CN108984900B - 一种基于深水区风浪条件的港内波高变化分析方法 - Google Patents

一种基于深水区风浪条件的港内波高变化分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于深水区风浪条件的港内波高变化分析方法，选取港内关键点，根据深水区波浪边界条件自动实现港内关键节点波高的变化，边界条件包括波高、波向、波周期、风速和风向；方法包括：S1、建立波浪数学模型；S2、对波浪数学模型进行消波处理；S3、进行波浪反射的模拟；S4、对波浪数学模型依据的方程进行求解；S5、计算网格与边界处理；S6、不规则波的模拟与统计、S7、关键点波高变化图形输出。本发明所述的基于深水区风浪条件的港内波高变化分析方法可根据深水区波浪条件的变化实现港内关键节点波高的实时变化，深水区风浪条件可为后报数据，也可为预报数据，港内码头前波高的变化可为船舶作业条件提供技术支持。

Description

一种基于深水区风浪条件的港内波高变化分析方法
技术领域
本发明属于海浪监测预报技术领域，尤其是涉及一种基于深水区风浪条件的港内波高变化分析方法。
背景技术
随着科学技术水平的进步，基本实现了对深水区波浪的变化进行实时监测和较为准确的预报，但是这种深水区波浪的监测或者预报大多功能较为单一，只是进行深水区的波浪监测和预报，没有有效的方法将深水区的波浪条件变化与港内波高变化有效结合起来。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种基于深水区风浪条件的港内波高变化分析方法，以解决现有方法中，没有有效的方法将深水区的波浪条件变化与港内波高变化有效结合起来的情况。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于深水区风浪条件的港内波高变化分析方法，选取港内关键点，根据深水区波浪边界条件自动实现港内关键节点波高的变化，边界条件包括波高、波向、波周期、风速和风向，方法包括：
S1、建立波浪数学模型；
S2、对波浪数学模型进行消波处理；
S3、进行波浪反射的模拟；
S4、对波浪数学模型依据的方程进行求解；
S5、计算网格与边界处理；
S6、不规则波的模拟与统计；
S7、关键点波高变化图形输出。
进一步的，所述步骤S1中，采用Boussinesq波浪数学模型，所述Boussinesq波浪数学模型的基本方程为沿水深积分的平面二维短波方程；
基本方程公式如下：
St+Px+Qy＝0
Figure BDA0001729086990000021
Figure BDA0001729086990000022
其中：
Figure BDA0001729086990000023
Figure BDA0001729086990000024
上述式中，P、Q为x、y方向流速沿水深的积分，h为静水深，S为波面高度，d为总水深d＝h+s，B为深水修正系数，可取为1/15，脚标*t、*x、*y分别表示物理量“*”对时间、x方向和y方向的偏导数。
进一步的，所述步骤S2中，波浪数学模型中，前后边界都要进行消波处理，以免出现边界的多次反射，影响模拟的精度；
在消波边界区域，基本方程引入消波参数r、μ，其方程表达为：
Figure BDA0001729086990000031
Figure BDA0001729086990000032
Figure BDA0001729086990000033
其中
Figure BDA0001729086990000034
r(x)＝0.5(1+1/μ2)
上述式中，Xs为空隙率消波层厚度，其中a的取值与Xs和Δx的比值有关。
进一步的，所述步骤S3中，波浪反射模拟的具体方法为：
首先依据有关公式和实践经验判断反射率，再通过调整消波层数和空隙率，使得在对应的水深、波要素及步长情况下得到同等的反射率；项目计算中考虑码头为高桩结构，近岸浅水区防波堤采用斜坡式结构，深水防波堤采用直立式结构；不同的结构型式通过设置合适的空隙率来模拟相应的反射率。
进一步的，所述步骤S4中，波浪数学模型的基本方程，采用ADI法进行求解。
进一步的，所述步骤S5中，为了减少误差，保证计算的精度，采用正向入射，侧边界按内外波浪变化梯度为1.0考虑，相当于物理模型中设有导波板的情况，岸滩按吸收边界考虑。
进一步的，所述步骤S6中，不规则波的模拟与统计的具体方法为：计算采用指定的频谱，造波点的频谱不规则波采用分频叠加模拟得到；将波谱频域分割数为M，一般取50，则该频谱的某点水位变化为：
Figure BDA0001729086990000041
谱分析利用协方差函数估计法，设N为样本总量，m为推移乘积个数，波浪谱可表达为：
Figure BDA0001729086990000042
其中：
Figure BDA0001729086990000043
由数值积分得到谱的粗值：
Figure BDA0001729086990000044
如数值积分中采用梯形公式：
Figure BDA0001729086990000045
此处所取的频率间隔为：
Figure BDA0001729086990000046
故：
Figure BDA0001729086990000047
得到：
Figure BDA0001729086990000048
以上估计出的Lh是不精确的，需要进行改进或光滑；光滑采用Hamming法：
S(2πfH)＝0.23Lh-1+0.54Lh+0.23Lh+1
m的取值对计算也有影响，m可取样本总数N的1/10，计算中取200～300。
进一步的，对港区范围超过一定距离的要考虑小风区风成浪对港内波高的影响；首先对风速进行高度、陆海订正，风区长度考虑建筑物、岛屿和陆域的影响，取合适的步长，使得每步的水深变化小于0.2m，分步计算风浪的成长变化；
风成浪波高计算公式为：
Figure BDA0001729086990000051
Figure BDA0001729086990000052
上述式中，g为重力加速度(m/s2)；Hs为有效波高(m)；Ts为有效周期(s)；F为风区长度(m)，风区长度为左右45度方向合成；d为水深(m)；k为波数。
相对于现有技术，本发明所述的基于深水区风浪条件的港内波高变化分析方法具有以下优势：
本发明所述的基于深水区风浪条件的港内波高变化分析方法可根据深水区波浪条件的变化实现港内关键节点波高的实时变化，深水区风浪条件可为后报数据，也可为预报数据，港内码头前波高的变化可为船舶作业条件提供技术支持。
附图说明
构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：
图1为本发明创造实施例所述的天津港的关键点分布图；
图2为本发明创造实施例所述的天津港某个关键点某时间段内的波高变化图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
一种基于深水区风浪条件的港内波高变化分析方法，通过深水区波浪边界条件的改变自动实现港内关键节点波高的变化。边界条件包括波高、波向、波周期、风速和风向。通过判断用户输入的查询条件，海浪数据管理及可视化系统的设计与实现数据产生的时间、海浪数值等信息，将对应的图像信息显示出来，这些数据可以是历史数据，或是预报的数据。
方法包括：
S1、建立波浪数学模型；
S2、对波浪数学模型进行消波处理；
S3、进行波浪反射的模拟；
S4、对波浪数学模型依据的方程进行求解；
S5、计算网格与边界处理；
S6、不规则波的模拟与统计；
S7、关键点波高变化图形输出。
所述步骤S1中，港区波浪往往存在有折射、反射和绕射，计算采用MIKE21软件中的Boussnesq方程波浪数学模型，简称BW模型。由于水深积分过程中的假定不同，积分方法的差异，得到不同的水深积分平面二维短波方程，称为Boussinesq类方程，所述Boussinesq波浪数学模型的基本方程为沿水深积分的平面二维短波方程；
基本方程公式如下：
St+Px+Qy＝0
Figure BDA0001729086990000071
Figure BDA0001729086990000072
其中：
Figure BDA0001729086990000081
Figure BDA0001729086990000082
上述式中，P、Q为x、y方向流速沿水深的积分，h为静水深，S为波面高度，d为总水深d＝h+s，B为深水修正系数，可取为1/15，脚标*t、*x、*y分别表示物理量“*”对时间、x方向和y方向的偏导数。
所述步骤S2中，波浪数学模型中，前后边界都要进行消波处理，以免出现边界的多次反射，影响模拟的精度；
在消波边界区域，基本方程引入消波参数r、μ，其方程表达为：
Figure BDA0001729086990000083
Figure BDA0001729086990000084
Figure BDA0001729086990000085
其中
Figure BDA0001729086990000086
r(x)＝0.5(1+1/μ2)
上述式中，Xs为空隙率消波层厚度，其中a的取值与Xs和Δx的比值有关。按照已有的经验，当Xs＝5Δx时，a取2.0，当Xs＝10Δx时，a取5.0。
所述步骤S3中，波浪反射模拟的具体方法为：
首先依据有关公式和实践经验判断反射率，再通过调整消波层数和空隙率，使得在对应的水深、波要素及步长情况下得到同等的反射率；项目计算中考虑码头为高桩结构，近岸浅水区防波堤采用斜坡式结构，深水防波堤采用直立式结构；不同的结构型式通过设置合适的空隙率来模拟相应的反射率。
所述步骤S4中，波浪数学模型的基本方程，由于Boussinesq项及修正项的存在，增加了方程中的未知量，全部隐格式求解有一定的难度，因而Boussinesq项及修正项中的参量，采用ADI法进行求解。
所述步骤S5中，为了减少误差，保证计算的精度，采用正向入射，侧边界按内外波浪变化梯度为1.0考虑，相当于物理模型中设有导波板的情况，岸滩按吸收边界考虑。计算范围约为2km×2km，网格步长为3m×3m，时间步长为0.2s
所述步骤S6中，不规则波的模拟与统计的具体方法为：计算采用指定的频谱，造波点的频谱不规则波采用分频叠加模拟得到；将波谱频域分割数为M，一般取50，则该频谱的某点水位变化为：
Figure BDA0001729086990000091
谱分析利用协方差函数估计法，设N为样本总量，m为推移乘积个数，波浪谱可表达为：
Figure BDA0001729086990000092
其中：
Figure BDA0001729086990000093
由数值积分得到谱的粗值：
Figure BDA0001729086990000094
如数值积分中采用梯形公式：
Figure BDA0001729086990000101
此处所取的频率间隔为：
Figure BDA0001729086990000102
故：
Figure BDA0001729086990000103
得到：
Figure BDA0001729086990000104
以上估计出的Lh是不精确的，需要进行改进或光滑；光滑采用Hamming法：
S(2πfH)＝0.23Lh-1+0.54Lh+0.23Lh+1
m的取值对计算也有影响，m可取样本总数N的1/10，计算中取200～300。不规则波较为复杂，为此计算程序中设立了专门的处理程序，程序包括波浪谱的输入，通过频率分割进行叠加形成不规则波的波面过程。同时将过程转换为谱，以检验波面形成过程的正确性。
进行多方向不规则波的模拟时，方向分布函数依据《海港水文规范》进行计算，方向分割数为25。
还要考虑到关键点风成浪的情况，对港区范围超过1km的要考虑小风区风成浪对港内波高的影响。风成浪采用规范公式进行计算，首先对风速进行高度、陆海订正，风区长度考虑建筑物、岛屿和陆域的影响，取合适的步长，使得每步的水深变化小于0.2m，分步计算风浪的成长变化。风浪波高计算采用下式：
Figure BDA0001729086990000111
Figure BDA0001729086990000112
上述式中，g为重力加速度(m/s2)；Hs为有效波高(m)；Ts为有效周期(s)；F为风区长度(m)，风区长度为左右45度方向合成；d为水深(m)；k为波数。
该方法需要输入文件包括：
1.Boundary-Wave.dat
该文件是深水区风浪数据文件，数据格式为时间、u10、v10、波高、周期和浪向。一般通过波浪后报和预报得到。
2.Port-Inside-Relativewave.dat
该文件是港内关键点比波高数据文件，数据格式为浪向和对应关键点的比波高值。通过波浪数学模型BW计算得到。
3.Port-Inside-Windwave.dat
该文件是港内关键点风成浪波高数据文件，数据格式为16个风向下不同风速所对应的风成浪波高。通过小风区风成浪计算得到。
该方法数据的输出采用文本格式，同一类文件输出到文件夹中，具体说明如下：
1.直接输出Port-Inside-Wave.dat文件
数据格式为：时间浪向关键点波高
2.图形输出关键点波高变化，如图1，图2所示，其中图1为某个时间段内天津港平面布置和关键节点的位置，图2为上述时间段内，关键点5的波高变化图形。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于深水区风浪条件的港内波高变化分析方法，其特征在于，选取港内关键点，根据深水区波浪边界条件自动实现港内关键节点波高的变化，边界条件包括波高、波向、波周期、风速和风向；
方法包括：
S1、建立波浪数学模型；
S2、对波浪数学模型进行消波处理；
S3、进行波浪反射的模拟；
S4、对波浪数学模型依据的方程进行求解；
S5、计算网格与边界处理；
S6、不规则波的模拟与统计；
S7、关键点波高变化图形输出，
所述步骤S1中，采用Boussinesq波浪数学模型，所述Boussinesq波浪数学模型的基本方程为沿水深积分的平面二维短波方程；
基本方程公式如下：
St+Px+Qy＝0
Figure FDA0004190396220000011
Figure FDA0004190396220000012
其中：
Figure FDA0004190396220000013
Figure FDA0004190396220000014
上述式中，P、Q为x、y方向流速沿水深的积分，h为静水深，S为波面高度，d为总水深d＝h+s，B为深水修正系数取为1/15，脚标*t、*x、*y分别表示物理量“*”对时间、x方向和y方向的偏导数。
2.根据权利要求1所述的基于深水区风浪条件的港内波高变化分析方法，其特征在于，所述步骤S2中，波浪数学模型中，前后边界都要进行消波处理，以免出现边界的多次反射，影响模拟的精度；
在消波边界区域，基本方程引入消波参数r、μ，其方程表达为：
Figure FDA0004190396220000021
Figure FDA0004190396220000022
Figure FDA0004190396220000023
其中
Figure FDA0004190396220000024
r(x)＝0.5(1+1/μ2)
上述式中，Xs为空隙率消波层厚度，其中a的取值与Xs和Δx的比值有关。
3.根据权利要求1所述的基于深水区风浪条件的港内波高变化分析方法，其特征在于，所述步骤S3中，波浪反射模拟的具体方法为：
首先依据有关公式和实践经验判断反射率，再通过调整消波层数和空隙率，使得在对应的水深、波要素及步长情况下得到同等的反射率；项目计算中考虑码头为高桩结构，近岸浅水区防波堤采用斜坡式结构，深水防波堤采用直立式结构；不同的结构型式通过设置合适的空隙率来模拟相应的反射率。
4.根据权利要求1所述的基于深水区风浪条件的港内波高变化分析方法，其特征在于：所述步骤S4中，波浪数学模型的基本方程，采用ADI法进行求解。
5.根据权利要求1所述的基于深水区风浪条件的港内波高变化分析方法，其特征在于：所述步骤S5中，为了减少误差，保证计算的精度，采用正向入射，侧边界按内外波浪变化梯度为1.0考虑，相当于物理模型中设有导波板的情况，岸滩按吸收边界考虑。
6.根据权利要求1所述的基于深水区风浪条件的港内波高变化分析方法，其特征在于，所述步骤S6中，不规则波的模拟与统计的具体方法为：计算采用指定的频谱，造波点的频谱不规则波采用分频叠加模拟得到；将波谱频域分割数为M取50，则该频谱的某点水位变化为：
Figure FDA0004190396220000031
谱分析利用协方差函数估计法，设N为样本总量，m为推移乘积个数，波浪谱表达为：
Figure FDA0004190396220000032
其中：
Figure FDA0004190396220000033
由数值积分得到谱的粗值：
Figure FDA0004190396220000034
数值积分中采用梯形公式：
Figure FDA0004190396220000035
此处所取的频率间隔为：
Figure FDA0004190396220000041
故：
Figure FDA0004190396220000042
得到：
Figure FDA0004190396220000043
以上估计出的Lh，需要进行改进或光滑；光滑采用Hamming法：
S(2πf H)＝0.23L h-1+0.54L h+0.23L h+1
m的取值对计算也有影响，m取样本总数N的1/10，计算中取200～300。
7.根据权利要求1所述的基于深水区风浪条件的港内波高变化分析方法，其特征在于，对港区范围超过一定距离的要考虑小风区风成浪对港内波高的影响；
小风区风成浪的计算方法如下：
首先对风速进行高度、陆海订正，风区长度考虑建筑物、岛屿和陆域的影响，取合适的步长，使得每步的水深变化小于0.2m，分步计算风浪的成长变化；
风成浪波高计算公式为：
Figure FDA0004190396220000044
Figure FDA0004190396220000045
上述式中，g为重力加速度(m/s 2)；Hs为有效波高(m)；T s为有效周期(s)；
F为风区长度(m)，风区长度为左右45度方向合成；d为水深(m)；k为波数。
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