秦山核电三期工程厂坪前沿可能最大台风浪计算
谢亚力，黄菊卿
(浙江省水利水电河口海岸研究设计院，浙江 杭州 310020)
摘 要：利用有关文献提供的可能最大台风风场，采用文圣常等提出的混合型海浪数值模式计算了厂址外海域可能最大台风浪，再经近岸折绕射计算得出厂坪前沿设计波要素，并对计算结果做了分析。
关键词：秦山
核电三期工程；可能最大台风；台风浪；折绕射
秦山核电厂三期工程位于杭州湾北岸秦山堡东部的螳螂山(图1)，螳螂山伸入杭州湾，北、东、南三面临海。杭州湾是个喇叭形的海湾，湾口(南汇咀～甬江口镇海)宽约100km，湾顶澉浦距湾口86km，海域宽度缩为21km。湾内自湾口至乍浦海底地形平坦，平均水深10ｍ左右，乍浦以西海床逐渐抬高，沿北岸有一深槽，一般水深10～20ｍ，局部水深可达50～60ｍ，秦山核电厂位于深槽尾部，海湾南部多浅滩，水深较小，低潮位时部分滩地露出水面。据1949～1990年台风资料统计，每年夏秋季节浙江沿海均受台风影响，其中对杭州湾有影响的台风有133个，平均每年3.3个，最多年份可达7个。影响杭州湾的台风主要有4条路径：在浙江登陆，转向东北出海或转向西北内陆消亡；在浙闽边界至厦门之间登陆，转向东北出海消亡或转向西北内陆消亡；在厦门至珠江口之间登陆，后转向东北出海消亡；沿浙江海面北上的海上掠过型台风。
其中前两条路径对厂址影响最严重，往往会造成较大的台风浪和风暴增水。
1 杭州湾可能最大台风风场的确定
为确定波浪对工程的影响，首先应确定发生波浪的风场。文献《杭州湾台风暴潮的模拟计算》中已对杭州湾风场计算模式和可能最大台风参数做了详细的分析研究和计算。风场计算公式为
当0≤r≤2R时
式中：Wx和Wy为点(x,y)处的风速分量；R为最大风速半径；Rr为计算点与台风中心的距离；ΔP＝Pn－PO；ρａ为空气密度，f为科氏参量，C1和C2为常数。
可能最大台风参数为：台风中心气压903hPa；台风外围气压1010hPa；台风气压降107hPa；台风最大风速半径20km；台风登陆点位置30.3°N，121.4°N；台风登陆方向270°；台风移动速度25km/hr．。
计算结果表明，当可能最大台风沿北纬30.3°进入杭州湾后，海湾北部海域风向变化依次为N→NE→E→SE。厂址位于30°24.5′N，120°55.6′E(乍浦～澉浦之间)，其附近海域于假想时刻5∶00～6∶00风速最大，超过40ｍ/ｓ，风向偏东。
2 厂址外海域可能最大台风浪计算
通过7708号台风海浪数值计算，并与乍浦海洋站实测波要素比较后，认为文圣常等提出的一种新型混合型海浪数值模式(以下简称海大模式)适用于杭州湾内台风浪的计算。它包括：①深水风浪成长模型；②浅水风浪成长模型；③涌浪传播模型；④风浪与涌浪之间转换；⑤风浪充分成长的判别。其中①与②根据计算条件选择，对于杭州湾这样的宽浅海域，显然应选择浅水风浪成长模型。以下对海大模式作一简述。
浅水风浪成长模式是基于能量平衡并通过数值积分实现的。能量平衡方程源函数通过有效波高的经验成长关系来确定，它包括了能量输入、消耗和非线性的能量传输。浅水风浪预报方程为
式中E（θ，x,y,t）是有效波单位面积水柱内的能量，系数A1、S1、Mi(i=1,2,3,4,5)为与风速、风向、风区、风时及水深等参数有关的综合系数。该方程可适用于水深变化的水域和非恒定不均匀的风场，它采用有限差分进行数值计算。
涌浪模型采用谱分量能量平衡方程，并考虑逆风效应的能量耗散和浅水中底摩擦消耗，其谱分量平衡方程为
式中S（ω，Ψ，x,y,t）为涌浪组成波谱分量，ω为组成波频率，Ψ是组成波波向θ与风向的夹角，Cｇ为组成波圆频率ω的群速度，-Gin表示逆风效应的能量耗散，-Gｄｂ为底摩擦能量耗散。
以浅水风浪模式得到的有效波高和有效波周期代入文氏谱得到风浪谱，将此风浪谱与新风速可以支持的充分成长谱相比较，当前者超过后者所包含的组成波分量值或其全部值视为涌，并按涌浪模型进行数值计算，已存在的涌浪谱中，小于新风速下的成长谱的组成波值被吸收为风浪谱的一部分继续成长，然后风浪谱与涌浪谱迭加得海浪谱。
由于每一时步的计算，须先判断风浪是否已充分成长，才能将海浪谱分离为风浪谱和涌浪谱。对浅水，充分成长的有效波能量为
Eｍ＝5.9871×10-6U４th２（0.772gh/U２） (7)
本文利用7708号台风期乍浦海洋站实测海浪资料对这套模式进行了检验，其中风场按文献《杭州湾台风暴潮的模拟计算》模式计算，结果列于表1。由表可知：计算值与实测值吻合较好，其中1/10大波波高计算值与实测值平均误差9%；最大误差27%。波周期平均误差11%，最大误差23%，说明海大模式可应用于杭州湾海域的可能最大台风浪数值计算。
计算范围：121°～122°15′E，30°～31°N，见图1。
计算时域：假想时间8月1日06时～8月3日03时。
计算步长：△ｘ＝△ｙ＝3′≈5500ｍ；△ｔ＝300ｓ。
边界条件：陆边界及岛屿边界E＝0；对开边界波传入取E＝E（x0，y0）为已知
值；对开边界波传出采用“吸收边界”。
初始条件：ｔ＝ｔ0时E＝E（ｔ0）已知值。
计算条件：输入杭州湾可能最大台风风场；输入计算域内的海底高程和陆域边界点坐标；输入杭州湾可能最大风暴潮与历史最高天文潮组合条件下秦山核电三期工程前沿可能最高潮位过程及相应的整个计算域内潮水位场(见文献《厂址可能最高潮位数值计算》)。
作为厂址外海域的设计波要素，其计算点设在B点，见图1。该地距厂址约8km，海底平坦，平均水深12ｍ，计算中同时输出与Ｂ点同位于121°Ｅ的A点和C点的计算结果。并将3点平均值代表计算点B点附近海域的波高HS、波周期TS和波向α，结果显示最大有效波高Hsmax发生在2日5：30，为4.49ｍ，波周期6.59ｍ，波向为ENE。
3 厂坪前沿设计波要素计算
海浪自深水向浅水传播，因水深变浅，波动的传播速度和波向随之而变，波面变形，且波动发生折射和绕射。而上节采用的海大模式不能反映绕射的影响，且计算网格较粗不足以模拟厂坪前沿的复杂地形，为此需以上节计算所得B点的可能最大台风浪过程为初始值，再经波浪浅水变形计算求得厂坪前沿的设计波要素。
计算模型采用“海浪谱在缓坡上的折绕射联合模型”［２］［３］。该模式由以下几个方程组成。
在缓坡传播的有限水深小振幅波动(组成波)的能量守恒方程：
式中▽h为水平算子：Gｎ＝Cｎ·Cｇｎ；Cｎ为对应圆频率ωｎ的波速；Cｇｎ为对应圆频率ωｎ的波群速；ωｎ为圆频率；Sｎ为位相函数。式(8)和式(9)联解构成海浪组成波传播的折射模型，它与《港口工程技术规范》所规定的折射计算方法具有同样精度。由于考虑了水深坡度的影响，导致海浪组成波能量E（ωｎ）在水平方向的变化，从而可按式(10)计算出组成波位相函数梯度｜▽hSｎ｜的变化，以此对原折射波数Kｎ＝｜▽ｈSｎ｜进行修正。
由于厂址滨海区特别是厂坪前沿地形较复杂，这里采用矩形网格Δx＝Δy＝250ｍ。在3个方位进行数值计算，y轴为波的前进方向，x轴为波峰线方向，经折绕射联合模型计算，得厂坪前沿设计波要素，绘出了厂坪东沿可能最大台风浪过程(图2)。
4 计算结果分析
由图2可知，虽然计算台风浪所引用的风场和风暴潮完全相同，但厂坪前沿台风浪过程与风暴潮位过程并不同步，前者极大值出现时刻滞后于后者。造成这种情况的原因是：由于杭州湾口岛屿密布，口外涌浪被阻，厂坪前沿台风浪主要由湾内台风风场形成，海浪构成中以风浪为主，涌浪所占比例极少，因此波高随风速同步成长，当厂址附近海域5∶00～6∶00之间出现最大风速时，厂坪前沿于5∶30出现最大波高；对于风暴增水，在湾口外的深水海域内，其增水也随风速增强而加大，据文献《杭州湾台风暴潮的模拟计算》计算结果，湾口北部(芦湾港)附近海域最大增水出现在2∶00，与该海域最大风速同步。然而进入杭州湾后，海床逐渐抬高，水深减小，海湾宽由湾口100km收缩至厂址23km，潮能集中，潮差变大，天文潮已是组成域内潮位的主要因素，于是湾内潮波运动主要取决于潮流动力，据文献《厂址可能最高潮位数值计算》计算，当湾口最大增水与最高天文潮组合后，该地最高潮位只经1h40min的传递，于3∶40厂坪前沿海域出现最高潮位(此高潮位传递速度已被大量台风期和非台风期芦潮港与乍浦两地实测高潮位出现时差所证实)。于是秦山核电三期工程厂坪前沿可能最大台风引起最大波高与可能最高潮位之间存在1h50min的位相差，故厂坪标高的确定不能将最高潮位与最大波高直接叠加，而应取潮位过程与波高过程叠加以后的最大值。
5 结语
通过一系列数值计算，最后推得了秦山核电三期工程厂坪前沿可能最大台风浪过程，经与文献《厂址可能最高潮位数值计算》结果比较，可以看出，厂坪前沿台风浪过程与风暴潮位过程并不同步，前者极大值出现时刻滞后于后者，两者位相差为1h50min。在确定厂坪标高时不能将最高潮位与最大波高直接叠加，而应取潮位过程与波高过程叠加以后的最大值。
参考文献：
［1］港口工程技术规范海港水文分册修订条文［S］．中华人民共和国交通部，1994．
［2］蒋德才等．海浪能量谱的折绕射研究(Ⅰ)缓坡上的联合模型［Ｊ］．海洋学报，1993，Vol．15(3)：84—86．
［3］蒋德才等．海浪能量谱的折绕射研究(Ⅱ)缓坡上的联合模型［Ｊ］．海洋学报，1993，Vol．15(3)：84—86．
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发表于 2010-9-15 10:08:49