專利名稱：一種環抱式防波堤口門航道最大橫流確定方法
技術領域：
本發明涉及一種近海潮流場模擬及預報的方法，特別涉及一種環抱式防波堤口門航道橫流確定方法。
背景技術：
近年來，隨著我國經濟實力的迅速提升，對外貿易總量大幅增加，港口航道的建設和發展面臨巨大的需求與機遇。目前，自然條件好的岸線已得到充分開發，港口航道工程的建設重點逐漸轉向淤泥質海岸和粉砂質海岸。在坡緩水淺的開敞海域，波浪作用明顯，水沙運動復雜，為達到“淺水深用”的目的，一般需布置環抱式防波堤，從而達到防浪擋沙、改善港內泊穩條件、減少泥沙回淤的目的。對于環抱式防波堤這樣雙導堤加進港航道的布置形式，由于堤頭的挑流及口門束 水作用，往往會在口門航道段產生較大的橫流，橫流的大小不僅是設計進港航道有效寬度的重要參數，對日后港區的船舶調度管理亦存在較大影響，因而一直為人們所關注。目前已有很多針對類似港口布置的航道橫流計算研究。不過，在以往的數值模擬中，多采用某次實測的大潮作為計算潮型，計算該種情況下的航道橫流。這種計算橫流的方式主要存在兩個問題首先，其結果相當于隨機值，難以反映出橫流的長期或年內分布特點，代表性不夠突出；其次，對于一般情況下的橫流大小不得而知，難以指導實際工作。一般來說，在淺水近岸海域，受地形反射作用，潮汐一般具有較為顯著的駐波特性，潮流與潮差之間關系密切。由此，本發明利用二維潮流數學模型，通過模擬計算不同潮型下環抱式防波堤口門航道的最大橫流，探討航道橫流與潮差之間的關系，從而進一步擬合口門航道橫流的經驗計算公式，以便根據潮汐預報表，由不同累積頻率的潮差計算對應的航道橫流，為設計和管理服務。發明目的本發明的目的是建立環抱式防波堤的口門航道最大橫流與預報潮差之間的相關關系，進而得到口門航道最大橫流的經驗計算公式。利用該經驗公式可根據工程海域的潮汐預報表預估口門最大橫流，并結合預報潮差的累積頻率分析進一步得到最大橫流的年內分布情況或某一累積頻率下的口門最大橫流值，從而用于指導航道尺度的設計工作及船舶進出港的港區日常管理工作。

發明內容
I、所要解決技術問題對于環抱式防波堤，口門航道橫流一直為人們所關注。一方面，在航道尺度的設計中，橫流的大小直接影響航道有效寬度的取值；另一方面，在船舶進出港時，較大的橫流會造成船舶偏移航線，直接影響船舶行駛安全。以往考慮航道橫流時，多采用某次實測的大潮作為計算潮型進行數值模擬計算，所得橫流值作為航道尺度設計合理與否的依據以及將來港區運營后船舶進出港管理的參考。這種傳統的橫流計算方式主要存在兩個問題首先，其結果對應的是某一特定潮型下的橫流情況，相當于隨機值，難以反映出橫流的長期或年內分布特點，代表性不夠突出；其次，對于一般情況下的橫流大小不得而知，難以指導實際工作。2、技術路線一般來說，在淺水近岸海域，受地形反射作用，潮汐一般具有較為顯著的駐波特性，潮流與潮差之間關系密切。由此，本發明利用二維潮流數學模型，通過模擬計算不同潮型下環抱式防波堤口門航道的最大橫流，探討航道橫流與潮差之間的關系，從而進一步擬合口門航道橫流的經驗計算公式，以便根據潮汐預報表，由不同累積頻率的潮差計算對應的航道橫流，為設計和管理服務。3、技術方案I)建立數學模型并驗證建立工程海域二維平面潮流數學模型，在進行潮流數值計算時，對于開邊界，由東中國海潮波數學模型提供；對于閉邊界，根據不可入原理取法向流速為O。此外，還采用了干濕判別技術進行動邊界處理。利用實測水文資料對模型參數進行率定，驗證達到精度要求后進行工程后的潮流數值模擬。2)確定計算潮型并計算不同潮型下的航道橫流根據工程區域或附近海洋站的潮汐預報表資料，統計該站I年或多年的預報潮差，對其進行累積頻率分析，確定不同累積頻率下對應潮差及其發生的時間，在此基礎上選取一系列涵蓋較大潮差范圍的時間段，利用東中國海大模型提供對應的模型潮位邊界進而模擬計算口門航道橫流，得到不同潮型下的航道橫流情況。3)預報潮差與口門航道橫流的相關關系分析根據計算所得不同預報潮差下的口門航道最大橫流，分析口門航道最大橫流與預報潮差之間的關系。分析發現，在駐波特性顯著的區域，口門航道最大橫流與預報潮差之間存在良好的線性相關關系，由此可以擬合出口門最大航道橫流的經驗計算公式V = klH+b其中，V為口門航道最大橫流；ΛΗ為對應海洋站的預報潮差；k、b為經驗系數。4) 口門航道橫流的預估及累計頻率分析利用所得經驗公式不僅可以預估一般情況下的橫流，還可以得到橫流的累積頻率分布情況。首先，根據口門航道最大橫流與預報潮差之間一一對應的線性關系，將不同累積頻率的預報潮差帶入公式計算，即可得到對應累積頻率下的口門航道最大橫流，進而可以得到橫流的累積頻率分布，從而將累積頻率的設計標準引入到航道尺度的設計當中，避免了以往航道設計中僅參考某一次實測大潮下的數模計算橫流值而引起的代表性不足的缺陷。其次，根據潮汐表得到關注時段的最大預報潮差，帶入經驗計算公式可以預估得到該時段的口門航道最大橫流，實現航道橫流的預報工作，為船舶日常的進出港管理提供科學指導。發明的優點(I)本發明所建立的二維潮流數學模型將包含整個工程海域，且經過現場實測資料驗證，計算結果合理可信，所建立的橫流與潮差之間的相關關系能夠較好的反應出工程海域環抱式防波堤口門航道最大橫流的規律，計算結果可以服務于航道設計及港區的日常
運營管理工作。(2)利用本發明可以方便地預報環抱式防波堤的口門航道最大橫流。使用者只需要根據潮汐預報表中的預報潮差，即可利用擬合公式較為準確地計算相應的口門航道最大橫流，從而科學合理地管理船舶進出港作業。(3)結合預報潮差的累積頻率分析，本發明可以給出口門航道最大橫流的年內分布或不同累計頻率所對應的橫流大小，進而將累積頻率的設計標準引入到航道設計當中，避免了以往航道設計中僅參考某一次實測大潮下的數模計算橫流值而引起的代表性不足的缺陷。


圖I連云港港30萬噸級航道布置圖 圖2連云港海域潮流數學模型范圍示意3連云港區不同計算潮差下的最大橫流圖4連云港區口門最大橫流與預報漲潮潮差的相關關系圖5徐圩港區口門最大橫流與預報漲潮潮差的相關關系
實施例下面結合連云港港30萬噸級航道工程的連云港區與徐圩港區給出本發明提出的連云港海域環抱式防波堤口門航道橫流計算方法的實施方案(I)工程方案概述在進行連云港港環抱式防波堤口門航道橫流計算研究時，考慮連云港區與徐圩港區的進港航道均浚深至30萬噸級。其中，連云港區進港航道走向63° -243°，航道底標高-22. 5m (理論基面以下，下同)，航道底寬350m，邊坡1:7 ;徐圩港區進港航道走向16° -196°，航道底標高-22. 5m，航道底寬360m，邊坡1:7 ;灌河口整治工程已建，雙導堤延伸至-2m等深線處，堤頂高程3m。具體布置如圖I。(2)建立潮流數學模型建立水域面積約8648km2的數學模型，如圖2所示。計算區域的離散均采用矩形網格，并利用網格嵌套法進行逐漸加密，模型最大網格尺度為405mX 405m，工程區域網格尺度為15mX 15m，可以滿足計算精度要求。連云港海域潮流數學模型的西邊界、南邊界為陸邊界，北邊界、東邊界為水邊界。在進行潮流數值計算時，對于開邊界，由東中國海潮波數學模型提供；對于閉邊界，根據不可入原理取法向流速為O。此外，還采用了干濕判別技術進行動邊界處理。為使所建立的潮流數學模型能較好地模擬水流的實際運動情況，需對模型進行率定和驗證，確定其中的計算參數。本發明分別利用2004年7月的大、中、小潮，2005年9月的大、中潮以及2010年先導試挖回淤觀測期間的水文測驗對該模型進行率定。經驗證，計算結果與實測資料吻合較好。(3)航道最大橫流特征及影響因素
在2004年連云港海洋站的潮汐預報表中，選取了一系列涵蓋較大潮差范圍的時間段，進行橫流計算。圖3則給出連云港區漲落潮橫流與漲落潮潮差之間的關系。表I與表2分別給出了連云港區的漲落潮流最大橫流計算結果，分析發現〇計算所得的漲落潮最大橫流隨漲落潮潮差的增加而增大,兩者之間有著非常好的對應關系。〇漲潮最大橫流明顯大于落潮，說明在連云港海域，環抱式防波堤口門的航道最大橫流由漲潮控制。〇對于連云港區的漲潮最大橫流來說，主要位于口門外O. 6^0. 85km航槽段，出現時刻則在高潮位前的I. Oh以內。〇對于連云港區的落潮最大橫流，主要位于口門外I. ri. 6km航槽段，出現時刻則在低潮位前O. 5 2. 5h。
〇對于徐圩港區口門航道最大橫流也進行了計算，情況與連云港區基本相近，也就是說最大橫流由漲潮控制，漲潮最大橫流位于口門外10(T200m航槽段，發生于高潮位前的1.5h以內。(4)漲潮潮差與累積頻率分別按2004年、2004-2006年、2004-2008年的時間組合，統計了 1、3、5年的漲潮
潮差累積頻率，具體結果見表3。可以看出，相同的累積頻率下，不同統計年份的漲潮潮差差別很小，可以使用某一年的潮汐預報表，來統計漲潮潮差累積頻率。(5)漲潮潮差與橫流的相關關系利用所建立的連云港海域大范圍潮流數學模型，根據不同累積頻率漲潮潮差所對應的潮型，計算連云港區、徐圩港區口門航道最大橫流，結果詳見表4。圖4和圖5分別給出了連云港區與徐圩港區口門航道最大橫流與預報漲潮潮差的相關關系，各自的橫流經驗公式如式(I)和式(2)所示。對于連云港區V = O. 178 (H10. 1566, R=O. 956(I)對于徐圩港區V = O. 1566 (H10. 1525，R=O. 946(2)式中-M-最大航道橫流(m/s) ；1H-對應連云港站的漲潮潮差(m)。表I連云港區不同潮型落潮流最大橫流計算結果
權利要求
1. 一種環抱式防波堤口門航道最大橫流確定方法，其特征是包括如下步驟 (1)建立數學模型并驗證 建立工程海域二維平面潮流數學模型，利用實測水文資料對模型參數進行率定，驗證達到精度要求后進行工程后的潮流數值模擬； (2)確定計算潮型并計算不同潮型下的航道橫流 根據工程區域或附近海洋站的潮汐預報表資料，統計該站I年或多年的預報潮差，對其進行累積頻率分析，確定不同累積頻率下對應潮差及其發生的時間，在此基礎上選取一系列涵蓋較大潮差范圍的時間段，利用對應的模型潮位邊界進而模擬計算口門航道橫流，得到不同潮型下的航道橫流； (3)預報潮差與口門航道橫流的相關關系分析 根據計算所得不同預報潮差下的口門航道最大橫流，分析口門航道最大橫流與預報潮差之間的關系，提出口門最大航道橫流的經驗計算公式V = klH + b 其中，V為口門航道最大橫流；ΛΗ為對應海洋站的預報潮差；k、b為經驗系數； (4)口門航道橫流的預估及累計頻率分析 利用所得經驗公式，根據口門航道最大橫流與預報潮差之間一一對應的線性關系，將不同累積頻率的預報潮差帶入公式計算，即可得到對應累積頻率下的口門航道最大橫流，進而可以得到橫流的累積頻率分布；根據潮汐表得到關注時段的最大預報潮差，帶入經驗計算公式可以預估得到該時段的口門航道最大橫流。
全文摘要
一種環抱式防波堤口門航道最大橫流確定方法，利用二維潮流數學模型，通過模擬計算不同潮型下環抱式防波堤口門航道的最大橫流，探討航道橫流與潮差之間的關系，提出口門航道橫流的經驗計算公式。利用經驗公式，根據口門航道最大橫流與預報潮差之間一一對應的線性關系，將不同累積頻率的預報潮差帶入公式計算，即可得到對應累積頻率下的口門航道最大橫流，進而可以得到橫流的累積頻率分布；根據潮汐表得到關注時段的最大預報潮差，可以預估得到該時段的口門航道最大橫流，從而用于指導航道尺度的設計工作及船舶進出港的港區日常管理工作。
文檔編號E02B1/02GK102943451SQ201210397359
公開日2013年2月27日 申請日期2012年10月18日 優先權日2012年10月18日
發明者張瑋, 張婧, 錢偉, 李澤, 王國超, 龐亮, 金新, 汪魁 申請人:河海大學