唐山液化天然气项目码头工程波浪数值模拟研究

编号密级内部唐山液化天然气项目码头工程波浪数值模拟研究南京水利科学研究院二一一年四月水利部交通运输部国家能源局目录一、前言1二、依据资料和技术要求4三、资料分析及深水波要素的确定6四、波浪数学模型1741高阶抛物型方程数学模型1742港内波浪数学模型19五、数值计算成果与分析2251防波堤设计波浪要素计算2352港内波浪场计算42六、结语46唐山液化天然气项目工程波浪数值模拟研究一、前言唐山液化天然气LNG项目码头工程位于河北省唐山市曹妃甸港区，西侧毗邻已建成的曹妃甸矿石码头一期工程和中石化曹妃甸30万吨级原油码头。工程面向海域，天然水深大、水域开阔，波浪问题也是不可回避的问题之一，对整治建筑的设计、泥沙研究等都起着十分重要的作用。因此有必要分析和推算码头设计所需的设计波浪要素。为工程设计提供合理的参数。曹妃甸港区位于渤海湾，随着曹妃甸围海造地工程的建设，曹妃甸地区已建成了集矿石、原油等大型的码头工程以及旅游休闲场所，整个环渤海地区的开发更是以惊人的速度开进行着。拟建的唐山液化天然气项目工程位于曹妃甸甸头附近，工程位置及附近水域地势及周边开发现状见图11、图12。图13是本项目码头工程的位置图，液化天然气码头布置在曹妃甸甸头东侧，离岸月2KM的海域，码头前天然水深为1415M，码头泊位通过栈桥与陆域相连接，陆域为曹妃甸围填工程形成，堤前天然水深约为65M。为全面了解工程水域的波浪状况，合理确定本项目码头工程的设计波浪要素，需要开展波浪数学模型研究。为码头工程设计提供合适的波浪参数。由于本工程附近无较为长期的波浪观测资料，本文主要依据曹妃甸附近的南堡盐场气象台1980年2009年的分方向年极值风速，确定本工程海域的设计风速；进而根据海港水文规范推荐的风推浪的方法确定工程海域的深水波浪要素。采用大范围水域波浪折射绕射波浪传播变形数学模型结合不同方案的平面布置进行波浪场计算，推算波浪由深水向近岸的传播，得出本项目码头工程水域的波高分布和一些控制点位置的设计波浪要素。波浪数模计算根据设计部门提出的平面布置方案进行，根据工程海域的地理位置，波浪计算主要考虑波浪主方向为NEESSW方向，计算波浪重现期为100年一遇、50年一遇和2年一遇，计算中水位考虑极端高水位、设计高水位和设计低水位和极端低水位等。此外，根据设计部门要求，根据风场资料及有关气象资料，推算工程位置的N、NE、E、SE、S、SW、W、NW方向，距海平面10M的100年一遇的10MIN、2MIN和3S的平均最大风速。南堡渤海湾曹妃甸塘沽大清河口工程区港区岸线图11渤海湾水域地势及工程位置示意图工程位置天津开发区曹妃甸开发区图12曹妃甸水域周边开发现状01234M1Q234G5SH图13唐山LNG码头工程平面布置二、依据资料和技术要求1、水下地形1中国人民解放军海军司令部航海保证部，海图，黄海北部及渤海，1/100万，2000年8月；2中国人民解放军海军司令部航海保证部，海图11700，秦皇岛港至岐河口，1/25万，2008年9月；3曹妃甸区域2004年地形图；4冀东油田南堡油田进海路及人工端岛工程2005年9月测图；5唐山港曹妃甸港区开发水深测量图，110000，2006年4月6工程区域附近2007年5月测图。2、风浪资料1曹妃甸港区1996年、1997年、1999年312月实测风、浪资料。2丰南南堡盐场气象台1980年2009年共计30年的分方向的年极值风速资料3塘沽海洋站1980年2004年风速资料。3、计算水位设计部门提出的工程水域的设计水位当地理论最低潮面极端高水位（100年一遇）458M极端高水位（50年一遇）446M设计高水位（高潮累积率10）291M设计低水位（低潮累积率90）053M极端低水位（50年一遇）127M4、主要依据一些相关规范海港水文规范（JTJ21398）波浪模型试验规程（JTJ/T2342001）5、计算技术要求1）依据曹妃甸地区相关工程项目波浪问题研究期间确定的曹妃甸水域的各方向重现期风速资料。推算工程位置的N、NE、E、SE、S、SW、W、NW方向的100年一遇设计风速，包括距离海平面10M高度的10MIN、2MIN、3S的平均最大风速。2）根据风场资料或有关气象资料，推算工程位置点不同方向NE、E、SE、S、SSW方向重现期为100年、50年、2年的设计波浪要素（五种设计水位），波浪控制点位置由设计部门提出，波浪控制点位置见图13，各相关点位置的坐标仅表21。表21波浪计算点位置坐标工程名称计算点YMXMM1430957405041601预留码头M2430974055045872Q1431006895037307Q2431029385035323Q3431040695034329Q4431063315032321栈桥Q5431097565029311工作船G1431120435031860火炬H1431087305028910取水口S1431074155026267三、资料分析及深水波要素的确定31曹妃甸水域风浪概况曹妃甸港区1996年1999年几年间进行过现场风、浪的观测，波浪观测采用SZF1II型数字波温仪和HAB2型岸用光学测波仪，每天02、05、08、11、14、17、20、23时观测8次。风资料为每天24小时整点10分钟平均风速及风向。资料分析表明，曹妃甸地处典型的东亚季风区，风向有显著的年变化，冬半年以偏北风为主风向，夏半年以偏南风为主。曹妃甸地区的波况主要以风浪为主，三年资料中风浪占了80以上，从全年的波向统计来看，1996年最多波向为NW向，其次为W向；1997年最多波向为S向，其次为SSW向；1999年最多波向为S向，其次为SE向；基本上与风况统计是一致的。观测期间测到的最大风速为22M/S，风向为NE方向，出现在1997年；观测到的最大波高为40M，波向为ENENE向，时间为1997年。我院也曾对曹妃甸港区1999年3月12月的实测风浪资料作过分析。观测期间最大风速为202M/S，对应风向为ENE，日期为19991014；最大波高HMAX为361M，最大H1/10为276M，日期为19991017。32设计风速的确定由于曹妃甸港区无长期的波浪和风的观测资料，为分析该海域的长期风速分布，需利用工程附近其它气象站点的资料分析得出。国家海洋局北海预报中心3曾根据附近塘沽气象站1980年2004年多年风速（10MIN平均风速）资料依据气象站与曹妃甸风速之间的关系分析推算了曹妃甸水域各方向的不同重现期风速，本报告的设计风速仍采用这一成果。表31列出这些方向不同重现期风速值。表31曹妃甸水域不同重现期风速M/S方向100年一遇50年一遇2年一遇N368338180NE345321192E263250163SE225212131S268239135SW290269133W269250123NW335310171在此基础上，本文还搜集了当地南堡盐场气象台1980年2009年共计30年的ESESW八个方向的年极值风速资料。南堡盐场气象台位于南堡盐场，坐标为北纬3912，东经11812，距离海边约10KM，观测场地海拔35M，感应器离地面高度为115M，观测台附近地势平坦，风速观测为每天24小时观测的10分钟平均风速。也对此做一分析。根据南堡盐场气象站的30年年极值风速采用PIII型频率曲线拟合，可以得出各方向的不同重现期风速。表32列出了几个方向的重现期风速，30年中，这些方向（ESESW）中最大风速出现在W方向，最大风速为20M/S。从分析结果可以看出，SEESE、SWSSW方向100年一遇风速为21M/S左右，WWSW方向的50年一遇风速为238M/S，SSSE方向的风速相对较小，风速为183M/S。表32南堡盐场气象站风速重现期由于南堡盐场气象台位于陆地，距海岸约有10KM，期测站的风速不能代表海上的设计风速，需对其进行高度订正和水陆订正，如将南堡盐场气象站重现期风速（表32）订正到海域海面10米高处的风速。得到的相应几个方向海面风速列于表33。表33南堡盐场站推算海面风速（M/S）重现期SEESESSSESWSSWWWSW100年25123226327150年2392202442472年160146143130从表33与表31相比，采用两个气象站分析的曹妃甸海域这几重现期SEESESSSESWSSWWWSW100年20618321923850年1961732032162年131115119108个方向的重现期风速基本上是一致的。大多数方向表31的结果略大。33深水波要素的确定以往研究曹妃甸水域的波浪要素主要是根据风推浪法和海港水文规范的方法确定波周期与波高的关系，通过曹妃甸港区实测波浪资料分析也表明这一水域主要是以风浪为主，因此利用这种方法确定波高波周期的关系是可行的。本文对曹妃甸港区1996年1997年的实测波浪作了波高与波周期的相关分析，以期得到波高与波周期的关系。对E包括NESE方向和SW（包括SW）向样本中波高H1/10大于05米的波浪进行相关分析，这两个方向的相关系数均在087以上，表明该地区的波高与波周期的相关性较好。表34列出了这两个方向的波周期与波高相关关系。图31和图32是数据的拟合曲线。表34曹妃甸港区波周期与波高相关关系方向样本关系相关系数样本数SEH1/100557021/4VGHT094204SWH1/10055021/3087272011010GH1/V/101010GT/VGT/V145GH/V057图31NESE向波周期与波高关系011010GH1/V/101010GT/VGT/V13GH/V052图32SW向波周期与波高关系利用表31不同方向和重现期的设计风速根据海港水文规范的方法得出的曹妃甸水域深水处几个方向的波要素列于表35，表中深水波计算点位置见图12。表中的各方向的波周期是根据曹妃甸海区实测资料分析得到的波周期和波高关系得出的。表35曹妃甸港区外海波浪要素100年一遇50年一遇2一遇方向H13MSTH13MSTH13MSTNE448884308734076E484964679538085SE430924129031878S37073335702055SW364733477119250国家海洋环境预报中心3曾采用1981年2005年多个气象台站资料通过海浪数值计算模式推算了渤海湾曹妃甸水域历年各方向最大波浪，然后采用P型拟合曲线得出不同方向外海20M等深线处各重现期的波高，见表36。表36曹妃甸港区外海20M处波高（国家海洋环境预报中心）50年一遇2年一遇方向H1/100MH13MH1/100MH13MENE711428410247E684412309186ESE686413289174SE673405341205SSE568342395238S517311346208SSW505304357215SW421254310187W357215263158中国海洋大学2004年曾采用海浪数值计算模式推算了曹妃甸海域20米处深水波浪要素5，推算结果见表37。表37曹妃甸港区外海50年一遇波高（中国海洋大学）30M等深线20M等深线（5断面）方向H13MH13MENE478463E470469ESE438445SE402408SSE368375S345357SSW341349SW333323WSW324314W307278各家单位因推算方法和推算点位置不同，推算结果有所差别，但总体趋势是一致的，波高自东向西逐渐减小。本文推算的深水波要素与中国海洋大学的推算结果基本上是相近的。34不同时距平均风速的换算根据设计部门的要求，本研究需推算工程水域各方向距离海平面10M高度的100年一遇的10MIN、2MIN、3S的平均最大风速值。通常情况下不同时距之间的关系可以通过较长的实测资料建立相关关系进行分析，由于工程处缺乏长期的不同时距风速资料。本研究通过前面分析得到的曹妃甸海域海面10M高度的10MIN平均风速值（表31），利用已有研究成果建立的不同时距平均风速之间的关系，确定相应的2MIN、3S时平均最大风速。文献12、13根据，。四、波浪数学模型41高阶抛物型方程数学模型外海波浪传入近岸浅水地区时，受多种因素的影响，将产生一系列复杂的变化由于地形变化的影响，将产生折射及浅水变形现象；遇到岛屿、防波堤等障碍物时，波浪能绕过障碍物，传播至受障碍物掩护的水域，产生波浪绕射现象。在确定深水波浪要素后，可采用波浪折射、绕射联合计算的高阶非线性抛物型方程数学模型模拟波浪由外海向工程区的传播，得出工程附近大范围水域的波浪场。考虑底摩擦损耗和风能输入的非线性缓坡方程可用下式表示4102MCKGXG其中42YGHCFIADKM22式中，为波势，为波数，为波速，为波群速，为波浪圆频率，为波幅，为考虑波浪非线性参数，为考AKHSTC428F虑波能损耗和风能输入、波浪破碎的参数。底摩阻、风能输入表达式如下，。4212/10XACFFGFR321364TSHKGCFF422501357HVGW式（42），该项中包含水深的二阶导数项221HF和一阶导数平方项，可考虑快变地形的波浪折射绕射波浪传H22H播变形。F1、F2为复杂的表达式，这里不再列出。式41可改写为43012GXGXCKMCBOOIJ推导出缓坡方程的抛物型方程高阶近似型式441122GGGGCKMPIPKX（RADDERORKIRBY，低阶），（BOOIJ，高阶），01P41。22对考虑底摩擦损耗和风能输入的非线性缓坡方程，其高阶抛物型近似方程可简写成21221MIPBFADKICIKKCGXGXG4501XMP其中，GXXCKB2YGC令PCCGYXGYGKPIBPR121FADICIKSGXG22XGGKPIT121则式（45）简写为（4011XYGXYGYYXCKPKPTSRKP6）（46）式采用CRANKNICOLSON格式，令，差分如下GPXYCKYTSYRXKPIJIJIJIJYGIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJIJ224211111111114721111XCKPIJIJIJIJIJIJG边界条件,480IKAN1COSR略去某些小项，简化后得490COS0IKTGIY抛物型方程数学模型计算效率高，适用于大范围波浪折射、绕射的联合计算。改进的适用于方向谱的不规则高阶抛物型方程数学模型允许较大范围的波向变化，且考虑了底摩擦导致的波能损耗、风能输入导致的波高增长和波浪非线性的影响，计算结果更加合理可靠。该模型已成功应用于“长江口深水航道整治工程结构物设计波浪推算”、“洋山深水港一期工程港区及进港航道波浪场数值计算”、“宝港马迹山矿石中转港设计波要素推算”等十多个大型港口航道工程。本文采用该模型计算波浪从深水区向工程水域的传播变形。42不规则波的模拟根据波浪理论，不规则波可假定由不同方向、不同频率的组成波迭加而成，当波波非线性相互作用可以忽略时，不规则波波面可表示为410MNMNMTFYKXKATYX2SINCOS,N式中为波面高度，AMN是组成波振幅，FM是组成波频率，KM是组成波波数，N是组成波波向，MN是随机初相位，服从0,2区间的均匀分布。波浪能量在频率和方向上的分布可由波浪方向谱表示,FS411,FGSF式中是频率谱，是方向分布函数。FS不规则波有效波高和波谱的关系为41204MHS式中M0是波谱的零阶矩，定义为413FSD,0在不规则波模型中，方向谱采用等能量分割法进行离散。组成波振幅AMN可由离散化的波谱确定414NMMNFSA,21式中和分别是频率和方向分割的区间长度。组成波频率FM和F采用各区间的能量加权平均值。N将推广的缓坡方程应用于每一组成波，计算出相对波高RMN（计算点波高和入射波高之比），再分别按下两式计算合成波的相对波高R和波周期T024152/112,MMNNNMNFSR式中M是波浪频率分割数，N是方向分割数。计算中SF为频率谱，计算中采用JONSWAP谱，G为方向分布函数，采用海港水文规范推荐的形式，。2SIN0五、数值计算成果与分析由图11和图12可见，曹妃甸港区位于渤海湾内，北方向为陆域，EESE方向面向黄海至渤海入海口，SE方向面向莱州湾水域，SSSW方向主要面向渤海湾内。曹妃甸港区1KM外自然水深达，部分海域水深大于30M，本项目码头工程位于曹妃甸港区甸头东侧约2KM处，与甸头港区相比，水下地形相对较平坦些，但局部水域的海底坡度还是较陡，坡度大1/701/100，深水波浪传播至近岸波高分布十分复杂。本文利用波浪数学模型推算工程水域深水处的波浪向拟建工程水域的传播，得出工程水域的波高分布，为港区码头的设计提供依据。各方向的深水波要素采用表35的成果，数模计算中考虑海底摩阻、陡坡地形的影响、风能的输入项等，数模计算中沿波浪传播方向的计算网格长度取10M，垂直于波浪传播方向的计算网格长度取20M，海底摩阻系数取001。根据工程所处地理位置，本文波浪计算考虑波浪方向为NE、ENE、E、ESE、SE、SSE、S、SSW八个方向，浪重现期为100年一遇、50年一遇、2年一遇，分别与极端高水位、设计高水位、设计低水位、极端高水位组合，其中2年一遇仅考虑设计高水位。为分析港区水域的波浪状况，图51列出了本项目码头工程波浪计算点的位置。01234M1Q234G5SH图51码头平面布置和波浪计算点位置依据深水波要素，利用前一章介绍的波浪传播变形的抛物型缓坡方程数学模型可以推算工程水域的波高分。图521图528给出了NESSW方向100年一遇和极端高水位组合条件下工程水域的波高H13分布。从各方向的波高分布可以看出，尽管曹妃甸外海深水NEE方向的波高较大，100年一遇波高在45M以上，但由于曹妃甸甸头东侧围填工程堤线大致呈NESW走向，近岸码头工程水域受上游陆域、浅滩等的掩护，产生复杂的折射、绕射、浅水变形，这些方向来波在近岸特别时在20M等深线内波高迅速衰减，这些方向码头工程水域的波高一般小于40M；ESESES方向的外海波浪向工程水域传播时，沿程几乎不受复杂地形的影响，传播过程中波高分布相对均匀，由于SEESE方向的外海波高大，因此码头工程沿线这些方向的波高也相对大些，SSESSW方向深水波高要小些，这些方向的来浪在码头工程沿线的波高也小些。表51表58分别列出了码头工程波浪控制在位置个计算各波浪计算方向在100年一遇、50年一遇、2年一遇和相应各种计算水位组合条件下的波浪要素计算成果。从计算成果可以看出，影响码头工程沿线波浪计算点位置的最大波高方向主要出现在ESESE方向的外海波浪，在100年一遇波浪条件下，码头前的有效波高H13达431M，相应的波高H1为610M。码头至作业区的栈桥、工作船、取水口等水域的波高H13也有42M左右。其它方向的来浪，在码头工程区沿线的有效波高均小于40M。M12Q345GHS1023540图521NE向100年一遇极端高水位波高H13分布M12Q345GHS1023540图522ENE向100年一遇极端高水位波高H13分布M12Q345GHS1023540图523E向100年一遇极端高水位波高H13分布M12Q345GHS1023540图524ESE向100年一遇极端高水位波高H13分布M12Q345GHS1023540图525SE向100年一遇极端高水位波高H13分布M12Q345GHS1023540图526SSE向100年一遇极端高水位波高H13分布M12Q345GHS1023540图527S向100年一遇极端高水位波高H13分布M12Q345GHS1023540图528SSW向100年一遇极端高水位波高H13分布表511NE方向波浪要素成果100年一遇极端高水位100年一遇设计高水位位置H1MH4MH5MH13MMTSLMH1MH4MH5MH13MMTSLMM148941740434121988100846039338032120688980M248141039733521588100845038437231420288980Q14613933813212068899743837436330619788967Q24653983863262108896145238737531820688926Q34633973853272128891944938637531920888879Q44613973863292168887043837936831520888824Q54473873763222138882940335034029219488776G14293713613092048881438933832828218788759H14103533432921918883737932831827217988786S14213633523011988882939734433528719088776表512NE方向波浪要素成果100年一遇设计低水位100年一遇极端低水位位置H1MH4MH5MH13MMTSLMH1MH4MH5MH13MMTSLMM14173573462921888893338332831826917488892M24203593482941908893339333632627617888892Q14053473362841838891838232831826917488874Q24243653543011968886936531430425916988818Q33873333242761818881233829228324215988752Q43112682602221458874528224523820413588673Q52682312251921268868621418518015410288602G12512172111801188866421418618115610488575H12872482412061368869923019919416611088617S12642282211891248868621218417915310188602表513NE方向波浪要素成果50年一遇极端高水位50年一遇设计高水位位置H1MH4MH5MH13MMTSLMH1MH4MH5MH13MMTSLMM14603923803202058799043937536330619687965M24523853733142018799044237736530819887965Q14423763643071978797940634633528218187952Q24533873753172048794443637336130619887913Q34643983863282138790344538337131620687866Q44533903793232118785540635034029019087812Q54093523422921928781438733532627918487766G13793263172701778779933729128224115887749H13783253152681758782235330529625216587775S13693183082621718781433228627723615487766表514NE方向波浪要素成果50年一遇设计低水位50年一遇极端低水位位置H1MH4MH5MH13MMTSLMH1MH4MH5MH13MMTSLMM14123523412881858791937832331326517187879M24093493392861848791938232731726817387879Q13783233132641708790435130029124615987862Q23943383282781808785734829929024616087807Q33553052962521648780133228727923815687742Q42902502422061348773526823222619312787664Q52642282211891248767719817116614209387594G124621220617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