南汇东滩是长江口不断淤涨的岸段，是长江口高含沙量区域之一，紧邻上海东南沿海的重点开发区域南汇及滨海新城临港开发区，其独特的区位优势和土地开发利用价值，一直是上海市滩涂资源开发利用的重点区域。

南汇东滩促淤工程的范围为浦东机场外侧促淤区以南的没冒沙水域，以及大治河延伸段以南的-2～-3 m高程以上的南汇东滩滩地，南侧边界以临港新城大堤与原南汇东滩四期大堤交汇点为界。南汇东滩促淤工程南区位于南汇东滩大治河出口的南侧，南区内、外两侧促淤面积分别为44 km2，各分三个围区分二期完成，工程位置和范围见图1。根据总体布置，外侧圈围大堤防洪标准为100 a一遇标准，堤防级别为1级，内侧促淤工程将作为大堤的堤前保滩工程或大堤的组成部分。

图1 南汇东滩促淤工程位置示意图Fig.1 Location of siltation promotion project of East Nanhui Beach

1 模型的选择分析

目前较为常用的近岸波浪数值模式大致可分为以下四类［1］：一是基于射线理论的折射浅水数值模型［2-3］；二是基于Boussinesq方程的数值模型［4-5］；三是基于缓坡方程的数值模型［6-8］；四是基于波能平衡方程和波作用守恒方程的数值模型［9-11］。

上述几个模型都可应用于海岸工程的波浪计算，但是由于各自控制方程对波浪物理过程的描述角度不同，应用领域也有所不同。第二类和第三类模型是基于波浪流体动力模型，在经过了不断的改进和发展后，目前能在一定程度上模拟波浪近岸传播过程中的浅水变形、折射、绕射、破碎和底摩阻耗散等物理过程。第四类模型基于能量平衡方程模型，能够充分考虑波浪传播过程中由于风能输入、白浪耗散和波波相互作用等引起的能量的输入和转移的物理过程。在开敞海域，波浪传播的距离较大时，传播过程中的风能输入、白浪耗散和波—波相互作用等物理过程不可忽略，用此类模型进行波浪传播计算具有一定的优势。由于本工程位于开敞海域，区域内并没有明显的岛屿掩护现象，符合第四类模型的应用领域。因此，在本研究中选用Spectral Wave模型（SW）进行近岸波浪传播变形计算。

2 模型原理

采用近岸风浪谱数值模型SW进行浅水区波浪数值计算，SW为无结构网格模型，能较为高效和精确地模拟工程中岸线曲折多边和岛屿众多的特殊地形。模型根据波作用守恒原理进行波浪传播变形计算，基本方程如下

式中：E（σ，θ）为能量密度谱；σ为相对频率；θ为波向角。模式不是以二维能谱密度而是以二维动谱密度表示随机波，因为在流场中，动谱密度守恒，而能谱密度不守恒。式（1）中左端第1项为波作用量随时间的变化项，第2、3项为波作用量的空间对流项，第4项为由于水深变化和水流作用造成的波作用量在频域上的变化，第 5 项为折射项，Cx、Cy、Cσ、Cθ分别为 x、y、σ、θ空间上的群速，s为源项，s=sw+sn+sd+sf，sw、sn、sd和 sf分别代表由风产生的能量输入、波—波间非线性相互作用、破波耗散和床底损失。近岸风浪谱数值模型对风能输入项、波波非线性相互作用、白帽耗散和底摩阻等都采用国际上最新的先进的理论成果。

3 模型建立

3.1 模型范围及地形

本次研究对长江口外水深15～25 m等深线与南汇东滩促淤工程附近的大部分水域进行波浪传播变形计算。采用无结构网格对模型区域进行剖分，准确贴合复杂多变的岸线、岛屿及工程方案平面布置，南汇边滩区域局部加密网格，最小网格边长约15 m。模型的东边界位于东经122.5o附近，北边界位于崇明东滩附近，南边界位于南汇边滩以南的杭州湾海域。模型的计算范围、水下地形和网格示意图如图2所示。

3.2 深水波要素

由于长江口没有长期固定的波浪测站，外海边界的深水波要素采用有关的分析成果［12］，利用大戢山站的重现期风速资料推算出模型的入射边界处的重现期风速，采用莆田试验站方法间接推算求得模型入射边界上的深水波浪要素。根据工程建筑物的设计需求，选取百年一遇深水波要素作为入射边界的输入参数进行计算，其中百年一遇的深水波要素如表1所示。

4 计算成果及分析

图2 模型的计算范围和网格示意图Fig.2 Calculation range and grid of the model

受横沙东滩、长江口深水航道导堤和九段沙等水深较浅区域的掩护，本工程南区的主要由NE—SE向的波浪起控制作用。因此，为了研究3个不同来袭方向下的波浪在工程海域内的传播过程，确定工程外侧大堤的设计波浪要素，分别对3个方向的不考虑波波相互作用、底摩阻和白帽耗散等非线性效应影响和考虑了波波相互作用、底摩阻和白帽耗散等非线性效应影响条件下的波浪要素进行计算研究。

选取外侧大堤上段、中段和下段（圆弧段）作为代表点，3个方向上的堤前的设计波要素如表2所示，不考虑非线性效应影响下的波高和波周期明显大于考虑了非线性效应影响下的波高和波周期，其中波高大4%～8%，波周期大7%～10%，说明波浪在传播过程中，组成波之间能量交换转移和耗散等非线性效应的影响不可忽略，组成波之间的相互作用和底摩阻、白帽耗散等的非线性效应影响导致的能量交换和转移，是波高和波周期在沿程传播中变化的重要因素，近岸风浪谱数值模型在本工程海域对波浪的传播计算具有明显的优势。

表1 百年一遇的深水波要素表Tab.1 Deep water wave elements under 100-year return period

表2 工程区域的百年一遇潮位和同频率风速条件下的设计波要素表Tab.2 Design wave elements under 100-year return period of tidal level and wind speed in project area

图3 百年一遇潮位和同频率风组合有效波高等值线和波矢量图Fig.3 Significant wave height and wave vectors under 100-year return period of tidal level and wind speed

5 结语

南汇东滩促淤工程区域位于开敞式海域，波浪传播区域内没有明显的岛屿掩护现象，本文选用了基于第三代海浪预报模型的Spectral Wave模型对工程海域的波浪传播过程进行了模拟，在波浪传播过程中充分考虑了风能输入、波—波非线性相互作用、底摩阻耗散和波浪破碎等物理过程，较为全面的模拟了波浪在传播过程中发生的风浪成长、浅水变形、折射和破碎等现象。从计算的结果来看，外海的涌浪在传播至海岸处时，受水下地形的影响，波浪衰减较为明显，其中不考虑非线性效应影响下的波高和波周期明显大于考虑了非线性效应影响下的波高和波周期，说明在波浪的传播过程中，组成波之间能量交换转移和耗散等非线性效应的影响不可忽略，采用近岸风浪谱数值模型在本工程海域对波浪的传播计算较为合适。

［1］潘丽红，刘新成，冯卫兵.近岸风浪谱模型在青草沙水库波浪计算中的应用［C］//长江口青草沙水源地建设指挥部.上海长江口青草沙水源地原水工程论文集.上海：上海科学技术出版社，2011.

［2］潘少华.江河风浪计算中的一些问题［J］.人民黄河，1994（7）：13-16.

PAN S H.Some Problems in the Calculation of Wind Waves［J］.Yellow River，1994（7）：13-16.

［3］夏期颐，洪广文.长江口杭州湾地区波要素推算及验证［J］.河海大学学报，1994，22（2）：33-38.

XIA Q Y，HONG G W.Computation and Verification of Wave Characteristics along the Coastal Water of Yangtze River Estuary and Hangzhou Bay［J］.Journal of Hohai University（Natural Sciences），1994，22（2）：33-38.

［4］冯芒，沙文钰，朱首贤.近岸海浪几种数值计算模型的比较［J］.海洋预报，2003，20（1）：52-59.

FENG M，SHA W Y，ZHU S X.Study on Some Numerical Methods Calculating Waves in Shore［J］.Marine Forecasts，2003，20（1）：52-59.

［5］李梦国，王正林，蒋德才.近岸波浪传播变形数学模型的研究与进展［J］.海洋工程，2002，20（4）：43-47.

LI M G，WANG Z L，JIANG D C.A review on the mathematical models of wave transformation in the nearshore region［J］.The Ocean Engineering，2002，20（4）：43-47.

［6］李梦国，蒋德才.关于波浪缓坡方程的研究［J］.海洋通报，1999，18（4）：70-92.

LI M G，JIANG D C.A Review on the Study of Mild-Slope Equation［J］.Marine Science Bulletin，1999，18（4）：70-92.

［7］Kirby J T，Dalrymple R A.Modelling waves in the surfzones and around islands［J］.J.Wtrwy.Port，coast.and Oc.Engrg.，ASCE，1986，112（1）：78-93.

［8］Kirby J T.A note on linear surface wave-current interaction over slowly varying topography［J］.J.Geophys.Res.，1984，89（C1）：745-747.

［9］徐福敏，张长宽，茅丽华，等.一种浅水波浪数值模型的应用研究［J］.水动力学研究与进展，2000，5（4）：429-434.

XU F M，ZHANG C K，MAO L H，et al.Application of a numerical model for shallow water waves［J］.Journal of Hydrodynamics，2000，5（4）：429-434.

［10］Booij N，Haagsma IJG，Holthuijsen LH，et al.SWAN user manual［M］.Delft：Delft University of Technology，2004.

［11］DHI Water&Envioronment.Mike21 Spectral Wavers Module Scientific Documentation［M］.Denmark：Danish Hydraulic Institute，2007.

［12］何金林.长江口区风浪要素计算的探讨［J］.东海海洋，1996，14（3）：1-7.

HE J L.Research of wind wave characteristics calculation in the Changjiang estuary［J］.Donghai Marine Science，1996，14（3）：1-7.

Research on design waves elements of siltation promotion project in south region of East Nanhui Beach

LI Jie
（Shanghai Investigation Design and Research Institute,Shanghai200434，China）

In view of the location of siltation promotion project in East Nanhui Beach，a wave propagation numerical model was built on the basis of the wave energy balance equation and wave action conservation equation.The wave elements affected by nonlinear effect were calculated.The results show that,in the long wave propagation process,due to the effects of wind，the nonlinear effects including the energy exchange between wave components and the energy dissipation should not be neglected，and the wave spectrum model is suitable for wave propagation calculation in East Nanhui Beach.

design wave elements；wave spectrum model；East Nanhui Beach

TV 139.2；O 242.1

A

1005-8443（2012）03-0208-04

2011-10-26；

2011-12-26

李杰（1980-），男，浙江省舟山市人，工程师，主要从事河口海岸的水动力数值模拟研究。