杭州灣嘉興海塘水文要素重現期組合數值分析

黃世昌，董偉良，趙帥康，王家青

(浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規劃設計研究院），浙江 杭州 310020)

杭州灣嘉興海塘保護區內人口稠密，生產要素高度聚集，是浙江重要的經濟產業帶。隨著經濟社會的快速發展，經濟要素和人口不斷集聚，海塘工程是抗臺御潮的唯一屏障，一旦受損，將會造成比以往更為巨大的損失。杭州灣嘉興海塘2000 年已提標加固，絕大多數的防潮擋浪標準為50～100 年一遇高潮位加同頻率的設計波浪，對應海塘等級為Ⅲ～Ⅰ。進入21 世紀以來，登陸或嚴重影響浙江的強臺風頻率呈上升態勢，占1949 年以來超強臺風數量的三分之二；登陸浙江臺風的要素屢破歷史記錄，2006 年“桑美”和2019 年“利奇馬”超強臺風則是正面襲擊浙江。另外，嘉興部分海塘沉降明顯，海塘塘頂高程低于設計高程，如黃沙塢海塘、海鹽東段海塘和白沙灣海塘沉降分別大于24、20 和30 cm[1]。

2020 年浙江省開展“海塘安瀾千億工程”建設，杭州灣嘉興海塘防潮標準需提高至100～300 年一遇，對應的波浪重現期應如何確定，是海塘設計面臨的重要問題之一?！逗５坦こ淘O計規范》（GB/T 51015—2014）規定設計波浪的重現期宜采用與設計高潮位相同的重現期，當采用其他設計標準時應充分論證，海堤規范主要應用于防潮（洪）標準為百年或百年以下的海堤。浙江沿海的年最高潮位和波高系列均由臺風引起，設計高潮位和波浪的重現期組合可由臺風途經時遭遇潮位的特征進行解釋。本文通過模擬歷史臺風登陸及設計的強臺風、超強臺風登陸產生的風暴高潮位和臺風浪波高過程，研究高標準海塘的高潮位與波浪的頻率組合，為高標準海塘設計提供依據。

1 研究區域概況

杭州灣嘉興海塘自海鹽黃沙塢海塘至平湖白沙灣海塘（圖1），長約65 km，屬于杭州灣北岸浙江段岸線。杭州灣嘉興海塘共有25 條分段海塘，絕大多數設計防御標準為50～100 年一遇[2]，海塘頂高程6.5～10.6 m（85 國家高程基準，下同）。杭州灣北岸設有澉浦、乍浦和金山3 個潮位站，1950—2007 年中最高潮位由登陸臺風、途經沿海的臺風和大潮汛控制的比例為91%～98%。北岸平均高潮位由灣頂向灣口沿程降低，潮差向灣口沿程減少，北岸3 個站的平均潮差分別為5.61、4.75 和4.33 m，平均高潮位為3.09、2.61 和2.41 m，歷史最高潮位分別達到6.56、5.54 和4.97 m[3]。

圖1 杭州灣北岸嘉興海塘代表塘段位置（1#～3#為西、中、東段）Fig.1 Location of representative section of Jiaxing seawall on north bank of Hangzhou Bay

根據1949—2021 年間熱帶氣旋活動規律的統計，影響浙江熱帶氣旋平均每年3.66 個，共有47 個臺風登陸浙江，登陸的各等級典型臺風有5612 號超強臺風、0414 號“云娜”強臺風、0216 號“森拉克”臺風和8923 號熱帶氣旋，這4 場臺風登陸時的中心氣壓分別為923、950、965 和975 hPa，分別于浙中北象山、浙中溫嶺、浙南蒼南和浙中椒江登陸（見圖2）。

圖2 典型臺風路徑（①～⑤為假定登陸點）Fig.2 Tracks of typical typhoon (①～⑤ denote assumed locations of landing)

杭州灣北岸和灣中部分別設有乍浦和灘滸波浪測站，乍浦站于1967 年設站觀測，至1997 年停測，灘滸站1978 年開始觀測一直延續至今，乍浦站附近水域的波浪基本為風浪，涌浪占比僅1.4%，乍浦站年平均波高0.2 m，年平均周期1.2 s，全年常浪向為E，最大實測波高達6.0 m（據調查后修正為4.0 m）。灘滸站年平均波高0.3 m，年平均周期1.2 s，全年常浪向N-NNE，實測最大波高4.0 m，方向ENE。黃沙塢、海鹽東段和白沙灣段海塘位于杭州灣嘉興海塘的起始、中間和末端，總體上可表征杭州灣嘉興海塘的水文特征，設計高潮位自上游向下游降低，100 年一遇高潮位分別為6.90、6.41 和5.32 m，設計同頻強浪向的有效波高逐步增大，100 年一遇波高分別為3.0、3.7 和4.0 m[4-6]。

2 計算模型的建立

本文構建的沿海天文潮-風暴潮-臺風浪耦合模式由3 個部分構成，即表征臺風特征的驅動風場、天文潮與風暴潮兩潮模型及臺風浪模型。各模型的選取如下：

（1）歷史臺風的驅動風場采用ERA5 再分析數據集，ERA5 是由歐洲中尺度氣象中心（European Centre for Medium-range Weather Forecasts，ECMWF）開發的第5 代再分析數據產品，按時間跨度分為1950—1978 年的預覽初始版和1979 年至今的穩定版。假定登陸的臺風采用臺風參數模型，選用Jelesnianski 氣壓場與風場模型[7]表達臺風風速和氣壓，以經驗關系式計算最大風速半徑及最大風速[8]，其優點是便于使用，能反映臺風的主要風場特征，且能用于研究臺風參數的改變對臺風浪的影響。

（2）選用Demark 水利研究所開發的河口、海岸和海洋潮汐二維模型（MIKE 21）作為天文潮與風暴潮耦合計算的基礎，該模型可以用粗網格將開邊界布置于天文潮與增水基本是線性關系的深水海域，在局部區域可嵌套加密網格，精細模擬增水強烈的近岸海域，大、小計算域相互提供水位及流速邊界條件，水位、動量信息相互交換；且能較好處理動邊界問題。海邊界的天文潮潮位由全球潮波模型TPXO.6[9]推算求得，其中包含8 個主要分潮（M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1）和2 個長周期分潮（Mf和Mm），模型的全球網格數為1 440×721，分辨率為0.25°，邊界潮波、海面強迫力模式和二維水動力模式可構成天文潮與風暴潮耦合模式。

（3）采用SWAN（Simulating Wave Nearshore）第3 代波譜模型，能夠描述淺水區特定的風、流和水下地形條件下波浪場的演化?？刂品匠倘缦拢?/p>

式中：S為源匯項，S=Sw+Sn+Sd+Sf，Sw、Sn、Sd、Sf分別代表由風產生的能量輸入、波與波間相互作用、破波耗散、床底損失。式中左端第1 項為波作用量隨時間的變化項；第2、3 項為波作用量的空間對流項；第4 項為由于水深變化和水流作用造成的波作用量在頻域上的變化；第5 項為折射項。波作用量方程的離散基于迪卡爾坐標下的隱式差分，對波的傳播和源項采用固定的時間步長。

天文潮-風暴潮-臺風浪的耦合模型計算域西至廣東汕頭，南至臺灣島南端，東至日本琉球群島-韓國濟州島東側一線，北至渤海遼東灣北岸，范圍為21.5°N～41°N、116.5°E～127°E，計算域面積為224 萬km2，網格布置充分利用三角形網格的優點，按照關鍵水域網格密、其他水域網格疏的原則進行布置，計算域內的網格布設考慮了水流、地形梯度的差異，對杭州灣北岸海塘工程附近的計算網格作進一步加密，保證杭州灣北岸海塘前沿水域精度。模型共布設98 153 個單元與52 280 個節點，其中外海邊界處網格分辨率為50 km，浙江沿海網格分辨率為200～500 m，杭州灣北岸海塘附近網格尺寸為50 m。模型范圍及網格布置見圖3。外海除臺灣海峽和對馬海峽局部加糙外，曼寧系數取值范圍均為0.016～0.018，杭州灣的取值范圍為0.008～0.012。

本模型已通過眾多臺風登陸或途經沿海產生的風暴潮和臺風浪過程的驗證[10-13]，1909 號、0414 號、9711 號等20 場登陸浙江沿海的臺風在杭州灣內產生的最高風暴高潮位實測與模擬比較見圖4，其中歷史臺風風場采用ERA5 再分析數據集，同時對典型臺風登陸也采用理論風場進行驗證。根據圖4 中對比結果可知，本文模擬的風暴高潮位和杭州灣北岸乍浦和澉浦2 個長期測站實測風暴高潮位誤差基本在10 cm 以內，乍浦和灘滸兩站的最大有效波高誤差總體在20%以內，這表明模型能較好復演臺風產生的風暴潮位和臺風浪過程，具備假定臺風登陸產生的風暴潮和波浪的預測能力。

圖4 杭州灣北岸潮位和波高的驗證Fig.4 Comparison of observed and simulated tidal levels and significant wave heights at northern bank of Hangzhou bay

3 高潮位與波高的頻率組合

3.1 風暴高潮位與臺風浪波高的樣本構成

風暴高潮位與臺風浪波高的樣本由歷史臺風登陸和設計臺風登陸產生的相應事例組成，歷史臺風計算方案選取1979—2021 年共33 場登陸浙江的臺風，設計臺風選擇5612 號、0414 號、0216 號和8923 號臺風作為超強臺風、強臺風、臺風、熱帶氣旋共4 種臺風等級強度，臺風可在天文潮過程中任意時段登陸，其遭遇的天文潮潮位具有一定的隨機性。為研究極端的高潮位情況，假定臺風登陸時遭遇天文潮大潮高潮位及其前的2、4、6 h 時刻的潮位，天文潮條件選取2002 年10 月5 日至10 月9 日的天文潮過程，該過程最高潮位接近浙江沿海年最高天文潮多年平均值。依據臺風登陸的范圍和次數，登陸點設為5 處，①～⑤登陸點分別代表浙北、浙中北、浙中、浙中南和浙南登陸點，相鄰登陸點間距70～85 km，在臺風10 級大風半徑以內，路徑見圖2。設計臺風計算組次合計共4 個臺風等級，5 處登陸地點和4 個登陸時刻，共80 組。

3.2 海塘逐時潮位和波高重現期組合

3.2.1 歷史臺風登陸過程逐時潮位與波高組合 選取海鹽縣黃沙塢海塘（1#）、海鹽東段海塘（2#）和白沙灣海塘（3#）作為杭州灣北岸嘉興海塘的代表，以乍浦站作為比較，具體位置見圖1。采用上述模型計算1979—2021 年登陸浙江的臺風風暴潮位和臺風浪波高過程，逐時潮位及同時刻波高分布見圖5，其中破波線根據《港口與航道水文規范》（JTS 145—2015）中破波系數和水下地形坡度關系確定。乍浦站波浪測點水深較深，波浪基本不受地形影響，根據乍浦站實測潮位資料（1967—2020 年）和波浪資料（1967—1997 年）采用P-Ⅲ曲線進行分析，以此得到乍浦站各重現期高潮位和波高值。根據目前海塘設計過程中各重現期高潮位和對應重現期波高常用計算方法，嘉興段海塘前沿重現期高潮位根據杭州灣北岸潮位站資料插值推算得到，海塘前沿各重現期高潮位下對應的同頻波高值采用設計風速推算。圖5 中以測站或海塘前沿10～300 年一遇高潮位與同頻波高的連線為界，作為比較參考，潮位高于連線的點據則為高潮位對應的重現期大于波高對應的重現期，稱為“潮高浪低”重現期組合，潮位低于連線的點據則為高潮位重現期低于波高重現期，稱為“潮低浪高”重現期組合。

從圖5 中歷史臺風逐時潮位和波高計算結果可知，絕大多數組合小于10 年一遇潮位與同頻波高的組合，其次是10 年一遇潮位以下和10 年一遇波高以上的組合。10～100 年一遇設計高潮位的逐時潮位和對應的波高重現期組合僅2 次，呈現“潮高浪低”重現期組合。嘉興海塘逐時潮位和波高組合絕大數少于10 年一遇設計值，當潮位在10～100 年一遇設計高潮位時，潮位和對應的波高重現期組合僅2 次，3 處海塘出現“潮高浪低”重現期組合，與乍浦站的情況基本一致。

3.2.2 設計臺風登陸過程逐時潮位與波高組合 乍浦站及海塘前沿計算的逐時潮位與對應的有效波高散點關系見圖6?？梢?，乍浦站10 年一遇設計高潮位以下的潮位及同頻以下波高組合占大多數，該設計潮位以下也出現波高重現期為10～300 年一遇的點；10～100 年一遇設計高潮位區間內，逐時潮位及其對應的波高重現期組合關系表現出“潮低浪高”“潮浪相同”和“潮高浪低”3 種重現期組合，其中“潮低浪高”占多數；100～300 年一遇高潮位時也同樣存在3 種重現期組合現象。在乍浦站風暴高潮位的重現期超過300 年一遇的事例中，波高重現期總體少于300 年一遇，形成“潮高浪低”重現期組合。

圖6 設計臺風過程測站與海塘計算逐時潮位和有效波高聯合分布Fig.6 Joint distribution of calculated hourly tidal levels and their corresponding significant wave heights at the station and in front of the seawalls during landing of predicted typhoons

嘉興海塘前沿潮位較低時波浪會發生破碎，低潮位對應的最大波高由破碎波高控制，隨著潮位的增加，波浪破碎逐漸變少，高于10 年一遇潮位以上時，各潮位產生的最大波浪均已不破碎。海塘前沿10～100 年一遇設計高潮區間內，對應的波高分布區間同樣為10～100 年一遇的范圍，“潮高浪低”和“潮低浪高”及“潮浪相同”3 種逐時潮位和波高重現期組合均有出現。100～300 年一遇高潮位范圍內，嘉興東、西兩段，逐時潮位及其對應的波高同樣出現“潮高浪低”“潮低浪高”和“潮浪相同”，但絕大多數為“潮高浪低”重現期組合情況，中段逐時潮位和波高只出現“潮高浪低”和“潮浪相同”重現期組合情況，無“潮低浪高”現象。超強臺風、強臺風和臺風在杭州灣口登陸遇天文大潮高潮位及超強臺風和強臺風在浙中北遇天文高潮位時產生的逐時風暴潮位有超過300 年一遇的潮位，但對應的波高絕大多數不超過300 年一遇。由于嘉興海塘處于杭州灣內部北岸，外海波浪由于灣口群島的阻擋無法進入灣內，從而無法對海塘前沿波浪產生影響，風暴潮則可以從外海傳入杭州灣，增高海塘高潮位。以往沒有強臺風或超強臺風在浙北登陸遭遇天文高潮位的事例，一旦發生則風暴高潮位增高較大，波高增大較小，形成“潮高浪低”的局面，300 年一遇以上的高潮位屬于此類型。

3.3 最高潮位和最大有效波高的重現期組合

3.3.1 歷史臺風最高潮位和最大有效波高的重現期組合 1979—2021 年33 場登陸浙江歷史臺風期間的最高潮位和最大有效波高（Hs）散點圖見圖7?？梢?，乍浦站10 年一遇設計高潮位以下的潮位及同頻以下波高組合占大多數（約85%），10～100 年一遇設計高潮位區間高潮位僅1 次，這與乍浦站實測結果相一致，由9711 號臺風在浙中溫嶺登陸遭遇天文潮高潮位產生，為“潮高浪低”點據散點分布，與逐時潮位、波高重現期組合關系基本相同。嘉興海塘逐時潮位和波高組合絕大數少于10 年一遇設計值，10～100 年一遇設計高潮位區間內，高潮位和對應的波高重現期組合僅1 次，即高潮位接近50 年一遇，對應波高少于20 年一遇，3 處海塘出現“潮高浪低”重現期組合，與乍浦站的情況基本一致。

圖7 歷史臺風期間測站與海塘的計算最高潮位和最大有效波高的聯合分布Fig.7 Joint distribution of calculated high tidal level and maximum significant wave height at Zhapu station and in front of the seawalls during landing of historical typhoons

3.3.2 設計臺風最高潮位和最大有效波高的重現期組合 設計臺風登陸遭遇不同天文潮位的80 次組合引起的最高潮位和最大有效波高見圖8。乍浦站最高潮位和最大波高組合多數小于10 年一遇，當潮位在10～100 年一遇時，最高潮位和最大有效波高重現期關系存在“潮高浪低”“潮浪相同”和“潮低浪高”3 種現象（見表1）；當潮位重現期在100～300 年一遇時，波高重現期為100～250 年，最高潮位與最大有效波高組合存在“潮高浪低”和“潮低浪高”兩種現象。

表1 設計臺風產生風暴高潮位和波高的重現期分布（次數）Tab.1 Joint distribution of return period of storm high tidal level and wave height due to predicted typhoon (times)

圖8 設計臺風期間測站與海塘的計算最高潮位和最大波高聯合分布Fig.8 Joint distribution of calculated high tidal level and maximum significant wave height at Zhapu station and in front of the seawalls during landing of predicted typhoons

嘉興海塘（1#至3#）當高潮位于10～100 年一遇時，最大波高的范圍為10～100 年一遇，海塘前沿最高潮位、最大有效波高重現期關系存在“潮高浪低”“潮浪相同”和“潮低浪高”3 種現象；潮位在100～300 年一遇時，西段最大波高100～300 年一遇，中段最大波高為20～100 年一遇，東段為最大波高50～200 年一遇，西段出現“潮浪相同”現象，中、東段則為“潮高浪低”，由于各海塘前最高潮位和最大波高出現時刻的差異，導致上述規律與逐時潮位和波高分布有所不同。當高潮位超過300 年一遇，乍浦站與海塘前沿波高重現期總體上在300 年一遇以內。

4 結 語

本文通過天文潮-風暴潮-臺風浪數值模型，計算分析了歷史臺風和設計臺風登陸浙江時在杭州灣北岸嘉興段產生的風暴潮位過程和臺風浪過程，構建了海塘前沿潮位和對應波高的組合樣本。

（1）模擬的潮位和波高組合與海塘設計高潮位和同頻設計波高比較得出，歷史臺風潮位和波高過程絕大多數組合少于10 年一遇潮位與同頻波高的組合，10 年一遇設計高潮位以上的逐時潮位和波高重現期組合為2 次，呈現“潮高浪低”重現期組合；最高潮位和最大波高組合中，高潮位超過10 年一遇的僅1 次，測站和海塘前沿呈現“潮高浪低”重現期組合。

（2）設計臺風登陸過程中，按照過程潮位與波高的組合，潮位為100～300 年一遇時，全海塘存在波高重現期等于潮位重現期的現象，東、西兩段海塘的潮位和有效波高重現期關系均存在“潮高浪低”“潮浪相同”和“潮低浪高”3 種現象，中段存在“潮高浪低”和“潮浪相同”。

（3）設計臺風過程最高潮位與最大有效波高的組合與過程組合不同，潮位在100～300 年一遇時，東、中段海塘潮位重現期雖高于波高重現期，但西段為高潮位和波高重現期相同，嘉興海塘存在“潮高浪低”和“潮浪相同”兩種現象。

（4）杭州灣嘉興海塘防御標準在100～300 年一遇時，海塘防浪標準重現期不應低于高潮位的重現期。