淀山湖赵田湖水域风浪要素研究*

中国环境学会  2011年 03月31日


  曹勇   孙从军 (上海市环境科学研究院,上海,200233)
   
  摘要:本文通过对风浪进行现场观测,对78个小时的测定结果进行拟合后得出淀山湖赵田湖水域风浪要素计算公式为:
  根据公式,本文对赵田湖水域风浪和风速风向关系进行了讨论,提出在东南南风作用下构筑物设计要求相对较高,要抵抗8级大风则构筑物必须能抵抗波高90cm的风浪;其他风场情况下,同样抗风要求下构筑物只要能抵抗波高50cm的风浪。
  关键词:赵田湖,风浪,波高,风速
   
  淀山湖地处江苏、浙江、上海两省一市交界处,地理位置为 31°04′~31°12′N,120°54′~120°01′E,分属江苏省昆山市和上海市青浦区管辖。赵田湖处于淀山湖北部,属于昆山市境内。
  近年来,淀山湖水质逐渐恶化,水华频发。上海市政府正着手组织开展各项技术措施(包括工程措施),改善淀山湖水质。而淀山湖是平原地区的浅水湖泊,平均水深约2m,最大水深3.6m,湖面辽阔,水域面积达到62km2,如果要开展湖面工程设施建设,防止风浪对治理设施造成破坏将是首要考虑因素。同时根据前人的研究,波浪会导致湖泊水-沉积物界面不稳定,造成底泥再悬浮和营养盐的内源释放,会影响湖泊物理、化学、生物过程重要的驱动力之一[1-3]。因此风浪的研究对构筑物设计要求和湖泊生态系统研究都具有重要意义。
  目前对淀山湖风浪要素的研究还未见报道。本研究结合《上海淀山湖富营养化防治与生态修复试验项目》子课题-千墩浦前置库项目的建设,对淀山湖千墩浦河口即赵田湖水域的风浪进行观测,对影响风浪的因素进行计算和研究。


  1. 观测方法


  风浪观测
  现场波浪观测仪器为Nortek公司的AWAC-浪龙。观测站位如下图1。浪龙采用AST法观测,仪器发射一个短的声学脉冲,然后精确地处理返回信号,从而保证测量精度达到厘米以下。AST法不受流速和压力信号衰减的影响,所以它能够不受干扰的对水表面进行直接测量。波浪观测每小时观测40分钟,每秒观测一次。观测结束,用Storm软件统计观测结果,计算出每小时的平均波高、最大波高等参数。
  2009年6月16日-19日及11月13日-18日开展了两次风浪观测。共记录有效波高数据1123.2万个。经Storm软件对每小时的测定数据进行统计,得出78(小时)个平均波高。
  风速风向观测
  在岸边建设观测平台,平台距离水面5m。安装Watch Dog (Model 900 ET)自动气象站,进行现场风速风场观测。


  2 风浪参数确定


  风浪的成长与大小,其影响因子不仅是风力,也与风所作用水域的大小(即风区长度)、作用时间的长短(即风时)和水深等有密切关系。另外风浪的影响因子还包括地形、岸线形状、水深植物覆盖度[4]等。
  根据《堤坝工程设计规范》(GB50286-98),当风区长度小于等于100km,可以不考虑风时的影响。研究对象淀山湖没有超过100Km,因此风区长度的影响不再考虑。
  根据相关规程[5]及前人在洞庭湖、太湖的研究工作[6-7],确定风速、风区长度、水深为本研究的主要影响因素。
  2.1风速的确定
  根据《碾压式土石坝设计规范》,风速应采用水面上空10m高度处的10min的平均风速,当仅能获得距水面其他高度的风速时,根据《规范》所确定的系数进行换算。因此本研究将实测10分钟平均风速数据乘以换算系数1.10,换算成10m高度处风速数据,进行相关模拟和计算。
  2.2风向及风区长度的确定
  风向按照水域计算点处8个方位角确定,其允许偏差为±22.5º。
  风区长度确定:按照《碾压式土石坝设计规范》的规定,当沿风向两侧的水域较宽广、水域周界比较规则时,风区长度可采用计算点逆风向到对岸的距离。
  2.3水深确定
  水深按照风区内水域平均深度确定。当风区内水域的水深变化较小时,水域平均深度可按计算风向的水下地形剖面图确定。
  2.4测定站位相关参数确定
  根据淀山湖地形,确定8个主要的风向,主风向见下表1,风向范围为±22.5º。根据测定,8个风向对应的风区长度见表1。
  观测站点位于千墩浦河口,根据观测,水深的年变化范围为1.8-3m。采用每次现场监测时测定的水深数据为对应计算水深。
  表1 观测点风向及其对应的风区长度

  

主风向(º)

风向范围(º)

风区长度(m

北风

0

337.5-0-22.5

638

东北风

45

22.5-67.5

745

东风

90

67.5-112.5

1064

东南风

135

112.5-157.5

1277

南风

180

157.5-202.5

2128

西南风

225

202.5-247.5

1277

西风

270

247.5-292.5

745

西北风

315

292.5-337.5

532


  3 结果拟合


  3.1 风浪要素计算经验公式
  目前从理论上精确预报浅水风成波浪要素还有一定的困难,国内外学者在计算风浪要素时大多数采用半理论半经验方法。目前应用在湖泊中的风浪要素计算方法主要有莆田实验站法、南京水利科学研究院乔树梁等所得到的浅水湖泊风浪公式[7]等等。
  其中莆田实验站法是由河海大学洪广文等[8]根据福建莆田实验站观测资料考虑风速、风区和水深的影响,提出的一个适用深、浅水的风浪要素计算方法,该方法已为我国水利部《碾压式土石坝规范》所采用。

  其中 d为水深,单位m;F为风区长度,单位m;U为10m处10min内平均风速,单位m/s; 为平均波高,单位m。
  在此基础上,后续的研究人员以莆田试验站公式为基础,针对不同湖泊的实际情况,利用实测资料对其进行修正,得到对应的计算公式。
  本研究也遵循这个思路,从莆田实验站公式出发,根据现场实测资料,拟合相关系数,从而得到淀山湖赵田湖水域风浪要素的计算公式,为后续的风浪研究提供基础。
  首先设定参数p1、p2、p3、p4、p5。
  利用1stOpt(First Optimization)软件,根据实测资料对参数P1-p5进行拟合。通过最小二乘法拟合得出,参数的最佳估算值见表2,拟合的残差平方和(SSE)=227.45,相关系数R=0.842,相关系数平方R2=0.71。
  表2  参数估算值

  参数

最佳估算值

p1

0.728

p2

0.157

p3

0.618

p4

0.0011

p5

0.672

  其中, 为平均波高,单位m;U为10m处10分钟平均风速,单位m/s;d为平均水深,单位m;F为风区长度,单位m。该公式计算值和实测波高值的对比见下图2。


  4 分析和讨论


  4.1 淀山湖赵田湖区域风浪特征分析
  淀山湖地处长江三角洲地区,属于亚热带季风气候,受冷暖空气交替影响。春、夏、秋季多为东南风,冬季多西北风。常年以东南风最多,年平均风速3.5m/s,在7~9月常受台风侵袭。
  赵田湖处于淀山湖北岸。在西北风和东南风作用下,由于风区长度较小,最多只有1500m,因此形成的风浪不会很大。现场实测时,观测站点离岸500m,在4-5级西北风作用下平均波高都低于10cm。
  同时,赵田湖成狭窄的开口,湾口朝向西南偏南方向。因此如果现场吹西南偏南风(190-213°左右),风区长度较长,最大可以达到7500m左右,会形成较大风浪,容易对构筑物造成损害。
  4.2 赵田湖风浪大小的分析
  根据模拟得出的风浪要素关系式,对赵田湖风浪进行拟合和评价。
  按照水深3m,风区长度1500m进行风浪和风速拟合
  赵田湖是淀山湖的湖湾,水深基本在2.5m左右变动,取大值3m。同时在最常见的东南风和西北风作用下,风区长度最大约为1500m。在此条件下,对风浪和风速进行模拟,结果如图3所示。
   (3)小结
  从拟合结果来看,西南偏南风对赵田湖湖湾风浪大小影响很大,5级风都能形成波高50cm左右的风浪。其他风向的风形成的风浪相对较小,8级风形成的风浪波高都要低于50cm。
  在构筑物设计时,如果不考虑西南南风的影响,构筑物的设计要求可适当放低,例如要满足抗8级大风,设计构筑物需要能抵抗50cm波高的波浪。如果受西南偏南风的作用,则要提高设计要求,例如要抗8级大风,则构筑物要能抵抗90cm的风浪。
   
  5 结论


  (1)本研究开展了现场风浪和风速观测。通过对观测数据的拟合,得出淀山湖赵田湖水域的风浪要素计算公式为。 
  (2)赵田湖处于淀山湖北岸,湾口朝向西南偏南方向。在经常出现的西北风和东南风作用下,风浪较小,只有在西南偏南风时,会形成较大风浪,容易对构筑物造成损害。拟合结果也印证了以上结论。
  (3)在构筑物设计时,如果不考虑西南南风的影响,要满足设计构筑物只要能抵抗50cm波高的波浪,就能满足抗8级大风要求。如果受西南偏南风的作用,构筑物要能抵抗90cm的风浪才能满足抗8级大风。
   
  参考文献:
  秦伯强,胡维平,高光等,太湖沉积物悬浮的动力机制及内源释放的概念性模式,科学通报,2003,48(17):1822-1831;
  秦伯强, 范成新,大型浅水湖泊内源营养盐释放的概念性模式探讨,中国环境科学,2002,22(2):150-153;
  Fan C X,Zhang L,Qu W C。Lake sedemnets resuspension and caused phosphate release-a simulation study,Journal of Environmental Sciences, 2001,13(4):406-410
  胡维平,胡春华,张发兵等,太湖北部风浪波高计算模式观测分析,湖泊科学,2005,17(1):41-46
  碾压式土石坝设计规范 SL274-2001
  赵利平,沈浩,沈小雄,洞庭湖区风浪要素计算的探讨,长沙交通学院学报,2004,20(4):82-87
  乔树梁,杜金曼,陈国平,等,湖泊风浪特性及风浪要素的计算,水利水运科学研究,1996,(3):189-197
  丰鉴章,海岸工程中的海浪推算方法,北京:海洋出版社,1987
  
  *市科委科技攻关计划项目(课题编号:08DZ1203106);《上海淀山湖富营养化防治与生态修复试验项目》子课题-千墩浦前置库项目。

 
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