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妈湾港的波浪特征与台风浪推算



  杨干然 陈良圭

  妈湾港位于珠江口伶仃洋的东岸、南头半岛的西端,北靠大铲湾、南邻赤湾

  港。港区经暗士顿水道至香港中区的航程仅20哩。妈湾岸段有3km长的深水岸线,岸滩狭窄。离岸300-800m有一条水深10m以深的赤湾-暗士顿涨潮冲刷槽,水深条件优越,适宜建设顺岸式的深水港口。

  笔者对赤湾波浪站1982-1983年的实测资料进行了统计分析,推算了不同重现期的台风极值波浪,为妈湾港港工设计提供依据。

  一、波浪特征分析

  1.赤湾波浪观测概况

  赤湾波浪站设在赤湾狮山(左炮台)临海的陡崖上,位于113°53.1′E,22°28.15′N。由交通部水运规划设计院设立,1981年12月1日开始观测。1982年11月1日至1983年底由中山大学河口海岸研究室接续观测,共取得二年零一个月的观测资料。

  测波站以国产HAB-II型岸用光学测波仪为主要观测手段,并用DSL-1型拾震式波浪仪等自记仪器进行比测试验[2]。岸用测波仪的海拔高程为20.40m ,测波房视野范围(SE-NW)为180°,波浪浮子在SSW方向,投放点水深9.8m。按国家海洋局制订的《海滨观测规范》,每日逢08,11,14,17时进行风和浪的观测。潮位和风速资料采用赤湾潮水位站的记録,风速仪海拔高程为80m。

  2.波浪基本特征

  实测表明,赤湾-妈湾海域,全年以风浪为主,混合浪不多,纯涌浪极少。从图1看出,岛屿和地形的屏障作用较好。资料表明,海面平静、海况为零级的次数占总观测次数的49.5%。这反映出海区只是受当地风影响,属短风区类型。

  根据赤湾站1982—1983年风的统计资料,全年中以SE向风(频率为15%)及E向风(12%)为主,其次是NE向风(9%)和N向风(8%)。平均风速在3-5m/s之间变化,以WNW,SSW及SSE方向稍大;而强风向则是E向风及SW向风(表1,图2A)。图2(B)表明,E向风频率最大,SE向则为强风向,E,W,SW向为次强风向。

  从表1看出,波浪和风的对应关系尚好,波向中频率最大的是SSE向(7.9%),其次为SE向(6%)和S向(5.9%)。最大波高为1.0m1、波向SSW。强波向与强风向基本一致。

  表2中列出赤湾站风和浪的特征值。由表2及图3可见:赤湾站的年平均波高为0.2m,而波高在0.5-1.0m以上者,主要出现在6-10月台风盛行期,是台风所引起的。1982-1983年中,大于0.5m的波高共有33次(22d),占总观

  测次数的0.01%。据此,我们认为:赤湾-妈湾海域的波浪强度是不大的;对泊稳条件要求不太严格的大型船只来说,在不修筑防波堤的情况下,每年可供正常作业的天数在340—350d之间(以每年遭受3—5次台风侵袭或影响、每次台风平均有5d不能进行装卸作业计算)。

  二、影响妈湾港的台风和台风浪

  珠江口在每年6-10月常受到西太平洋台风与南海台风的侵袭或影响。

  据广东省气象台所编的《广东省灾害性天气概况》,在1951-1976年的26年中,登陆广东的台风平均每年6.3次,加上影响广东的次数,每年达13.4次。而登陆珠江口岸段(惠东-台山)的台风,平均为1.4次/年。另据姚国权等1)转引香港皇家天文台的观测资料,1884-1980年在珠江口附近登陆的台风,平均为1.55次/年;12级(风速32.6m/s)强台风出现的频率为0.3次/年。可见,登陆珠江口岸段的台风次数是不多的。尽管如此,一旦12级以上强台风登陆,伴生较大的风浪和风暴增水。因此,在珠江口设计水工建筑物时,必须掌握该海区的极值波浪资料,以策安全。

  1983年9月9日晨,8309号台风在珠海登陆。赤湾站记録到该台风波浪的部分波形曲线 。经整理后得到下列特征值(表3):在平均风速为22-25m/s(瞬时风速达30m/s),风向为NNW向时,H1/10为1.62m,T为3.58S;其中,Hmax=1.92m、Tmax=4.6s、波向NNW。

  三、不同重现期极值波浪的推算

  1.风资料的采集与处理

  波浪推算所用的风速值,应是相应风区内的风速值。按照赤湾—妈湾的地理位置与水下地形特点,影响两个港湾的最大波浪方向是S,SW,W,NW,NNW方向。这5个方向的风区长度为30-40km,换算成等效风区则为20-30km。据此,我们认为在计算上述5个方向的台风浪时,可应用相同的风场。由于台风影响的范围通常都有几百公里,因此对于赤湾、妈湾这两个相邻港湾来说,其风场完全可以看成是一样的。这样,就可以利用赤湾站观测的风速资料,订正成伶仃洋的风场后作为妈湾港波浪推算的风速值。由于计算风浪所用的风速值应是海面上10m处的风速,而按照赤湾站的风速是指岸上80m高度的风速,因此,先按《港口工程技术规范》(以下简称“规范”)将岸上风速订正成海面上10m处的风速。

  根据赤湾站1967-1981年风的资料,参考珠海(1961-1980年)、深圳(1952-1980年)和香港(1948-1979年)风的资料,并参照有关意见1得出妈湾港不同重现期的风速值(表4)。

  2.风区

  由于妈湾港前方的水域边界条件很不规则,且有岛屿、浅滩等影响,因此风区的计算是比较复杂的。我们选用了美国海岸防护手册[4]建议的等效风区长度的计算方法,其计算公式是:

  Fc=∑ni=1Ficos2αi/∑ni=1cosαi

  式中,Fi为计算点沿着主风向左右两侧相隔ai角划出来的射线 (对岸距离)长度,ai是每条射线同主方向之间的夹角,我们取主方向左右各24°射线范围内每隔6°取一条射线作等效风区的计算,可得到表5的结果。其中,平均水深是按照设计高潮位计算的。3.不同重现期极值波浪的推算

  在港口工程的设计中,常以不同重现期的极值波浪作为依据。推算极值波浪的方法是很多的,我们选用“规范”方法和Ippen方法[5]进行推算。

  按照上述风速和风区资料,用“规范”法计算得出结果(表6)。

  由表5看出,妈湾港风区长度为25-47km,等效风区仅17.5-35km,是很小的。而工程上常应用多年一遇的波浪值,因此其对应的风速值是较大的。Ippen在1966年提出的理论和计算方法正是以“风区小、风速大”这两个条件为出发点。这与妈湾港的实际情况颇为相似。因此,又按照Ippen方法计算了妈湾港不同重现期的波浪要素,得出结果(表7)。

  由表6,表7可见,上述两种方法计算的结果是相当接近的,但Ippen方法所得数值偏高一些,这主要是由于该方法不考虑水深因素的缘故。而实际上水深大小对风浪的成长是有影响的。

  姚国权等指出,涌浪从珠江口的大万山传播到内伶仃岛外南沙滩附近(在赤湾港西南方17km处),折射系数约为0.15,如再考虑岛屿绕射、浅滩引起的波浪破碎及底部磨损等影响,传至赤湾的涌浪则更小,故可忽略不计。据此,我们在妈湾港极值波浪推算中,没有考虑涌浪的订正问题。

  四、结 语

  1.妈湾海区的常波向为SSE,SE,强波向为SSW-NNW。本海区的涌浪和混合浪的频率极小,几乎全是风浪控制。年平均波高为0.2m。台风是产生妈湾港区大浪的唯一因素,由两次台风所得最大波高分别是1.0m及1.62m。可见,本海区波浪强度是不大的。

  2.文中用两种方法推算不同重现期大风所产生的极值波浪,两种结果比较接近。用“规范”法推算的波高及周期值与有关资料比较,结果是令人满意的,可供设计单位参考。

  由于实测资料和风的资料系列偏短,推算方法亦不尽完善,文中推算的结果是初步的,有待日后在实践中验证。

  原载:热带海洋,1987,6(1)
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