刘功鹏

摘要：基于MIKE21SW波浪数值模型，结合莱州湾海域地形、波浪特点，以莱州气象站的风速资料为基础，对菜州湾海域的设计波浪要素进行模拟和分析。与海上测风塔实测波浪要素进行了对比，验证了模型模拟的准确性和可靠性，并对计算方法和模型的适用性进行了探讨。结果表明：莱州湾海域波浪从湾外向近海传播，受海底地形、岸线走向、风速风向的影响，波浪发生一定的折减、绕射等衰减现象，波浪场的分布特征与风速风向、水深、地形密切相关。研究成果可供菜州湾海上风电的开发利用借鉴参考。

关键词：海域波浪;数值模拟;MIKE21;海上风电;山东菜州湾

中图法分类号：P743.2 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.04.011

海上风电技术经过多年发展已日趋成熟，目前我国海上风电已进入规模化发展阶段，有着巨大的发展空间。2017年我国海上风电开发取得突破性进展，新增装机容量116万kW，同比增长97%，累计装机达到279万kW。根据国家能源局印发的《风电发展“十三五”规划》，到2020年底，海上风电并网装机容量达到500万kW以上，为实现2020年非化石能源占比达到15%的目标提供重要支撑。

山东是我国临海大省，风能资源丰富，海上风电的开发利用潜力巨大。本文基于MIKE21SW软件，建立了莱州湾海域波浪数值模型，并利用萊州湾内海上测风塔实测资料对模型进行验证。对该海域的波浪场进行数值模拟，掌握极端天气条件下莱州湾的波浪分布情况，可对莱州湾海域海上风电开发提供技术支撑。

1计算方法和模型构建

1.1计算方法

运用MIKE21SW波浪数值模型对工程区域的设计波浪要素进行计算。SW模型是基于非结构网格的新一代风浪谱模型，适用于计算风浪、涌浪的成长、衰减和传播，并可兼顾考虑近岸海底地形和建筑物引起的波浪绕射和反射效应，基本上可满足局部区域波浪计算精度的要求。

莱州湾海域以风浪为主，故研究区域采用风速资料对风浪进行计算，在整个莱州湾海域建立大范围风浪成长传播数学模型。利用莱州湾海域设计风速推求极端天气条件下的莱州湾外海深水波要素，通过与海上测风塔的波浪实测值进行比较、率定，计算出整个莱州湾海域的设计波浪要素。

1.2模型简介

丹麦水利研究所（DHI）开发的MIKE21软件中的SW浅水波浪数值模拟模块，主要适用于不同历史条件下近海、海岸以及港口结构物设计过程中的波浪情况后报，也适合于对大范围或者局部区域的波浪进行预报和分析。

1.3参数设置

为了满足莱州湾海域的波浪计算需要，计算范围以东经118.8°、北纬37.1°为原点，向东延伸140km，向北延伸100km。模型采用三角形网格（见图1），网格数为4539，时间步长从0.01～360s自动调节，数学模型的开边界条件由中国近海潮汐潮流数学模型Chinatide Esl提供，其中潮位为2.51m（极端高水位）。波浪破碎系数取值为0.8，底摩阻类型为尼古拉兹砂粒糙率，取值为0.01m，白浪取值为4.5，初始条件中的公式类型为JONSWAP fetch growth ex-pressiono

2计算条件

2.1设计风速

模型主要模拟莱州湾海域50a一遇高水位（即极端高水位）下的波浪要素，因此采用莱州湾海上10m高度，重现期为50a的设计风速，见表1。

2.2深水设计波要素

根据SL 435-2008《海堤工程设计规范》，采用莆田海堤试验站公式，计算确定重现期为50a的NW、N、NE等方向的外海30m等深线附近的深水波浪要素，见表2。

3模型验证

为验证模型参数设置的准确性，采用模型内海上测风塔作为验证点，所处位置见图2和坐标见表3。

以2017年7月1日00：00至5日04：00的实测波浪资料对模型参数进行率定，率定因素为有效波高、平均周期、平均波向。通过模型反演上述时段的波浪场后发现，该站模型计算结果与实测的各项波浪要素资料之间拟合较好，见图3。

通过对验证点的数据分析可知，有效波高、平均周期的模拟值与实测值基本一致，平均波向的模拟值与实测值偏差较小，整体变化趋势接近，偏差精度满足要求。该风浪数值模型能较好地反映莱州湾海域的波浪特性，亦可用于推算不同工况下的设计波要素。

4计算结果

在模型验证的基础上，对极端高水位隋况下NW、N、NE向的波浪场进行计算，选取N向有效波高、最大波高和平均周期的计算结果进行分析，见图4～6。

波浪数值模型结果表明：莱州湾外海海域极端天气下的有效波高达到5.0m左右，最大波高达到10-2m左右，平均周期达到9.0s以上;近岸海域有效波高和平均周期受水深、地形影响，有效波高只有0.8m，最大波高只有1.8m，平均周期只有3.5s甚至更小，反映出波浪由湾外向近海传播，受海底地形、岸线走向、风速风向的影响，波浪发生一定折减、绕射等衰减现象，海域波浪场的分布特征与风速风向、水深、地形等密切相关。波浪场在平面上的分布以及波浪在传播过程中的波向随着水下地形改变的趋势显著。越靠近岸线水深变化显著的海域，等波高线越密集，岛屿链对波浪的掩蔽作用越明显，在崎岖列岛波浪传播的后方形成波浪的掩蔽区，波高较同一纬度偏小。

5结语

本文利用MIKE21Sw对莱州湾海域在极端天气条件下的波浪场进行模拟，得出莱州湾海域波浪的复杂分布特征。将该模型的设计波浪计算成果与海上测风塔的短期实测波浪数据相结合，可供海上风电领域设计施工参考借鉴，为风电机组基础、海上升压站等结构设计提供可靠的参数。

目前，我国海上风电开发多处于外海海域，设计波浪所需的观测资料匮乏。本文采用的设计方案符合规范要求，可为缺乏长期波浪观测资料的海域用电场址设计波浪参数计算提供了切实可行的计算方法，研究成果具有良好的应用价值。