海岸动力环境与新型结构的水动力模拟分析方法

2017 年 10 月 27 日 科学出版社 李华军等

我国拥有18000多千米大陆海岸线，沿海区域拥有丰富的矿产、渔业、湿地、旅游等资源，是经济与社会发展的重要区域。随着经济的发展，海洋资源开发利用与环境承载力之间的矛盾日益凸显，海岸带的可持续开发利用面临着严峻的挑战。

海岸带地处海陆交汇地带,陆地与海洋相互作用显著,动力条件复杂,波浪、潮流、风暴潮、径流等因素之间存在着强非线性耦合作用,海岸蚀退、淹没、结构物破坏等灾害频发。尤其是近年来，在全球气候变化的影响下,海洋灾害频次和强度有增加的趋势,严重威胁沿海地区的经济社会生活。此外，滨海湿地作为天然的海岸防护屏障和重要的生态环境系统，也在人类活动和海平面上升的影响下，变得愈发脆弱。

海洋资源开发与生态环境保护是海岸带发展的两个重要方面。人类开发利用海洋资源的工程设施由最初单纯的被动式海岸防护结构,到码头、路岛工程、跨海桥隧等资源开发综合设施,再到人工沙滩、亲水型护岸、透空式进海路等环境友好型设施。结构形式也由单一满足安全与基本功能要求的不透水结构,发展为适用于环境敏感区的透空式亲水结构。随着人类海岸开发技术水平和对滨海亲水生活要求的提高,海岸工程建设不但对安全性和经济性提出了更高要求,也越来越关注工程对环境产生的负面影响。环境友好型海岸工程建设技术已成为学术研究和工程设计、施工的热点与难点。

综上所述,亟须发展安全、经济、环保的海岸工程建设技术，包括海岸动力环境模拟技术和新型结构物设计理论。前者既可为海岸结构物提供环境荷载设计标准，又能够预测工程实施对区域动力环境演变的影响,为工程建设的环境可行性分析提供依据。后者则需要利用前者所确定的环境荷载参数,结合理论分析、数值模拟与物理模型试验,进行结构的水动力特性与基础淘刷分析,为工程设计提供依据。

海岸工程动力环境数值模拟与分析技术

海岸工程动力环境计算分析是海岸工程建设的关键前提，可以为工程设计提供环境荷载设计标准，并可为工程可行性研究提供工程环境影响预测分析。

海岸区水深地形复杂，潮流、波浪、风暴潮、泥沙运动等不同时空尺度动力因素间的非线性耦合作用显著，海岸工程的水动力环境与海床冲淤演变数值模拟极为困难。

基于质量守恒和牛顿第二定律所得到的Navier-Stokes方程（简称N-S方程）是流体运动的基本方程。然而，完整的N-S方程求解起来十分复杂且耗时巨大。海岸环境中的多数流动问题，如潮波、风暴潮、海啸等，其垂向尺度（数米至数百米）远小于水平尺度（数百千米至数千千米），因此可归为“浅水流动”问题。在浅水流动中，静压假设成立，即认为在垂向上流体重力与垂向压强梯度力平衡，垂向加速度和其他作用力的垂向分量可忽略不计，自由水面仅为地点的函数。据此可将原始的N-S 方程简化为静压方程。与原始N-S方程相比，该方程求解过程明显简化，计算速率也显著提升，可用于海岸区域大范围的水动力计算。

当垂向流速较小时，假设水平流速在垂直方向均匀分布，将N-S方程沿水深积分，则可以得到经典的浅水方程。浅水方程为平面二维模型，可以计算得到水面高度和水深平均流速；静压方程又称准三维方程，可以计算得到垂向流速和水平流速的垂向结构。静压方程和浅水方程是海岸工程领域中水动力模型的控制方程。

1973年，Leendertse等首先开展了三维水流数值模拟的研究工作，提出了模拟三维水流的分层方法。Leendertse在垂直方向采用固定分层法，在每层中沿水深积分使之成为二维问题，并用ADI格式进行数值离散。1985年，赵士清也提出了将水体空间在垂向上划分为若干层，将求解三维问题简化为求解一系列二维问题，各层之间通过内摩擦阻力来连接，这些数值模型是三维模型最初的基本特征和研究方法。后来，为了更好地模拟海底地形的变化，Philips提出的垂向σ坐标变化被应用到河口与海岸三维模型中，亦称为垂向伸缩坐标系统，这种垂直坐标系统可以在不同的水深处进行均匀分层，而且岸边界的处理也变得极为方便。应用较为广泛的这类模型有普林斯顿大学的POM模型、意大利的TRIM3D模型、荷兰代尔夫特理工大学的DELFT3D模型、美国威廉玛丽学院的SCHISM模型、美国麻州大学研发的FVCOM模型、ROMS基础上发展的COAWST模型、欧洲的水动力与生态耦合模型COHERENS等一系列海洋动力数值模型。国内，海岸、河口数值模型发展和应用方面也做了很多有意义的工作。

随着数值计算方法的发展与解决实际问题的不同需求，河口海岸模型的数值方法也不尽相同。按照数值离散方法，可分为有限差分法、有限元法、有限体积法；按照网格形状，可分为矩形、三角形、多边形、曲线正交网格和混合网格；按照时间差分格式，可分为显式、隐式、半隐式等。针对激波、不连续流等问题，有TVD格式、Godunov格式、间断伽辽金格式等；针对跨尺度问题，有非结构网格、动态自适应网格、多重网格和亚网格等技术方法。这些数值方法的发展使得海岸模型的计算精度、计算效率获得了大幅的提高，在海岸工程领域的应用也更加广泛。

尽管经历了40余年的发展与完善，但是随着人们对海岸动力过程理解的深入和数值方法的发展，海岸动力环境模拟仍然是海岸工程领域的研究热点，尤其在多动力因素相互作用机制与耦合方法，以及多尺度问题的高精度、高效率模拟技术等方面。

在波浪设计标准的数值推算与分析方面，极端台风浪模拟主要使用再分析风场或者Holland台风模型风场。但波浪场模拟结果精度不高，尤其是台风路径附近。在波浪后报结果统计分析方面，样本选取和重现期推算多采用年极值法。该方法由于每年仅有一个极值，样本数据量不够大，单个样本数据发生的偶然性可显著影响长重现期波浪推算结果的稳定性和准确性。海岸区波浪、海流、泥沙运动等多种动力因素耦合共存，对海岸动力过程的准确模拟形成了很大的挑战。针对上述问题，《海岸动力环境与新型结构的水动力模拟分析方法》中探讨波浪影响下的表面风拖曳力与海底剪切应力、悬沙对湍流衰减作用以及风暴潮漫滩过程中的波浪作用机制。在此基础上，基于COHERENS模型，联合第三代波浪模型SWAN，构建波浪、海流、泥沙耦合模型，并进一步介绍该模型的实际工程应用案例。

滨海湿地是海洋-陆地过渡区域的一种典型生态系统，其复杂的地貌形态和强烈的生态-地貌耦合过程使得传统海岸模型在该区域的应用面临着很多困难。《海岸动力环境与新型结构的水动力模拟分析方法》中介绍了可以合理考虑尺度小于计算网格的微地形特征（如细窄潮沟）的亚网格水动力模型，并以此为基础建立了综合考虑水动力-泥沙输运-地貌演变-植被演化之间相互作用的滨海湿地生态-地貌耦合模型。

新型海岸结构物水动力分析方法与设计理论

海岸结构物是开发、利用和保护海岸带空间与矿产资源的重要基础设施，其结构型式复杂多样，根据不同功能可以归为两大类。

一类是直接抵御波浪、风暴潮、海流等严酷的环境荷载，为海岸带、沿海基础设施、人类活动等提供掩护的海岸防护结构，主要包括海堤、护岸、防波堤等；

另一类则是海上交通以及海岸带资源开发的依托设施，主要包括码头、人工岛、进海路、跨海桥隧等。关于各类海岸结构物的详细功能和分类可以参考美国的Coastal Engineering Manual和我国的《海岸工程》等文献。各类海岸结构物的工程造价昂贵，一旦破坏，将造成巨大的人员伤亡、经济损失和环境破坏。新型海岸结构物研发及其安全设计、建造与运行维护技术，是目前海岸工程研究中的热点问题。

新型海岸结构物的发展与社会经济的发展以及工程建设水平的进步息息相关，特别是近二十年来，海岸带环境保护与可持续发展的需求日益强烈，海岸结构物由最初满足结构自身安全和基本功能的要求，发展为兼顾安全、环保、经济的新一代结构。Takahashi曾以防波堤为例，阐述了传统海岸结构物的发展历程：从公元前2000年埃及亚历山大修建的早期堆石防波堤开始，防波堤结构经历了从斜坡式到直立式的发展历程，具体而言就是从缓坡堆石结构到陡坡结构，从高基床复合型结构到低基床直立式结构，从斜坡堆石防波堤到复合型防波堤。Allsop详细梳理了英国直立式防波堤的发展历史。van der Meer总结了传统斜坡堆石结构的概念设计方法，Goda给出了直立式海岸结构物的工程设计方法，EurOtop中则详细给出了各类海岸结构物的波浪爬高和越浪量计算方法。可以看出，对于传统的直立式和斜坡式海岸结构物，其工程设计理论比较完善，工程建造和运行维护技术也相对比较成熟。

为降低结构物承受的波浪等环境荷载，提高结构的安全性，同时降低工程建设对海岸环境的负面影响，新型透空消能式结构逐渐成为目前海岸结构物的发展趋势。20世纪60年代，加拿大的Jarlan提出了开孔消能沉箱结构，就是将传统矩形沉箱的前墙开孔，波浪通过开孔墙进入消浪室消能，可以有效降低结构的波浪力、反射系数和越浪量。目前，矩形开孔沉箱结构已经在国内外各类工程中得到大量应用，取得了很好的工程效果。半圆型（开孔）沉箱则是另一种得到大量成功应用的新型海岸结构物。20世纪90年代日本宫崎港最早修建了半圆型防波堤的工程试验段，经过深入改进提高后，在我国天津港、长江口深水航道整治等工程中得到大量成功应用。目前，我国《防波堤设计与施工规范》（JTS 154-1—2011）已经在附录H和J中分别给出了矩形开孔沉箱和半圆型沉箱的波浪力工程计算方法。为满足现代海岸工程的发展需求，更多不同型式的透空消能式海岸结构物被开发应用于实际工程。例如，德国近年来注重采用亲和性的海岸防护型式，开发应用了移动式海堤、分离式挡浪墙等新型海岸结构物，工程应用效果显著。我国东营胜利油田滩浅海地区的动力环境复杂，海床冲刷剧烈，生态环境脆弱，“海油陆采”工程需要修建人工岛和进海路，为最大限度降低环境影响，提高结构抗冲刷能力，研发了全直桩透空式进海路结构，达到了兼顾安全、环保、经济的工程应用效果。

为研发各类新型海岸结构物，提高工程设计、建设和运行维护水平，降低海上工程的安全风险与环境风险，亟须发展高效的新型海岸结构物水动力分析方法和工程设计理论。研究海岸结构物的水动力特性，基本研究手段包括理论分析、计算流体力学数值模拟和物理模型试验。随着计算机能力的不断提高，可以通过求解N-S方程，建立数值波浪水槽（池），模拟、分析波流与结构物的相互作用过程，陶建华和Lin等在其论著中对计算流体力学数值模拟方法进行了详细介绍。特别是近年OpenFOAM等开源计算流体力学模型得到广泛验证和应用，为新型海岸结构物提供了有效的数值模拟工具。与数值模拟不同，解析（理论）或半解析方法的分析过程简单，物理意义明确，通过合理的简化和数学描述，能够阐明结构物水动力特性的基本变化规律，可以为工程设计等提供有效指导。目前，国内还很少有论著专门阐述透空消能式海岸结构物水动力特性的解析和半解析分析方法，《海岸动力环境与新型结构的水动力模拟分析方法》将专门针对该类问题进行深入介绍，选取典型的消能式海岸结构物，阐述该类问题的基本方程、数学描述方法以及水动力分析技术，并结合工程应用进行必要的算例分析与讨论。

海岸结构物的基础淘刷问题是工程建设中的重点研究内容之一，而动床物理模型试验是该问题的重要分析手段。但是，波浪水质点的往复运动，导致海床一直处于动态变化的过程。传统海床演变试验方法无法获取动态变化的床面，限制了海床冲淤的高精度试验分析，因此，对流场与床面无干扰的海床动态演变试验研究日益受到重视。

本文摘编自李华军，梁丙臣，刘勇著《海岸动力环境与新型结构的水动力模拟分析方法》绪论，内容有删减。

海岸动力环境与新型结构的水动力模拟分析方法

李华军，梁丙臣，刘勇著

责任编辑：刘宝莉

北京：科学出版社 2017.03

ISBN 978-7-03-052195-8

《海岸动力环境与新型结构的水动力模拟分析方法》主要围绕海岸区域的动力环境和新型海岸结构物的水动力模拟分析方法开展论述。书中介绍了用于台风波浪模拟的混合风场模型、不同设计波要素样本遴选与统计分析方法、海面与海底剪切应力及风暴潮漫滩过程中的波浪作用机制、基于亚网格的海岸动力环境数值模拟方法、海床冲淤演变连续过程的物理模型试验研究方法；介绍了新型透空消能式海岸结构物水动力分析的基础理论，阐述了匹配特征函数展开、多极子分析、速度势分解以及分区边界元分析方法，讨论了新型结构物的水动力特性。

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（本期编辑：安静）