本發(fā)明涉及一種臺(tái)風(fēng)過程下越浪引起的海岸封閉水域水位抬升的評(píng)估方法，屬于海岸工程水動(dòng)力及越浪。

背景技術(shù)：

1、沿海地區(qū)是經(jīng)濟(jì)最活躍、最發(fā)達(dá)的地區(qū)，但同時(shí)也遭受著風(fēng)暴潮、災(zāi)害性海浪等海洋災(zāi)害的威脅。風(fēng)暴潮和災(zāi)害性海浪大多是由臺(tái)風(fēng)引起的。臺(tái)風(fēng)過程下的風(fēng)暴增水和巨浪可能會(huì)導(dǎo)致海水淹沒沿海地區(qū)，嚴(yán)重危害人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。

2、為促進(jìn)河海直達(dá)運(yùn)輸和內(nèi)河航運(yùn)高質(zhì)量發(fā)展，并提升區(qū)域海港的集疏運(yùn)水平，國(guó)內(nèi)河海直達(dá)出海通道建設(shè)需求不斷增大。河口海岸地區(qū)的河海直達(dá)出海通道往往需要建設(shè)出海船閘、導(dǎo)航堤等通航建筑物，其中航道兩側(cè)的導(dǎo)航堤具有“穩(wěn)定邊界、束槽固灘、導(dǎo)流護(hù)航、引流控咸”等功能，是必不可少的。河海直達(dá)出海通道的航道兩側(cè)導(dǎo)航堤需與河口海岸地區(qū)城市防洪圈相連，兩側(cè)導(dǎo)航堤之間形成了封閉水域。

3、導(dǎo)航堤通常采用拋石斜坡堤結(jié)構(gòu)。臺(tái)風(fēng)過程下，在高潮、大浪和大風(fēng)條件下，建筑物上的波浪爬高會(huì)超過導(dǎo)航堤堤頂擋墻，導(dǎo)航堤會(huì)發(fā)生越浪，導(dǎo)航堤的越浪水體會(huì)使兩側(cè)導(dǎo)航堤之間水域水位發(fā)生抬升，對(duì)通航、防洪排澇、生態(tài)環(huán)境等存在一定的影響?，F(xiàn)有技術(shù)手段中往往關(guān)注特定水位和波浪條件下的結(jié)構(gòu)物越浪量，并將波浪概化為正向入射采用越浪量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)構(gòu)物的單寬平均越浪量，結(jié)果往往過于保守、準(zhǔn)確度不夠，更不涉及實(shí)際臺(tái)風(fēng)過程下的海岸結(jié)構(gòu)物封閉水域內(nèi)的總越浪水量及水位抬升估算方法。實(shí)際臺(tái)風(fēng)過程下的海岸結(jié)構(gòu)物封閉水域內(nèi)的總越浪水量影響因素眾多復(fù)雜，包括海岸結(jié)構(gòu)物沿程各段的結(jié)構(gòu)參數(shù)、平面布置、前沿泥面高程、臺(tái)風(fēng)過程下的潮位、風(fēng)和波浪作用過程等因素，實(shí)際臺(tái)風(fēng)過程下越浪引起的海岸封閉水域水位抬升評(píng)估難度較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種臺(tái)風(fēng)過程下越浪引起的海岸封閉水域水位抬升的評(píng)估方法，通過海岸封閉水域結(jié)構(gòu)物前沿潮位、波浪和風(fēng)歷時(shí)過程參數(shù)、結(jié)構(gòu)物越浪物理模型試驗(yàn)及封閉水域水體增量與水位抬升的關(guān)系曲線，精確評(píng)估臺(tái)風(fēng)過程下越浪引起的海岸封閉水域水位抬升的方法。

2、技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一種評(píng)估臺(tái)風(fēng)過程下越浪引起的海岸封閉水域水位抬升的方法，包括以下步驟：

3、步驟一：搭建區(qū)域波浪-風(fēng)暴潮耦合數(shù)學(xué)模型，針對(duì)典型臺(tái)風(fēng)過程推算臺(tái)風(fēng)過程下海岸結(jié)構(gòu)物前沿風(fēng)、潮位和波浪歷時(shí)過程參數(shù)：

4、步驟二：建立物理模型，進(jìn)行臺(tái)風(fēng)過程下結(jié)構(gòu)物越浪的系列試驗(yàn)，確定結(jié)構(gòu)物全段的總越浪水體量；

5、步驟三：建立海岸結(jié)構(gòu)物間封閉水域的地形三維模型，得到結(jié)構(gòu)物間封閉水域的水體增量與水位抬升的關(guān)系曲線；

6、步驟四：評(píng)估臺(tái)風(fēng)過程下越浪引起的海岸封閉水域水位抬升。

7、作為優(yōu)選，步驟一包含以下步驟：

8、s1.1、獲取典型臺(tái)風(fēng)過程資料，包括該場(chǎng)臺(tái)風(fēng)的臺(tái)風(fēng)路徑、臺(tái)風(fēng)中心氣壓和臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度等歷時(shí)過程數(shù)據(jù)，采用臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式（如young?和?sobey臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)公式）及背景風(fēng)場(chǎng)（如era5數(shù)據(jù)）資料，建立該場(chǎng)臺(tái)風(fēng)的風(fēng)場(chǎng)過程，風(fēng)場(chǎng)過程是以一定時(shí)間步長(zhǎng)（如30分鐘），即一定時(shí)間間隔變化的風(fēng)過程參數(shù)，包括區(qū)域內(nèi)各個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的風(fēng)速、風(fēng)向，即風(fēng)場(chǎng)過程是數(shù)據(jù)結(jié)果，采用外海浮標(biāo)站點(diǎn)風(fēng)資料對(duì)建立的臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)過程進(jìn)行驗(yàn)證；

9、s1.2、考慮區(qū)域地形、結(jié)構(gòu)物、風(fēng)場(chǎng)和波浪傳播變形等因素，建立區(qū)域波浪-風(fēng)暴潮耦合數(shù)學(xué)模型，如swan模型，采用三角形變尺寸網(wǎng)格，由外海開邊界向海岸結(jié)構(gòu)物水域逐漸加密，采用外海浮標(biāo)站點(diǎn)潮位及波浪過程資料對(duì)區(qū)域波浪-風(fēng)暴潮耦合數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證，利用區(qū)域波浪-風(fēng)暴潮耦合數(shù)學(xué)模型推算該場(chǎng)臺(tái)風(fēng)過程下的區(qū)域潮位及波浪場(chǎng)過程；

10、s1.3、在海岸結(jié)構(gòu)物前沿沿程布置多個(gè)計(jì)算點(diǎn)，基于推算得到的該場(chǎng)臺(tái)風(fēng)過程下的區(qū)域風(fēng)場(chǎng)、潮位及波浪場(chǎng)過程，以一定的時(shí)間步長(zhǎng)（如30分鐘）提取該場(chǎng)臺(tái)風(fēng)過程下海岸結(jié)構(gòu)物前沿沿程各計(jì)算點(diǎn)的風(fēng)、潮位及波浪歷時(shí)過程參數(shù)，作為結(jié)構(gòu)物越浪物理模型試驗(yàn)的輸入條件。

11、作為優(yōu)選，所述步驟二包含以下步驟：

12、s2.1、海岸結(jié)構(gòu)物往往平面尺度較大，越浪物理模型試驗(yàn)需要較大的模型比尺，難以在一個(gè)整體物理模型里模擬全部結(jié)構(gòu)物范圍，考慮海岸結(jié)構(gòu)物沿程各段的結(jié)構(gòu)參數(shù)、平面布置、前沿泥面高程、臺(tái)風(fēng)過程下的波浪方向過程等因素，將目標(biāo)結(jié)構(gòu)物沿程分成多段代表段，并確定結(jié)構(gòu)物各代表段的沿程長(zhǎng)度，對(duì)結(jié)構(gòu)物各代表段分別進(jìn)行越浪物理模型試驗(yàn)，按照一代表段內(nèi)結(jié)構(gòu)物斷面結(jié)構(gòu)相同（擋墻頂高程、斜坡坡度和護(hù)面塊體型式等相同）、一代表段內(nèi)結(jié)構(gòu)物沿程縱軸線角度變化小于某一值（如小于10°）、一代表段內(nèi)結(jié)構(gòu)物前沿泥面高程的沿程差別小于某一值（如小于1.0m）、一代表段內(nèi)結(jié)構(gòu)物前沿的沿程波浪方向角度變化小于某一值（如小于10°）的原則將海岸結(jié)構(gòu)物劃分為不同代表段；

13、s2.2、基于臺(tái)風(fēng)過程下海岸結(jié)構(gòu)物前沿沿程各計(jì)算點(diǎn)的風(fēng)、潮位及波浪歷時(shí)過程參數(shù)，結(jié)合海岸結(jié)構(gòu)物堤頂高程及其與潮位過程的相對(duì)超高，選擇臺(tái)風(fēng)過程中高潮過程下的風(fēng)、潮位及波浪歷時(shí)過程參數(shù)作為結(jié)構(gòu)物越浪物理模型試驗(yàn)的輸入條件，其中風(fēng)向和波浪方向選擇高潮過程中風(fēng)向、波向與結(jié)構(gòu)物縱軸線夾角最大的代表風(fēng)向、波向進(jìn)行試驗(yàn)，確定目標(biāo)結(jié)構(gòu)物各代表段在臺(tái)風(fēng)、高潮過程下的試驗(yàn)潮位、風(fēng)及波浪系列工況組合，每一組工況的原型試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為潮位、風(fēng)及波浪歷時(shí)過程參數(shù)的時(shí)間步長(zhǎng)；

14、s2.3、分別建立目標(biāo)結(jié)構(gòu)物各代表段的三維局部整體物理模型。采用結(jié)構(gòu)物三維局部整體物理模型對(duì)結(jié)構(gòu)物各代表段的越浪進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)構(gòu)三維局部整體物理模型采用正態(tài)模型，按重力相似進(jìn)行模型設(shè)計(jì)。根據(jù)結(jié)構(gòu)物尺度、水深和波浪條件、場(chǎng)地設(shè)備條件，選擇合適的幾何長(zhǎng)度模型比尺（不小于1:60）。在實(shí)驗(yàn)水池里建造模擬結(jié)構(gòu)物物理模型，模型中結(jié)構(gòu)物與原型保持幾何相似，結(jié)構(gòu)物各部位均按比例尺縮小后進(jìn)行制作，水池內(nèi)配置有造波機(jī)設(shè)備模擬臺(tái)風(fēng)過程中的波浪參數(shù)，同時(shí)為了考慮風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)物越浪的影響，水池內(nèi)還配置有風(fēng)機(jī)設(shè)備；

15、s2.4、對(duì)結(jié)構(gòu)物各代表段物理模型分別進(jìn)行其相應(yīng)的潮位、風(fēng)及波浪系列工況組合的越浪試驗(yàn)，得到結(jié)構(gòu)物各代表段在各組工況下的單寬平均越浪量試驗(yàn)結(jié)果，建立結(jié)構(gòu)物各代表段在各時(shí)間步長(zhǎng)工況下的單寬平均越浪量與結(jié)構(gòu)物代表段段號(hào)、潮位、風(fēng)及波浪參數(shù)的關(guān)系，即

16、（1）

17、式中， q ij為結(jié)構(gòu)物第 i段代表段在第 j時(shí)間步長(zhǎng)工況下的單寬平均越浪量； f i為結(jié)構(gòu)物第 i段代表段單寬平均越浪量與結(jié)構(gòu)物代表段段號(hào)、潮位、風(fēng)及波浪參數(shù)的關(guān)系函數(shù)； wl j為第 j個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)工況下的潮位； vwind j為第 j個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)工況下的風(fēng)速； dwind j為第 j個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)工況下的風(fēng)向； h j為第 j個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)工況下的波高； t j為第 j個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)工況下的波浪周期； dwave j為第 j個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)工況下的波向；

18、臺(tái)風(fēng)、高潮過程下海岸結(jié)構(gòu)物全段的總越浪水體量按以下公式計(jì)算確定，即

19、（2）

20、式中， v為臺(tái)風(fēng)、高潮過程下海岸結(jié)構(gòu)物全段的總越浪水體量（單位：m3）； n為目標(biāo)結(jié)構(gòu)物分段的代表段的數(shù)量； m為結(jié)構(gòu)物各代表段在臺(tái)風(fēng)、高潮過程下的試驗(yàn)潮位、風(fēng)及波浪系列工況組合的數(shù)量（試驗(yàn)時(shí)間步長(zhǎng)的數(shù)量）； q ij為結(jié)構(gòu)物第 i段代表段在第 j時(shí)間步長(zhǎng)工況下的單寬平均越浪量（單位：m3/(m.s)）； △t為單個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的原型歷時(shí)時(shí)長(zhǎng)（如30分鐘）（單位：s）； l i為結(jié)構(gòu)物第 i段代表段的沿程長(zhǎng)度（單位：m）。

21、作為優(yōu)選，步驟三：建立海岸結(jié)構(gòu)物間封閉水域的地形三維模型，得到結(jié)構(gòu)物間封閉水域的水體增量與水位抬升的關(guān)系曲線，具體包含以下步驟：

22、s3.1、基于海岸結(jié)構(gòu)物間封閉水域區(qū)域的水底地形資料數(shù)據(jù)，采用三維建模軟件（如bim模型），建立該封閉水域的地形三維模型，準(zhǔn)確模擬該封閉水域的地形信息；

23、s3.2、基于結(jié)構(gòu)物間封閉水域的地形三維模型，從某一初始水位，以一定的水位間隔（如0.1m水位間隔）不斷抬升該封閉水域的水位，計(jì)算各水位抬升值下的該封閉水域內(nèi)的水體增量，得到該封閉水域的水體增量與水位抬升的關(guān)系曲線。

24、作為優(yōu)選，步驟四：評(píng)估臺(tái)風(fēng)過程下越浪引起的海岸封閉水域水位抬升，具體包含以下步驟：

25、s4.1、基于海岸結(jié)構(gòu)物間封閉水域的水體增量與水位抬升的關(guān)系曲線，通過一元多項(xiàng)式擬合的方法得到封閉水域的水位抬升與水體增量的定量關(guān)系函數(shù)，即

26、（3）

27、式中， wl c為海岸封閉水域水位抬升后的水位值； v為臺(tái)風(fēng)、高潮過程下海岸結(jié)構(gòu)物全段的總越浪水體量，即越浪引起的海岸封閉水域的水體增量； wl 0為越浪前的海岸封閉水域的調(diào)控初始水位值；

28、s4.2、基于步驟s2.4得到的臺(tái)風(fēng)、高潮過程下海岸結(jié)構(gòu)物全段的總越浪水體量，即海岸封閉水域的水體增量，通過步驟s4.1得到的封閉水域的水位抬升與水體增量的定量關(guān)系函數(shù)，可精確計(jì)算評(píng)估臺(tái)風(fēng)過程下越浪引起的海岸封閉水域的水位抬升。

29、在現(xiàn)有技術(shù)手段中往往關(guān)注特定水位和波浪條件下的結(jié)構(gòu)物越浪量，并將波浪概化為正向入射采用越浪量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)構(gòu)物的單寬平均越浪量，結(jié)果往往過于保守、準(zhǔn)確度不夠，更不涉及實(shí)際臺(tái)風(fēng)過程下的海岸結(jié)構(gòu)物封閉水域內(nèi)的總越浪水量及水位抬升估算方法。實(shí)際臺(tái)風(fēng)過程下的海岸結(jié)構(gòu)物封閉水域內(nèi)的總越浪水量影響因素眾多復(fù)雜，包括海岸結(jié)構(gòu)物沿程各段的結(jié)構(gòu)參數(shù)、平面布置、前沿泥面高程、臺(tái)風(fēng)過程下的潮位、風(fēng)和波浪作用過程等因素，實(shí)際臺(tái)風(fēng)過程下越浪引起的海岸封閉水域水位抬升評(píng)估難度較大。本技術(shù)方案針對(duì)臺(tái)風(fēng)過程，通過區(qū)域波浪-風(fēng)暴潮耦合數(shù)學(xué)模型模擬推算海岸結(jié)構(gòu)物前沿的潮位、波浪和風(fēng)歷時(shí)過程參數(shù)；根據(jù)多種影響因素將海岸結(jié)構(gòu)物沿程分成不同代表段，對(duì)各代表段結(jié)構(gòu)物分別采用臺(tái)風(fēng)過程的潮位、風(fēng)及波浪系列工況組合開展越浪物理模型試驗(yàn)，考慮波浪實(shí)際作用方向及風(fēng)對(duì)越浪量的影響，得到海岸封閉水域的總越浪水量；基于封閉水域地形信息及初始水位，擬合封閉水域水體增量與水位抬升的關(guān)系曲線，由封閉水域的總越浪水量得到其水位抬升值。

30、有益效果：本發(fā)明的評(píng)估臺(tái)風(fēng)過程下越浪引起的海岸封閉水域水位抬升的方法，可準(zhǔn)確評(píng)估臺(tái)風(fēng)過程下越浪引起的海岸封閉水域水位抬升。