張亞敬 姜云鵬 徐亞男 張維

摘 要：孟加拉灣是21世紀海上絲綢之路的重要海區(qū)，也是熱帶氣旋多發(fā)的海區(qū)。本文分析了孟加拉灣東海岸的風與波浪特征，提出用代表波高來描述該海區(qū)的年均波浪強度，并對波高極大值應進行重現(xiàn)研究。對港址的選擇、波浪設計要素的推算和防浪工程設計有指導意義，為一帶一路近岸港口、電廠以及島橋建設提供基礎數(shù)據(jù)及研究新經(jīng)驗，為近岸工程規(guī)劃、立項、實施提供決策依據(jù)，保證工程建設取得預期成果。

關鍵詞：孟加拉灣;波浪特征;建港技術

中圖分類號：U652? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）03-0157-04

孟加拉灣作為21世紀海上絲綢之路的重要海區(qū)，同時又是熱帶氣旋的多發(fā)海域，每年都會受到風暴潮的侵襲，是世界上受風暴潮影響最嚴重的海區(qū)之一。風暴潮及伴隨的大浪對海岸地區(qū)安全具有直接威脅。因此，科學分析孟加拉灣海域的風浪特征，為海岸開發(fā)建設與航運安全提供基礎參數(shù)，對孟加拉灣海上工程的開展和實施具有十分重要的意義。

孟加拉灣位于印度洋北部，西臨印度半島，東臨中南半島，經(jīng)馬六甲海峽與泰國灣和南海相連。面積217萬km2，平均水深為2586m，最大深度5258m，總?cè)莘e為561.6萬km3 ，它的深海盆大致呈“U”字形，是世界第一大海灣。孟加拉灣普遍存在浪大周期長，潮流動力復雜等特點。目前眾多工程項目面臨如下風險：港池航道泥沙淤積嚴重、取水水深難以保證，驟淤風險大;海洋潮流動力強，電廠取水溫升面臨風險;孟加拉灣是世界上遭受熱帶風暴、洪水和海平面上升最嚴重的地區(qū)，海上過駁作業(yè)與碼頭作業(yè)均面臨達不到工程需要的情況。因此準確評估海灣水動力環(huán)境條件，可以為港口工程建設提供綜合決策。

1孟加拉灣海岸的波浪強度分析

海洋中波浪可以劃分為3種不同的波浪形態(tài)，即風浪、涌浪和混合浪，混合浪是風浪與涌浪疊加而成的波浪。對風條件進行分析是研究該海域波浪的前提，波浪的年均強度和多年大浪統(tǒng)計值是反映該海區(qū)波浪特征的最主要參數(shù)。

1.1季風

由于海陸間存在的熱力差異，隨著季節(jié)變化而引起高、低壓中心和風帶的移動，冬、夏兩季的季風盛行方向幾乎相反，夏季由海向陸吹，冬季由陸向海吹[1]。北印度洋是世界上最顯著的季風區(qū)，其具有明顯的熱帶海洋性和季風性特征。孟加拉灣主要受季風的控制，一季度印度洋NE風盛行，受季風影響孟加拉灣海域以NE風為主，二季度由NE季風轉(zhuǎn)變?yōu)镾W;三季度在SW季風的影響下，孟加拉灣的風向以SW方向為主;四季度季風由SW季風轉(zhuǎn)向為NE為主導。北印度洋上涌浪的大小和方向受季風控制，SW涌浪發(fā)生在SW季風期間。

1.2 臺風

臺風浪給海上施工、航海、漁業(yè)和軍事活動等帶來災害。當臺風浪傳播到近岸會沖跨摧毀堤岸、港口碼頭以及海上建筑物，給人類造成巨大的損失，致使各種水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)遭受巨大經(jīng)濟損失[2]。根據(jù)美國大氣海洋局提供的熱帶氣旋資料，1977年至2017年孟加拉灣海域生成的熱帶氣旋共151個，平均每年生成3.68個熱帶氣旋。臺風的路徑很是復雜，非常難找到兩個完全一致的臺風路徑。在151場熱帶氣旋中，其中有57場臺風對孟加拉灣東海岸產(chǎn)生影響，約占總數(shù)的38%。此外孟加拉灣海域熱帶氣旋的年際變化特征較大，其中1992年熱帶氣旋最多達到9次。

從季節(jié)分布來看，孟加拉灣熱帶氣旋在秋季（9月、10月、11月）發(fā)生的頻數(shù)最多，期間共發(fā)生的次數(shù)為80次，約占總數(shù)的52.98%，超過了其他的熱帶氣旋發(fā)生頻數(shù)的總和（71個）;春節(jié)與冬季的頻數(shù)相差無幾，均多于夏季熱帶氣旋發(fā)生的次數(shù)。孟加拉灣熱帶氣旋月變化及強度分布見圖4和圖5。從月份分布來看，孟加拉灣的熱帶氣旋呈現(xiàn)出明顯的雙峰值的變化特征，峰值分別出現(xiàn)在5月和11月;強氣旋風暴、特強氣旋風暴和超級氣旋風暴較多發(fā)生在4月、5月、10月和11月，超級氣旋風暴較多。

1.3孟加拉灣東海岸的波浪年均強度

波浪的年均強度體現(xiàn)了該區(qū)海洋水動力的主強度，是水域?qū)挾?、風和地形特征的綜合體現(xiàn)，是判斷波浪動力的主要指標。本研究通過多向能量加權得到一個代表波高值作為波浪年平均強度。

式中：為波浪年平均強度;為i向波浪出現(xiàn)頻率;為i向平均波高;i代表出現(xiàn)的16個方位。

1.4孟加拉灣海岸的最大波高

最大波高以及強浪向等是反映海岸強浪的主要參數(shù)，是海岸工程設計和安全穩(wěn)定的基礎資料，與工程造價具有直接影響。孟加拉灣東海岸的最大波高往往是由臺風引起的，在臺風期間由臺風引起的臺風浪在波向上具有不確定性以及水深地形對波浪傳播的影響，從而導致最大波高無法通過數(shù)值模型模擬的方法來獲取。此外，大浪不單純只是風浪或者涌浪，而是有兩者共同組成的混合浪，同時還包含波浪繞射、折射以及反射而產(chǎn)生的多種波的重疊。如果此時對大浪進行統(tǒng)計劃分，并以此作為大浪的驗證依據(jù)來推算孟加拉灣海域的波浪特征，這種結(jié)果通常是不可信的。統(tǒng)計的孟加拉灣東海岸的波高的平均值及最大值表現(xiàn)在表2中。觀測數(shù)據(jù)隨著時間的變化也在不斷的更新中，因此平均值以及最大值也會隨之變化。由于孟加拉灣作為臺風的多發(fā)海區(qū)，當有臺風經(jīng)過東海岸時，也會出現(xiàn)較大的波浪數(shù)據(jù)出現(xiàn)，因此如何準確的獲取臺風期間最大波高的數(shù)值和方向是評價大浪最根本的依據(jù)。

2孟加拉灣東海岸建港中需要注意的問題

2.1波要素分析依據(jù)

海岸工程設計波浪標準包括兩個方面：一個是重現(xiàn)期標準，另一個是波列累計頻率標準。在港口工程設計中有兩種基本方法來推求某一重現(xiàn)期的設計波浪，其中第一種方法是“浪推浪”，即根據(jù)建港海域觀測站提供的多年累計的波浪觀測資料，經(jīng)過統(tǒng)計分析來獲得平均波高、有效波高、顯著波高等特征波，采用威布爾分布、皮爾遜Ⅲ型曲線或瑞利分布等數(shù)學統(tǒng)計的方法進行波浪分布規(guī)律的分析，根據(jù)統(tǒng)計出的分布規(guī)律來最終確定不同重現(xiàn)期的設計波浪。實測波浪資料是波要素統(tǒng)計分析的最直接依據(jù)，是對觀測水域波浪特點、水下地形、掩護情況的綜合體現(xiàn)。一般對離岸向應進行風浪修正，對順岸向應進行折射修正，對有掩護情況應進行繞射修正，對大波進行地形與破碎修正[3]。

第二種方法是“風推浪”，在無法獲得建港海域的觀測數(shù)據(jù)時，可以采用建港海域氣象臺的風況資料或者天氣圖。通過分析建港海域風、浪要素的相互關系后報出某一時刻的波浪要素，然后再利用第一種方法來確定不同重現(xiàn)期的設計波浪。當采用“風推浪”計算時應當進行風向與浪向一致性的分析，因為大多數(shù)的情況表明浪向與風向在16個方位的分布頻率上存在著明顯的不同，所以在涌浪所占的比例很高或者波浪的折射現(xiàn)象影響較大時，不建議采用“風推浪”的計算方法。

孟加拉灣東海岸受臺風影響的比較頻繁，直接決定了該海區(qū)的重現(xiàn)期波浪要素。由于各種計算模式仍然處于研究階段，還沒有十分明確的臺風浪要素推算方法。多數(shù)學者通常采用理論風場模型以及聯(lián)合風場對臺風浪[4-7]作進一步的研究。為了準確地推算臺風波浪要素，不僅應該考慮臺風風場中最大風速半徑以及移行風速等因素，還應該考慮到臺風期間大浪、風暴增水以及各類臺風出現(xiàn)頻率等問題的研究。

在波要素統(tǒng)計分析中，還應分析工程區(qū)不同水位對波浪傳播的影響。當波浪向近岸淺水區(qū)傳遞時，因水深變化以及底坡摩擦等原因，波高、波向等發(fā)生變化，需進行波浪淺水變形計算。深水區(qū)波浪進入淺水區(qū)時，底坡摩擦使波高減小，同時水深漸淺使波高增大[8]。因此在進行波要素統(tǒng)計分析時應該先將其推至深水區(qū)，再考慮不同的水位進行工程區(qū)的波要素。

2.2波浪周期

長周期波浪通常波高不高，一般小于1.5m，不同于一般風浪及短周期涌浪，但周期與波長較長，波速較大，在水平方向上能量較大并極具穿透性，能夠穿透可透浪防波堤而對港內(nèi)水動力環(huán)境產(chǎn)生顯著影響，對港口建筑物的破壞力極大[9]。楊憲章[10]認為長周期波的波高較小，一般在幾十厘米以下，但其波長較長、波速較大，所以在水平方向上水的流動性很大，具有相當大的波動能量。姜云鵬等人認為[11]在長周期波海區(qū)，波浪能量大，爬高水體在胸墻前發(fā)生急劇破碎，對胸墻形成的瞬間沖擊力會非常大，對整體穩(wěn)定性不利。劉艷等人認為在港口工程設計中，須特別注意長周期波對系泊穩(wěn)定的影響，系泊穩(wěn)定允許波高須經(jīng)充分論證[12]。隨著業(yè)內(nèi)對長周期波影響的深入了解，在考慮波浪條件時波周期是一個敏感的要素?，F(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)卻往往缺少波周期。因此，在進行波周期分析時應注意波浪成因的區(qū)別。大浪往往是風浪與涌浪的混合，運用目前在涌浪基礎上疊加風浪計算出的波周期反映了兩組波線性疊加時的波面特征，但其作為統(tǒng)計值，往往掩蓋了不規(guī)則波浪大波時的周期特征，數(shù)值上是偏小的[2]。

在孟加拉灣海域幾乎不存在由地震而引發(fā)的長波現(xiàn)象，所以波高與周期之間呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性特征。利用上述規(guī)律，可推算已知波高情況下對應周期或者運用已有的風浪周期與波高統(tǒng)計規(guī)律進行計算，以上方法適用于在開闊型水域的近岸波要素計算。受到安達曼海島嶼的掩護，可在海灣內(nèi)發(fā)展大型開敞式碼頭，同時也應該考慮到臺風的影響，適當增加港口建筑物等級以避免破壞或損失。

3結(jié)語

（1）孟加拉灣東海岸同時存在季風和臺風的影響，因此風浪與涌浪共同影響使得在對孟加拉灣東海岸各地區(qū)建港條件分析時，波浪特點、強度和防護措施具有較大差異。在孟加拉灣東海岸進行港口、電廠以及島橋建設時應該綜合考慮季風、臺風、地形以及涌浪等因素。

（2）波浪極值資料是影響工程設計參數(shù)的主要因素，應對這些資料進行重現(xiàn)期分布研究。除波高之外，波向與波周期也應結(jié)合工程特點進行分析。臺風浪、季風浪和浪向頻率分布規(guī)律對港口選址規(guī)劃的選擇具有重要意義。

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基金項目：2019年度交通運輸行業(yè)重點科技項目（2019-GH-002）;2019中央科研單位創(chuàng)新基金項目（TKS190304）;中國交通建設集團科技研發(fā)項目（2018-ZJKJ-01）。