港口及海岸工程防災(zāi)理論體系的研發(fā)及其應(yīng)用?

劉德輔， 劉桂林， 王鳳清， 王永發(fā)

(1.中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266003； 2.青島新前灣集裝箱碼頭公司，山東 青島 266555)

港口及海岸工程防災(zāi)理論體系的研發(fā)及其應(yīng)用?

劉德輔1， 劉桂林1， 王鳳清1， 王永發(fā)2

(1.中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266003； 2.青島新前灣集裝箱碼頭公司，山東 青島 266555)

本文介紹了中國(guó)自主研發(fā)的復(fù)合極值分布理論和多維復(fù)合極值理論30多年來(lái)在國(guó)內(nèi)外的引用和應(yīng)用，特別是2005年Katrina和2012年Sandy颶風(fēng)對(duì)新奧爾良市和新澤西州及紐約周邊帶來(lái)的災(zāi)難性破壞，以及2013年菲特臺(tái)風(fēng)誘發(fā)上海超警戒水位,都驗(yàn)證了1982及2006年使用上述理論預(yù)測(cè)結(jié)果的正確性。本文就該理論在海洋，海岸、港口等工程防災(zāi)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)用，對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)規(guī)范的防災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和建議。

臺(tái)風(fēng)災(zāi)害；復(fù)合極值分布；多維復(fù)合極值分布；海岸和港口工程；規(guī)范校核

隨著全球氣候變暖、海平面上升等因素加劇的趨勢(shì)，臺(tái)風(fēng)、巨浪、暴潮、暴雨、洪水巨災(zāi)已成為影響海岸、海洋、水利以及港口工程安全的重大問(wèn)題。世界氣象組織指出：百分之九十的自然災(zāi)害為極端氣象災(zāi)害，例如臺(tái)風(fēng)、颶風(fēng)，熱帶風(fēng)暴災(zāi)害。1975年尼娜臺(tái)風(fēng)在福建登陸，經(jīng)歷108 h北上至河南省,臺(tái)風(fēng)帶來(lái)的暖濕氣流遇到了北方的冷空氣，導(dǎo)致3天之內(nèi)降水量達(dá)到1 m，板橋水庫(kù)及下游62個(gè)水庫(kù)的潰決，17萬(wàn)多人死亡，1 200多萬(wàn)人受災(zāi)，百萬(wàn)公頃農(nóng)田被淹，京廣鐵路100多公里被毀。2006年桑美和碧利斯兩場(chǎng)臺(tái)風(fēng)共導(dǎo)致1 600多人死亡和失蹤，5 000多億經(jīng)濟(jì)損失。桑美臺(tái)風(fēng)誘發(fā)了7 m巨浪和3.8 m風(fēng)暴增水，導(dǎo)致沙埕港952只船舶沉沒(méi)，1 594只船舶毀壞。如果臺(tái)風(fēng)延后2 h登陸，則恰逢天文大潮，這種“三碰頭”的組合可完全淹沒(méi)包括若干個(gè)核電站在內(nèi)的福建、浙江大部分土地，其災(zāi)難性后果難以估量。這種小概率極端事件的發(fā)生是完全可能的。2013年10月8日臺(tái)風(fēng)菲特導(dǎo)致暴雨洪水、風(fēng)暴潮，受天文大潮頂托的共同影響，黃浦江沿線(xiàn)水位上漲迅速，下午2時(shí)05分，吳淞口實(shí)測(cè)水位達(dá)5.15 m，超過(guò)按國(guó)家規(guī)范計(jì)算的警戒水位0.35 m線(xiàn)[1]。

長(zhǎng)期以來(lái)，由于概率統(tǒng)計(jì)理論和方法上的限制，在港口、海岸、近海及河口城市防護(hù)工程的設(shè)計(jì)仍停留在對(duì)實(shí)測(cè)資料年最大值概率分析基礎(chǔ)上，假定年最大值服從某種分布(Gumbel，Weibull或P-Ⅲ型分布等)，估計(jì)不同重現(xiàn)期對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)波高、水位、風(fēng)速作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)惡劣環(huán)境條件下多種荷載共同作用組合的問(wèn)題一直未得到妥善解決。一些沒(méi)有理論依據(jù)的模式和規(guī)定影響到概率預(yù)測(cè)的正確性和防災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)的合理性，導(dǎo)致極端氣候因素誘發(fā)的潰壩，決堤巨災(zāi)時(shí)有發(fā)生[2]。

1 復(fù)合極值分布理論(CEVD)及多維復(fù)合極值分布理論(MCEVD) 的建立

自1978年代初交通部“海港水文規(guī)范編寫(xiě)組”成立以來(lái)，進(jìn)行了全國(guó)各地港口的調(diào)查研究，特別是1972年3號(hào)臺(tái)風(fēng)重創(chuàng)大連港，有效波高6.8 m，超過(guò)了1896年的臺(tái)風(fēng)巨災(zāi)，導(dǎo)致大連海域的空前損失,更進(jìn)一步加深了對(duì)臺(tái)風(fēng)波浪長(zhǎng)期概率預(yù)測(cè)重要性的認(rèn)識(shí)，啟發(fā)我們開(kāi)展了針對(duì)臺(tái)風(fēng)特征進(jìn)行臺(tái)風(fēng)影響海區(qū)設(shè)計(jì)波浪(及其他致災(zāi)因素)概率預(yù)測(cè)理論和計(jì)算方法的研究。

鑒于國(guó)內(nèi)外慣用年極值系列按照某種概率模式(如P-Ⅲ型、Gumbel,Weibull分布)外延推求不同重現(xiàn)期設(shè)計(jì)值的作法存在的弊端——遺漏了每年各次臺(tái)風(fēng)致災(zāi)因素提供的重要信息，影響到概率預(yù)測(cè)結(jié)果的置信度，考慮到臺(tái)風(fēng)影響不同海區(qū)每年出現(xiàn)的頻次各不相同，可用離散型隨機(jī)變量及相應(yīng)的離散型概率分布表示；臺(tái)風(fēng)誘發(fā)的致災(zāi)因素(風(fēng)速、增水、波高等)可用連續(xù)型極值分布表示，二者的組合在順序統(tǒng)計(jì)學(xué)和測(cè)度論的理論基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可構(gòu)成一種新的極值分布模式——復(fù)合極值分布(簡(jiǎn)稱(chēng)CEVD)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果，臺(tái)風(fēng)(颶風(fēng))影響各海區(qū)的頻次符合Poisson分布，臺(tái)風(fēng)(颶風(fēng))波浪的不同特征可分別采用Gumbel和Weibull分布，可構(gòu)成Poisson-Gumbel CEVD分布(用于中國(guó)臺(tái)風(fēng)影響海域)[3]和Poisson-Weibull CEVD分布(用于美國(guó)墨西哥灣和大西洋沿岸)[4]。

1.1 Poisson-Gumbel復(fù)合極值分布(CEVD)

當(dāng)臺(tái)風(fēng)頻次為泊松分布，波高符合Gumbel分布時(shí)，可簡(jiǎn)化為：

HP=u+XP/α。

(1)

1.2 多維復(fù)合極值分布(MCEVD)的理論求解及應(yīng)用

在上述復(fù)合極值分布理論的基礎(chǔ)上進(jìn)一步建立了一個(gè)新的理論分布模式：多維復(fù)合極值分布模式，既考慮了不同海區(qū)每年臺(tái)風(fēng)(颶風(fēng)，熱帶風(fēng)暴)出現(xiàn)的頻次，又考慮了它們誘發(fā)的多種極端海況(風(fēng)速、波高、周期、風(fēng)暴潮、海流等)出現(xiàn)的概率特性。前者可構(gòu)成一種離散型分布，后者則可用不同的多維聯(lián)合極值分布表達(dá)，從而構(gòu)成離散型分布與多維聯(lián)合極值分布組合而成的新分布—多維復(fù)合極值分布。以三維復(fù)合極值分布為例，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，當(dāng)臺(tái)風(fēng)頻次為Poisson分布時(shí)，三維泊松復(fù)合極值分布的表達(dá)式如下：

(2)

式中：g(x,y,z)可為任何一種三維聯(lián)合概率密度函數(shù)；G1(u)為分布函數(shù)。

新理論自1980年在國(guó)外重要學(xué)術(shù)刊物公開(kāi)發(fā)表后，得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界的重視、引用和應(yīng)用。30多年來(lái)，CEVD模式不僅正式列入了中國(guó)教育部港工專(zhuān)業(yè)、海工專(zhuān)業(yè)全國(guó)統(tǒng)編教材的正式內(nèi)容，并在近40項(xiàng)工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)波浪推求中得到應(yīng)用。 在國(guó)家防汛抗旱總指揮部辦公室委托項(xiàng)目“中國(guó)沿海臺(tái)風(fēng)災(zāi)害區(qū)劃、防臺(tái)風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)急制定、防臺(tái)風(fēng)應(yīng)急評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)制定”中，研發(fā)了基于多維復(fù)合極值分布理論的“雙層嵌套多目標(biāo)聯(lián)合概率模式”(簡(jiǎn)稱(chēng)DLNMOPM)，用于沿海各區(qū)防臺(tái)風(fēng)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的概率預(yù)測(cè)及災(zāi)害區(qū)劃，2008年經(jīng)國(guó)家防辦組織專(zhuān)家驗(yàn)收，下達(dá)執(zhí)行。同年，交通部在國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“海港水文規(guī)范”(JTJ213-98)修訂稿中(2013年出版)正式采用了“復(fù)合極值分布理論”作為設(shè)計(jì)波高概率預(yù)測(cè)的理論和方法，首次取代了該國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中持續(xù)使用近四十年的P-Ⅲ型曲線(xiàn)[5-9]；此外，在美國(guó)墨西哥灣及大西洋沿岸、加拿大、尼羅河三角洲的波候、地中海及新加坡的波況和風(fēng)況，挪威和韓國(guó)極端海況研究等多項(xiàng)工程中都得到應(yīng)用[10-18]。

1.3 2005 、2012美國(guó)兩場(chǎng)颶風(fēng)重災(zāi)及2013中國(guó)菲特臺(tái)風(fēng)災(zāi)害，驗(yàn)證了CEVD和MCEVD 1982和2006預(yù)測(cè)結(jié)果的正確性

2005年美國(guó)發(fā)生的Katrina颶風(fēng)重災(zāi)，對(duì)新奧爾良的毀滅性破壞，導(dǎo)致新奧爾良市毀滅性破壞，1 800人死亡，800億美元經(jīng)濟(jì)損失。颶風(fēng)的強(qiáng)度和特征不僅驗(yàn)證了使用復(fù)合極值分布理論模式1982年預(yù)測(cè)結(jié)果的正確性(見(jiàn)表1)，也顯示了2005災(zāi)后使用MCEVD復(fù)核結(jié)果的合理性(見(jiàn)文獻(xiàn)[19]中圖8)，同時(shí)也表明美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)制訂的上述海區(qū)防災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)—可能最大颶風(fēng)(PMH)和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)颶風(fēng)(SPH)過(guò)低，是巨災(zāi)的主要誘因,這一事實(shí)已得到公認(rèn)[1-2]。2008年美國(guó)佛羅里達(dá)國(guó)際颶風(fēng)研究中心在海岸防護(hù)颶風(fēng)災(zāi)害工程設(shè)計(jì)中，引用了作者的4篇論文[1,3-5]正式用作防護(hù)颶風(fēng)災(zāi)害設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)[20]

2012年10月30—31日桑迪颶風(fēng)重現(xiàn)堤壩沖毀，特拉華州，新澤西州及紐約周邊大面積淹沒(méi)，大量人員傷亡，數(shù)百億美元經(jīng)濟(jì)損失，再次驗(yàn)證了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和工程結(jié)構(gòu)是致災(zāi)的主要誘因。作者對(duì)上述海區(qū)颶風(fēng)強(qiáng)度預(yù)測(cè)成果再次得到證實(shí)(見(jiàn)文獻(xiàn)[19]圖8)。

表1 墨西哥灣A區(qū)卡特里娜颶風(fēng)強(qiáng)度概率分析(按文獻(xiàn)[19]圖8計(jì)算)Table 1 Comparison between NOAA and CEVD predicted value (by [19],Fig.8 calculated) /hPa

Note：①Zone number；②Hurrieane example；③Gulf of Mexico Zone A

颶風(fēng)的強(qiáng)度和特征，驗(yàn)證了使用復(fù)合極值分布理論1982年預(yù)測(cè)結(jié)果的正確性(見(jiàn)表1)。圖1則為作者使用2002年以來(lái)新開(kāi)發(fā)的MCEVD分析颶風(fēng)及其誘發(fā)的災(zāi)害性海況，顯示2005年以前美國(guó)不同學(xué)者公開(kāi)發(fā)表對(duì)上述海域預(yù)測(cè)成果，明顯低于MCEVD的預(yù)測(cè)值(見(jiàn)文獻(xiàn)[9]中圖6)。MCEVD的預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，重現(xiàn)期100年一遇的風(fēng)速3區(qū)(新奧爾良區(qū))與2005卡特里娜颶風(fēng)狀況相近，明顯高于設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)；8-9區(qū)(新澤西，紐約沿岸)則與2012年桑迪颶風(fēng)最大風(fēng)速相近 (見(jiàn)表2)。

圖1 100年一遇的極端風(fēng)速對(duì)比PNLTCED 及美國(guó)學(xué)者的概率預(yù)測(cè)[19.圖.8]Fig.1 100 years return period for extreme wind velocities by different predicted results

同樣，如圖2所示，1982年預(yù)測(cè)的風(fēng)暴增水(見(jiàn)文獻(xiàn)[4]中的圖8)，費(fèi)城周邊(圖中虛線(xiàn))100年一遇風(fēng)暴增水達(dá)到10Ft(3 m),完全為2012年桑迪颶風(fēng)對(duì)新澤西，紐約，特拉華州大面積淹沒(méi)的事實(shí)所證實(shí)。

2 多維復(fù)合極值分布理論在河口、海岸城市防災(zāi)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)用

多維復(fù)合極值分布模型在推算上海市防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)用：上海地處長(zhǎng)江入海口處，防洪水位極受重視，有關(guān)部門(mén)多次提高防洪標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)采用千年一遇水位5.86 m。針對(duì)‘中國(guó)臺(tái)風(fēng)年鑒’1949—1987年資料，吳淞受臺(tái)風(fēng)影響期間的實(shí)測(cè)水位經(jīng)過(guò)風(fēng)險(xiǎn)分析得出，在極端環(huán)境條件下影響上海市防洪水位的主要因素為長(zhǎng)江下泄洪峰和風(fēng)暴增水與天文大潮同時(shí)發(fā)生的“三碰頭”組合。計(jì)算結(jié)果考慮臺(tái)風(fēng)暴潮，暴雨洪水與天文大潮的組合，2006年使用MCEVD計(jì)算的百年一遇預(yù)測(cè)結(jié)果如表3、4所示，已超過(guò)防護(hù)工程500年一遇超警戒水位設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。10月8日，受天文大潮頂托、上游洪水下泄，本地大暴雨和臺(tái)風(fēng)暴潮的共同影響，水位上漲迅速，14：05吳淞實(shí)測(cè)水位達(dá)5.15 m，超過(guò)警戒水位0.35 m。

表2 不同方法預(yù)測(cè)結(jié)果比較(見(jiàn)文獻(xiàn)[19].圖.8)Table 2 Comparison Predicted Results by Different Mrthods([19],Fig.8)

Note：①Comparison Predicted Results by Different Marthods；②Predicted 100-yrs return period wind speed for New Orleans(3 zone)；③Predicted 100-yrs return period wind speed for New Jersey and New York coastal areas(9 zone)

圖2 美國(guó)大西洋沿岸各區(qū)不同重現(xiàn)期風(fēng)暴增水1982年預(yù)測(cè)結(jié)果([4]中圖8)

表3 吳淞港防洪水位Table 3 Design water level at Wuson datum plane

Note：①Joint return period；②Flood；③Storm surge；④Astronomical tide；⑤Design water level

由表可見(jiàn)，按單因素外延的千年一遇上海防洪水位5.86 m僅相當(dāng)于考慮臺(tái)風(fēng)頻次，風(fēng)暴潮、天文大潮、長(zhǎng)江上游洪水的聯(lián)合重現(xiàn)期百年一遇值。正如Kirby和Moss在“美國(guó)洪水概率分析總結(jié)”一文中指出:“將基于事件取樣和聯(lián)合概率結(jié)合起來(lái)將大大推動(dòng)特大洪水概率預(yù)測(cè)的發(fā)展”[10], 而MCEVD理論的立論依據(jù)與Kirby和Moss所期待的特大洪水預(yù)測(cè)模式發(fā)展方向不謀而合。 即每年臺(tái)風(fēng)過(guò)程取樣較傳統(tǒng)理論方法的年最大值取樣，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)取樣方法，概率預(yù)測(cè)結(jié)果的置信區(qū)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于年最大值取樣預(yù)測(cè)值的置信區(qū)間，由此可見(jiàn)，應(yīng)用復(fù)合極值理論預(yù)測(cè)結(jié)果在相應(yīng)的置信區(qū)間范圍內(nèi)，必然高于傳統(tǒng)理論年最大值預(yù)測(cè)結(jié)果。因此, MCEVD預(yù)測(cè)結(jié)果較傳統(tǒng)方法更為合理的結(jié)論也就不言而喻了。

表4 臺(tái)風(fēng)暴潮，暴雨洪水與天文大潮MCEVD和傳統(tǒng)外延法預(yù)測(cè)結(jié)果比較Table 4 Cpmparison between MCEVD and traditional method predicted extreme water level for Shanghai

Note：①M(fèi)odel；②Return period；③Design value；④Tradional method(P-3 model)；⑤Shanghai warning water level(P-3 model)；⑥Typhoon Fitow induced Wuson port observd sea level

3 建議

(1)Katrina颶風(fēng)帶來(lái)巨大災(zāi)害的教訓(xùn)，對(duì)海岸，港口工程的防災(zāi)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的確定，特別是濱海核電站防護(hù)工程的安全非常重要，全盤(pán)翻譯引用國(guó)外規(guī)范的隱患，必須引以為鑒[19]。

(2)鑒于沿海港區(qū)大風(fēng)導(dǎo)致港內(nèi)集裝箱垜倒塌事故時(shí)有發(fā)生，例如：2014年8月鹽田港幾十個(gè)集裝箱遭臺(tái)風(fēng)襲擊，很多民房破壞，造成500多萬(wàn)損失：2010年8月蕪湖港臺(tái)風(fēng)導(dǎo)致兩座門(mén)吊倒塌，造成2死1傷：2005年Octavia輪?？繉幉ū眮龈?，溫帶氣旋襲擊，波高7～8 m，造成集裝箱損失。建議針對(duì)所在海域臺(tái)風(fēng)或極端海況可能誘發(fā)影響集裝箱垜安全的外荷研究和制訂港區(qū)安全規(guī)范。

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StudyonHarbourandCoastalEngineeringDisasterPrediction:TheoryandApplication

LIU De-Fu, LIU Gui-Lin, WANG Feng-Qing, WANG Yong-Fa

(1.College of Engineering, Ocean University of China,Qingdao 266003,China; 2.Qingdao New Qianwan Container Terminal Co.,Ltd.Qingdao 266555,China)

This paper introduced our proposed unit-variant and multivariate compound extreme value distribution (CEVD and MCEVD) models. It is showed that all the planned, designed and constructed coastal infrastructures accepted the traditional safety regulations are menaced by possibility of future typhoon/hurricane disasters and cannot satisfy the safety requirements with the increasing tendency of the extreme natural hazards in the past 35 years. 2005 hurricane Katrina, Rita and 2012 hurricane Sandy induced disasters proved 1982 CEVD and 2006 MCEVD predicted extreme hazards in New Orleans, Gulf of Mexico and Philadelphia areas. 2013 typhoon Fitow induced disaster in China also proved MCEVD 2006 predicted results. This paper shows that all the planned, designed and constructed coastal infrastructures accepted the traditional safety regulations are menaced by possibility of future typhoon/hurricane disasters and cannot satisfy the safety requirements with the increasing tendency of the extreme natural hazards.

Typhoon disaster; CEVD;MCEVD; coastal and port engineering; design code calibration

U656.2

A

1672-5174(2018)02-091-05

10.16441/j.cnki.hdxb.20170162

劉德輔， 劉桂林， 王鳳清， 等. 港口及海岸工程防災(zāi)理論體系的研發(fā)及其應(yīng)用[J]. 中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2018, 48(2): 91-95.

LIU De-Fu, LIU Gui-Lin, WANG Feng-Qing, et al. Study on harbour and coastal engineering disaster prediction:Theory and application[J]. Periodical of Ocean University of China, 2018, 48(2): 91-95.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于多目標(biāo)四層嵌套概率模式的海岸工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究”(51379195)；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目“海岸工程多目標(biāo)三層嵌套聯(lián)合概率預(yù)測(cè)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模式研究”(ZR2013EEM034)資助

Supported by National Natural Science Foundation of China for the Project “Coastal Engineering and Risk Assessment Based on A Four-Layer Nested Multi-Objective Probability Model” (51379195)；Natural Science Foundation of Shandong Province for the Project “Three-Layer Nested multi-Objective Probability Prediction and Risk Assessment in Coastal Engineering” (ZR2013EEM034)

2017-04-10；

2017-05-11

劉德輔(1936-)，男，博導(dǎo)。E-mail：liu@ ouc.edu.cn

責(zé)任編輯 龐 旻