CN114818390B - 评估港口不可作业时间的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了评估港口不可作业时间的方法，包括：步骤一、得到近岸位置预设时间段的波浪时间序列，之后进行波高‑周期‑波向联合分布统计分析，并获得波高‑周期‑波向联合分布结果；步骤二、对于不同泊位，分别测量各组典型波况组合下的八个动态响应参数；步骤三、得到各个泊位处的各种波况作用下的各个动态响应参数的最大值与入射波浪之间的定量关系；步骤四、对于不同泊位，分别统计各个泊位处的八个动态响应参数的累积超越频率，得到八个动态响应参数对应的不可作业时间结果Di，泊位处不可作业时间结果为各个动态响应参数对应的不可作业时间结果的最大值。本发明基于波浪数值模拟和物理模型试验来评估港口不可作业时间，使得评估更精确。

Description

评估港口不可作业时间的方法
技术领域
本发明涉及港口工程波浪数值模拟和物理模型试验技术领域。更具体地说，本发明涉及评估港口不可作业时间的方法。
背景技术
港口的主要功能之一是为船舶提供安全的停泊水域，以方便货物的装卸作业。要履行这一职能，取决于作业类型和货物种类等，港内水域的气象、水文条件不得超过某些阈值。在影响港口作业的各类因素中，港内水域的波浪条件是产生大部分不可作业时间的来源之一。因此，掌握港内水域的波浪情况对港口的规划、设计、建设和安全运营都是非常重要的。
港内水域通常由防波堤进行掩护，港内水域的波浪条件通常可由波浪数学模型来确定。波浪数值模型可分为两种类型：相位平均模型（phase-averaged model）和相位解析模型（phase-resolving model）。相位平均模型又称为波谱模型，它的主要优点是可以模拟风浪的产生和发展，但是不能考虑波浪绕射、反射等物理现象。相位解析模型包括缓坡模型和布辛涅斯克（Boussinesq）模型，它的优点是可以解决相位问题，进而能够模拟波浪绕射、反射等物理现象。但是，对于某些特殊结构形式防波堤，比如密排管桩式、透空式防波堤等，除存在波浪绕射和反射外，还存在波浪透射，而波浪数值模型不能准确模拟波浪在通过狭窄缝隙后的透射现象。
因现有的基于波浪条件评估港口的可操作性通常只考虑了限制波高，而忽视了波浪周期和波浪方向的影响，因此不能全面反映港口水域的波浪条件对港口不可作业时间的影响。
发明内容
本发明的目的是提供评估港口不可作业时间的方法，使用波浪数值模型将外海长时间波浪时间序列传播至近岸，并以此作为物理模型试验的输入条件，通过物理模型试验测量近岸典型波况组合下的泊位处船舶动态响应参数，然后通过构建转换函数，将近岸位置长时间波浪时间序列转换为港内泊位处船舶动态响应时间序列，并最终通过系缆力、护舷反力以及船舶的六个自由度运动量的作业限制标准，精确评估港口不可作业时间。
为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了评估港口不可作业时间的方法，包括：
步骤一、获取外海预设时间段的波浪时间序列后，搭建区域波浪数值模型，将外海预设时间段的波浪时间序列传播至近岸，并在近岸位置提取波浪时间序列，得到近岸位置预设时间段的波浪时间序列（H，T，Dir），之后进行波高-周期-波向联合分布统计分析，并获得波高-周期-波向联合分布结果；
步骤二、根据步骤一得到的波高-周期-波向联合分布结果，得到物理模型试验的典型波况组合，之后建立工程区整体物理模型、船舶动态响应物理模型，对于不同泊位，分别基于所述典型波况组合，开展泊位处船舶动态响应的物理模型系列试验，并测量各组典型波况组合下的八个动态响应参数，其中，八个动态响应参数为护舷反力、系缆力、纵移、横移、升沉、纵摇、横摇和回转；
步骤三、对于不同泊位，分别根据步骤二得到的各个泊位处的各组典型波况组合下的八个动态响应参数，分析并列出各组典型波况组合下的八个动态响应参数的最大值，之后通过线性差值的方法得到各个泊位处的各种波况作用下的各个动态响应参数的最大值与入射波浪之间的定量关系，即
R i = f i （H，T，Dir）， i = 1,2，···，8 (1)
其中，R 1 ～ R 8 分别为入射波浪对应的泊位处八个动态响应参数的最大值；
H，T，Dir分别为入射波浪的波高、周期和波向；
f 1 ～ f 8 分别为入射波浪对应的泊位处八个动态响应参数的转换函数；
步骤四、对于不同泊位，分别根据步骤三得到的各个泊位处的各种波况作用下的f 1 ～ f 8 将步骤一得到的近岸位置预设时间段的波浪时间序列（H，T，Dir）转换为各个泊位处R 1 ～ R 8 的时间序列，通过对比各个泊位处R 1 ～ R 8 的时间序列与相应的限制标准，分别统计各个泊位处的八个动态响应参数的最大值的累积超越频率，得到八个动态响应参数对应的不可作业时间结果D i （i = 1,2，···，8），泊位的不可作业时间结果为各个动态响应参数对应的不可作业时间结果D i 的最大值。
优选的是，所述步骤一中，获取外海1979年至今的波浪时间序列。
优选的是，所述步骤一中，在防波堤外1.5倍波长处提取波浪时间序列。
优选的是，所述步骤二中，根据步骤一得到的波高-周期-波向联合分布结果，对波浪方向、波浪周期和波高进行归并，具体为每22.5°相位角取一个代表性波浪方向、每2~3s间隔取一个代表性波浪周期，并按0.5~1.0m间隔选择不同的入射波高进行试验，得到物理模型试验的典型波况组合。
优选的是，所述步骤一中，采用NOAA风浪模型、ECMWF波浪模拟模型或中交四航院全球波浪模型来获取外海一定时间段的波浪时间序列。
本发明至少包括以下有益效果：
本发明使用波浪数值模型将外海长时间波浪时间序列传播至近岸，并以此作为物理模型试验的输入条件，通过物理模型试验测量近岸典型波况组合下的泊位处船舶动态响应参数，然后通过构建转换函数，将近岸位置长时间波浪时间序列转换为港内泊位处船舶动态响应时间序列，并最终通过系缆力、护舷反力以及船舶的六个自由度运动量的作业限制标准，精确评估港口不可作业时间。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1是本发明评估港口不可作业时间的方法的流程框图；
图2是本发明一个实施例的波浪数值模型的示意图；
图3是本发明一个实施例的物理模型的整体布置示意图；
图4是本发明近岸波浪条件-船舶动态响应转换函数示意图，其中，入射波浪转换为船舶纵移，波向Dir=45oN；
图5是本发明近岸波浪条件-船舶动态响应转换函数示意图，其中，入射波浪转换为船舶纵移，波向Dir=67.5oN；
图6是本发明近岸波浪条件-船舶动态响应转换函数示意图，其中，入射波浪转换为船舶纵移，波向Dir=90oN；
图7是本发明近岸波浪条件-船舶动态响应转换函数示意图，其中，入射波浪转换为船舶纵移，波向Dir=112.5oN。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1至图7所示，本发明提供评估港口不可作业时间的方法，包括：
步骤一、获取外海预设时间段的波浪时间序列后，搭建区域波浪数值模型，将外海预设时间段的波浪时间序列传播至近岸，并在近岸位置提取波浪时间序列，得到近岸位置预设时间段的波浪时间序列（H，T，Dir），之后进行波高-周期-波向联合分布统计分析，并获得波高-周期-波向联合分布结果；
步骤二、根据步骤一得到的波高-周期-波向联合分布结果，得到物理模型试验的典型波况组合，之后建立工程区整体物理模型、船舶动态响应物理模型，对于不同泊位，分别基于所述典型波况组合，开展泊位处船舶动态响应的物理模型系列试验，并测量各组典型波况组合下的八个动态响应参数，其中，八个动态响应参数为护舷反力、系缆力、纵移、横移、升沉、纵摇、横摇和回转；
步骤三、对于不同泊位，分别根据步骤二得到的各个泊位处的各组典型波况组合下的八个动态响应参数，分析并列出各组典型波况组合下的八个动态响应参数的最大值，之后通过线性差值的方法得到各个泊位处的各种波况作用下的各个动态响应参数的最大值与入射波浪之间的定量关系，即
R i = f i （H，T，Dir）， i = 1,2，···，8 (1)
其中，R 1 ～ R 8 分别为入射波浪对应的泊位处八个动态响应参数的最大值；
H，T，Dir分别为入射波浪的波高、周期和波向；
f 1 ～ f 8 分别为入射波浪对应的泊位处八个动态响应参数的转换函数；
步骤四、对于不同泊位，分别根据步骤三得到的各个泊位处的各种波况作用下的f 1 ～ f 8 将步骤一得到的近岸位置预设时间段的波浪时间序列（H，T，Dir）转换为各个泊位处R 1 ～ R 8 的时间序列，通过对比各个泊位处R 1 ～ R 8 的时间序列与相应的限制标准，分别统计各个泊位处的八个动态响应参数的最大值的累积超越频率，得到八个动态响应参数对应的不可作业时间结果D i （i = 1,2，···，8），泊位的不可作业时间结果为各个动态响应参数对应的不可作业时间结果D i 的最大值。
本发明使用波浪数值模型将外海长时间波浪时间序列传播至近岸，并以此作为物理模型试验的输入条件，通过物理模型试验测量近岸典型波况组合下的泊位处船舶动态响应参数，然后通过构建转换函数，将近岸位置长时间波浪时间序列转换为港内泊位处船舶动态响应时间序列，并最终通过系缆力、护舷反力以及船舶的六个自由度运动量的作业限制标准，精确评估港口不可作业时间。
基于波浪条件评估港口的可操作性通常只考虑了限制波高，而忽视了波浪周期和波浪方向的影响，不能全面反映港口水域的波浪条件对港口不可作业时间的影响。考虑到波浪-船舶的相互作用，港口的可操作性最终取决于泊位处船舶的动态响应参数（包括系缆力、护舷反力和船舶的六个自由度运动量），而不仅仅是港内水域的波高条件。因此，利用基于泊位处船舶动态响应的限制作业条件来评估港口的可操作性更为准确。
在另一种技术方案中，所述步骤一中，获取外海1979年至今的波浪时间序列。
在另一种技术方案中，所述步骤一中，在防波堤外1.5倍波长处提取波浪时间序列。
在另一种技术方案中，所述步骤二中，根据步骤一得到的波高-周期-波向联合分布结果，对波浪方向、波浪周期和波高进行归并，具体为每22.5°相位角取一个代表性波浪方向、每2~3s间隔取一个代表性波浪周期，并按0.5~1.0m间隔选择不同的入射波高进行试验，得到物理模型试验的典型波况组合。
在另一种技术方案中，所述步骤一中，采用NOAA风浪模型、ECMWF波浪模拟模型或中交四航院全球波浪模型来获取外海一定时间段的波浪时间序列。
本发明提出了一种基于波浪数值模拟和物理模型试验评估港口不可作业时间的方法，具体步骤如下（参考图1）：
步骤一：搭建区域波浪数值模型，将外海长时间波浪时间序列传播至近岸，并在近岸位置提取波浪时间序列，进行波高-周期-波向联合分布等统计分析。
1.1、获取外海长时间波浪时间序列，包括但不限于：NOAA风浪模型（Wind WaveModel; WAVEWATCH III）、ECMWF波浪模拟模型（Wave Modelling Project; WAM）或中交四航院全球波浪模型（CCCC-FHDI Global Wave Model）等波浪再分析后报数据。外海长时间波浪时间序列通常包含近40余年（1979-现在）外海深水位置波高、周期、波向等波浪信息。
1.2、搭建区域波浪数值模型，将外海长时间波浪时间序列传播至近岸。图2为典型区域波浪数值模型示例，区域波浪数值模型通常基于波谱模型，采用三角形变尺寸网格，由外海开边界向近岸工程海域逐渐加密；外海开边界位于外海波浪信息提取位置，并考虑地形、风场、底摩擦、波浪破碎等因素，将波浪时间序列由外海传播至近岸。
1.3、在近岸位置提取波浪时间序列，得到近岸位置长时间波浪时间序列（H，T， Dir），具体位置可取防波堤外1.5倍波长处。分析近岸（防波堤外）的入射波浪方向、波浪周期以及主要波高范围，并进行波高-周期-波向联合分布等统计分析。表1和表2分别为波高-波向，波高-周期联合出现频率分析示例。
表1 波高-波向联合出现频率分析示例
Figure 300897DEST_PATH_IMAGE001
表2 波高-周期联合出现频率分析示例
Figure 621064DEST_PATH_IMAGE002
步骤二：建立物理模型，进行典型波况组合下的各泊位处船舶动态响应物理模型系列试验。
2.1、确定物理模型试验的典型波况组合。根据步骤1.3确定的近岸（防波堤外）的波浪波高-周期-波向联合分布结果，确定试验的典型波况组合。试验典型波高-周期-波向波况组合需能够全面反映近岸（防波堤外）的入射波浪条件，对于试验波浪方向主要选取对港口不可作业时间存在影响的波浪方向。为使试验可行，通常可根据近岸（防波堤外）的波浪波高-周期-波向联合分布情况，对波浪方向、波浪周期和波高进行一定的归并，如每22.5°相位角取一个代表性波浪方向、每2~3s间隔取一个代表性波浪周期，并按0.5~1.0m间隔选择不同的入射波高进行试验。表3-1、表3-2、表3-3和表3-4为物理模型试验典型波况组合示例，该示例考虑了5个波高：1.5m，2.0m，2.5m，3.0m，3.5m；3个周期：8s，10s，12s；4个波向：45oN，67.5oN，90oN，112.5oN；共计60组波况组合。
表3-1 物理模型试验典型波况组合示例
Figure 159493DEST_PATH_IMAGE003
表3-2 物理模型试验典型波况组合示例
Figure 340945DEST_PATH_IMAGE004
表3-3 物理模型试验典型波况组合示例
Figure 91863DEST_PATH_IMAGE005
表3-4 物理模型试验典型波况组合示例
Figure 215939DEST_PATH_IMAGE006
2.2、建立工程区整体物理模型。工程区整体物理模型选取一定的模型比尺（通常不小于1:80），按照正态模型和弗劳德（Froude）数相似准则进行设计和建模。模型在试验水池中的布置需考虑不同入射波浪方向的要求。整体物理模型的模型范围应包含整个港区和防波堤等，以准确模拟港内水域的波浪条件。对于某些特殊结构形式防波堤，比如密排管桩式、透空式防波堤等，结构的狭窄缝隙等细部结构需精确模拟，以准确模拟结构的波浪透射情况，必要时需论证物理模型试验比尺效应的影响。图3为典型物理模型整体布置示例。图3中，1为防波堤，2为引桥，3为航道，4为回旋水域，5为泊位一，6为泊位二，7为造波机，8为消浪设施，9为消浪斜坡。
2.3、建立船舶动态响应物理模型。物理模型试验中的船模根据设计船舶资料采用玻璃钢或者木材等材料进行建造，除了满足几何相似准则外，还需与原型船的吃水、重量、重心、定倾中心高度、惯性矩和自振周期等参数保持相似。缆绳和护舷模型按照与原型的弹性变形曲线相似进行模拟。
2.4、进行典型波况组合下的泊位处船舶动态响应物理模型系列试验。基于步骤2.1确定的各种波高-周期-波向典型波况组合，对于不同泊位，分别开展泊位处船舶动态响应的物理模型系列试验。通过造波机生成各组波况波浪，并使用护舷传感器、拉力传感器和运动量监测系统分别测量各组典型波况组合下的护舷反力、系缆力和船舶的6个自由度运动量，6个自由度运动量即纵移、横移、升沉、纵摇、横摇和回转。护舷传感器安装在码头模型前沿，拉力传感器安装在模型船舶出缆孔位置处，运动监测系统发射器安装于模型船舶甲板中部、接收器安装于其发射器上方不高于1.5m处。
步骤三：构建近岸典型波况（波高-周期-波向）作用下的泊位处船舶动态响应参数（护舷反力、系缆力和6个自由度运动量）的转换函数。
3.1、根据步骤2.4得到的某一泊位处船舶动态响应物理模型试验结果，分析并列出各组典型波况（波高-周期-波向）组合下的护舷反力、系缆力和船舶的6个自由度运动量的最大值结果，6个自由度运动量包括纵移、横移、升沉、纵摇、横摇和回转。每组波况对应列出上述8个动态响应参数的最大值结果。
3.2、基于不同入射波高、周期和波向下的该动态响应参数的最大值结果，通过线性差值的方法得到该泊位处的各种波况作用下的各个动态响应参数的最大值与入射波浪之间的定量关系，即
R i = f i （H，T，Dir）， i = 1,2，···，8 (1)
式（1）中，R 1 ～ R 8 分别代表入射波浪对应的泊位处8个动态响应参数的最大值，即护舷反力、系缆力、纵移、横移、升沉、纵摇、横摇和回转组成的8个动态响应参数的最大值，H，T，Dir分别为入射波浪的波高、周期和波向，f 1 ～ f 8 分别为入射波浪对应的泊位处各个动态响应参数的转换函数。图4-图7为转换函数示例（入射波浪转换为船舶纵移）。
3.3、港域内如果有多个不同泊位，则其余每个泊位需重复步骤3.1~3.2以得到港域内各个泊位的转换函数，且各个泊位的转换函数均包含按步骤3.2所述的8个动态响应参数的转换函数。
步骤四：评估港口不可作业时间。
4.1、对于港域内某一泊位，依据步骤三得到的该泊位处各个动态响应参数的转换函数f 1 ～ f 8 ，将步骤1.3得到的近岸位置长时间波浪时间序列（H，T，Dir）转换为港内泊位处八个动态响应参数最大值R 1 ～ R 8 的时间序列，亦即护舷反力、系缆力、纵移、横移、升沉、纵摇、横摇和回转8个船舶动态响应参数最大值的时间序列。
4.2、通过对比护舷反力、系缆力以及船舶的6个自由度运动量的最大值的时间序列与对应限制标准，分别统计该泊位处各个动态响应参数的最大值对应的累积超越频率，得到各个动态响应参数对应的不可作业时间结果D i （i = 1,2，···，8）。D i 通常采用%为单位，反映了船舶的不可作业频率。对于船舶6个自由度运动量的动态响应参数，如果船舶的作业限制标准对某个或者某些运动分量没有要求，可直接取该动态响应参数对应的不可作业时间结果为0%，即如果为第i个动态响应参数无限制要求，则D i = 0%。
参考石油公司国际海事论坛（OCIMF）的《系泊设备指南》（MEG4），对于缆绳的不同类型，系缆力限制标准通常为最小破断力（Minimum breaking load；MBL）的50-55%。对于护舷，其反力的限制标准通常为护舷的设计最大反力和最大吸收能量。船舶运动量限制标准可参考《海港总体设计规范》（JTS 165-2013）推荐值（见表4-1和表4-2）。
表4-1《海港总体设计规范》（JTS 165-2013）推荐的船舶作业运动量限制标准
Figure 174537DEST_PATH_IMAGE007
表4-2《海港总体设计规范》（JTS 165-2013）推荐的船舶作业运动量限制标准
Figure 328437DEST_PATH_IMAGE008
4.3、泊位是否能够作业由船舶动态响应的单项不利参数控制，即8个动态响应参数中只要有一个参数不满足作业限制标准，该泊位就不能作业。被评估泊位的不可作业时间结果通常取值为步骤4.2得到的各个动态响应参数对应的不可作业时间结果D i 的最大值。
4.4、如果港域内有多个不同泊位，则其余每个泊位均需重复步骤4.1~4.3以得到港域内各个泊位的不可作业时间。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (5)

1.评估港口不可作业时间的方法，其特征在于，包括：
步骤一、获取外海预设时间段的波浪时间序列后，搭建区域波浪数值模型，将外海预设时间段的波浪时间序列传播至近岸，并在近岸位置提取波浪时间序列，得到近岸位置预设时间段的波浪时间序列（H，T，Dir），之后进行波高-周期-波向联合分布统计分析，并获得波高-周期-波向联合分布结果；
步骤二、根据步骤一得到的波高-周期-波向联合分布结果，得到物理模型试验的典型波况组合，之后建立工程区整体物理模型、船舶动态响应物理模型，对于不同泊位，分别基于所述典型波况组合，开展泊位处船舶动态响应的物理模型系列试验，并测量各组典型波况组合下的八个动态响应参数，其中，八个动态响应参数为护舷反力、系缆力、纵移、横移、升沉、纵摇、横摇和回转；
步骤三、对于不同泊位，分别根据步骤二得到的各个泊位处的各组典型波况组合下的八个动态响应参数，分析并列出各组典型波况组合下的八个动态响应参数的最大值，之后通过线性差值的方法得到各个泊位处的各种波况作用下的各个动态响应参数的最大值与入射波浪之间的定量关系，即
R i = f i （H，T，Dir）， i = 1、2、···、8 (1)
其中，R 1 ～ R 8 分别为入射波浪对应的泊位处八个动态响应参数的最大值；
H，T，Dir分别为入射波浪的波高、周期和波向；
f 1 ～ f 8 分别为入射波浪对应的泊位处八个动态响应参数的转换函数；
步骤四、对于不同泊位，分别根据步骤三得到的各个泊位处的各种波况作用下的f 1 ～ f 8 将步骤一得到的近岸位置预设时间段的波浪时间序列（H，T，Dir）转换为各个泊位处R 1 ～ R 8 的时间序列，通过对比各个泊位处R 1 ～ R 8 的时间序列与相应的限制标准，分别统计各个泊位处的八个动态响应参数的最大值的累积超越频率，得到八个动态响应参数对应的不可作业时间结果D i ，i = 1、2、···、8，泊位的不可作业时间结果为各个动态响应参数对应的不可作业时间结果D i 的最大值。
2.如权利要求1所述的评估港口不可作业时间的方法，其特征在于，所述步骤一中，获取外海1979年至今的波浪时间序列。
3.如权利要求1所述的评估港口不可作业时间的方法，其特征在于，所述步骤一中，在防波堤外1.5倍波长处提取波浪时间序列。
4.如权利要求1所述的评估港口不可作业时间的方法，其特征在于，所述步骤二中，根据步骤一得到的波高-周期-波向联合分布结果，对波浪方向、波浪周期和波高进行归并，具体为每22.5°相位角取一个代表性波浪方向、每2~3s间隔取一个代表性波浪周期，并按0.5~1.0m间隔选择不同的入射波高进行试验，得到物理模型试验的典型波况组合。
5.如权利要求1所述的评估港口不可作业时间的方法，其特征在于，所述步骤一中，采用NOAA风浪模型或ECMWF波浪模拟模型来获取外海一定时间段的波浪时间序列。
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