海岛周边波浪能资源精细化勘查与分布特征分析方法研究

为海岛供电,是波浪能开发利用技术的重要应用领域。在海岛周边波浪能资源开发利用之前,需对波浪能资源进行精细化勘查,并在此基础上准确分析掌握工程实施海域的波浪能资源特征,以便开展有针对性工程设计。本文以威海褚岛北部海域为研究目标,结合对历史数据和水动力理论分析,制定精细化勘查方案,并通过代表性验证试验,对方案进行修正,再应用修正后的方案对目标海域进行长期观测。该方法改进了传统的波浪观测方法,更适用于小区域波浪要素的精细化观测,且在保证观测质量的前提下,有效降低了观测成本。另一方面,针对波向四季变化明显,且海岛周边波浪受岛岸线反射和绕射影响且地形变化剧烈的特点,本文利用改进的SWAN（simulating waves nearshore）数值模型计算目标海域波浪能资源,并结合统计学方法,研究波浪能量随波向分布特征的计算分析方法,得出褚岛周边海域全年波浪能量随波向的分布特征。     

中国大陆沿岸波浪能分布初步研究

波浪能作为可持续利用的清洁能源,日益被人们所关注,本文基于WAVEWATCHⅢ全球波浪模式,建立了较高精度的中国沿岸海域波浪数学模型,重点对中国大陆沿岸-30m等深线上的波浪能分布进行了研究,在已有研究成果的基础上进一步细化了中国沿岸海域波浪能的时空分布规律,为合理开发、利用波浪能提供了一定的数据支持。研究认为,中国沿岸波浪能储量相对较小,南北分布以长江口为界,以南海域波能整体较大,波能季节性差异明显,在开发利用时,需要对工程区域的波浪能特征充分论证,科学合理地选用波浪能转化设备,防止造成巨大经济损失。     

工程海域波浪特征分析方法比较

通过选取两个典型海外工程项目案例,分别采用波浪特征参数法和波浪谱法对工程海域波浪条件进行分析,并比较这两种方法在作业波浪条件、波浪特征认知程度上的差异,以及对海港水域平面布置产生的影响。对于波浪能量在频域及方向上存在多峰谱情况的海域,基于全谱的波浪特征参数系列数据有可能出现以下两种情况:1)主峰波向掩盖次峰波向;2)主峰波向错配次峰周期。对于上述两种情况,若仅采用波浪特征参数法对工程海域作业波浪条件进行分析,并指导海港水域平面布置,则极可能忽略或误判个别敏感波向、关键频域段的部分波浪能量,从而误导设计,为后续项目运营埋下隐患。对于以上情形,宜采用波浪谱法深入分析工程海域波浪能量在整个频域及各个方向上的详细分布及构成,并对关键波向、关键频域段的波浪能量进行量化,评估其对海港水域平面布置的影响,从而最大程度地避免由于波浪输入条件误判带来的风险。     

基于高分辨率数值模拟技术的近海波浪能资源评估

采用SWAN模型,对浙江中部近海海域进行了为期10 a的高分辨率波浪数值模拟,获得了年均波功率密度分布,同时讨论了波能在该海域的有效时长分布,通过对波功率密度的变异系数统计讨论了其稳定性,最后估算了该海域波浪能资源储量约为0.91×10～6kW。总体而言,在近海海域中,离岸较近的浅海海域波能资源较为贫乏,波功率密度大于2 kW/m的海域多分布于10 m等深线以外,其等值线与岸线趋于平行;离大陆较远的岛屿周边海域波能资源丰富,在初期波浪能开发利用阶段具有明显的优势;近岸海域波浪能有效时长约1 500 h,至鱼山列岛一线离岸较远海域约4 000 h;近海大部分海面波浪能变异系数约在2-3之间。     

宁德沿海风能和波浪能资源评估

收集了宁德沿海2011年9月-2012年8月1周年的风和波浪连续观测资料,并对该海域的风和波浪特征进行了统计分析。该海域观测期间内全年平均风速年均为7.2m/s,平均有效波高为1.04m。常风向为NNE向,强风向为NE向。常浪向为E向,强浪向为E向。根据风和波浪场数据对宁德沿海的风能和波浪能进行评估,评估结果发现宁德沿海的风能和波浪能蕴藏量较丰富,年平均风能密度能达到411W/m^2,平均波浪能密度能达到2.6kW/m。对研究海域重现期波浪极值进行了推算,受东侧四礵列岛阻挡,宁德沿海南部海域主要受SE向波浪影响,北部海域主要受E向波浪影响。若对宁德沿海进行新能源开发,可以进行风能和波浪能的联合开发利用。     

基于近20年的SWAN模式海浪模拟结果的南海波浪能分布、变化研究

由于南海海域地形复杂,岛屿众多,不可避免的会产生折射、变浅、绕射、波浪破碎、非线性波相互作用等近岸物理过程。因此采用以风场驱动的第三代海浪数值模式SWAN,可得到南海海域1986年1月至2005年12月较高分辨率的波浪场,计算了南海海域的波浪能流密度,综合考虑能流密度的大小和14个站位能流密度分级统计的特征等方面对南海海域波浪能资源进行了研究,寻找该海域波浪能资源的相对优势区域,为建立海上波浪能电站提供科学依据。     

浙江近海波浪能资源的初步研究

以2000年为例,采用SWAN波浪数值模型对浙江近海海域的波浪进行了全年模拟计算,并计算获得年、月平均波功率密度分布。研究表明,浙江近岸海域年平均波功率密度约为2~6 kW·m^-1,往外海逐渐增大;同时季节变化明显,秋、冬季节波功率密度较大,春、夏季节较小。另外,通过对浙北、浙中和浙南3个近海海区的波浪出现频率和波功率密度随波高和周期变化的分析可知,浙北海域波功率密度比较高的波高及周期范围和波浪出现频率较高范围较为接近,而其对应平均波功率密度相对较低;浙南海域波功率密度比较高的范围所对应的平均波功率密度较高,而与波浪出现频率较高的范围则略有差异;浙中海域居两者之间。总体而言,浙江近海波浪能资源丰富,且全年中可开发与利用的波浪能出现频率较高。     

福建沿海海域波浪能资源分析与评价

采用波浪模拟的方法,较准确计算得出福建沿海海域波浪能资源分布状况,并给出相应的分析和综合评价.主要结论如下:(1)福建沿海海域波浪能平均密度为2.6～7.3 kW/m,波浪能资源储量为2 210.45 MW,在我国沿海海域仅次于台湾和广东,是波浪能开发利用可以优先考虑的海区之一.(2)福建沿海海域波浪能资源储量的70%分布于平潭岛以北海域,其值达1 512.49 MW.其中,尤以北礵地区值最大,为378.80 MW.(3)以年平均波高为指标,福建沿海海域中东山区段为三类区,其他区段均为一类区和二类区,具有良好的开发前景.(4)福建沿海海域波浪能具有波功率密度低、资源分布广泛且不均匀、波功率密度随季节变化、能量具有多向性等分布特点.(5)基于福建波浪能的开发与利用现状,建议应优先着眼于解决边远海岛等特殊场所的用电问题.     

汕头近岸区的台风波浪(一)实测记录的分析

作者选择了汕头近岸区某测点的台风（包括热带风暴和强热带风暴，下同）波浪从下列三个方面进行分析研究：（一）实测记录的分析；（二）后报台风波浪及其基本特征；（三）各种重现期台风波浪要素的确定。力图为该近岸区海岸工程设计中必须考虑的水动力参数提供依据。本文，着重分析了实测台风波浪能量的分布，给出台风过程波浪能量随频率和方向的变化；波浪能量的集中程度以及台风过程测点出现波高最大值时波浪能量随频率和方向的分布等。从实测资料的分析揭示台风波浪能量的结构。     

珊瑚礁地形上波浪传播变形的非静压数值模拟

珊瑚礁广泛分布于我国南海等海域,具有重要的生态、旅游、港口和军事价值。波浪是珊瑚礁环境最重要的动力因素之一。基于非静压浅水方程波浪模型SWASH,模拟了典型岸礁地形上的波浪传播过程,并采用Demirbilek等的水槽实验数据分别对有效波高、波浪增水与爬高进行了验证,模拟结果与实测数据符合良好,展示了非静压模型在珊瑚礁地形上良好的适用性。通过波浪频率谱和波面小波谱,分析了波浪谱在该珊瑚礁地形上的演化规律,并揭示了礁坪上波浪能量从高频向低频转移的现象。本研究结果可为珊瑚礁环境动力研究以及相关的工程建设提供有益的参考依据。     

内孤立波与平顶海山作用的能量耗散实验研究

内波破碎引起的能量耗散和混合是海洋内部的重要物理过程。通过在二维内波水槽进行实验室实验,分析内波与地形的作用,探究内孤立波与平顶海山地形作用时波要素、能量以及湍耗散率的时空变化。本实验利用重力塌陷法在两层流体中制造第一模态内孤立波,通过粒子图像测速技术(particle image velocimetry, PIV)获得内孤立波与地形作用时的流场结构,定量分析整个作用过程。结果表明,地形会改变波形甚至引起破碎,内波与地形作用时,振幅和能量密度会在内孤立波爬坡时迅速增大,在地形前缘产生强烈能量耗散。入射波的能量与塌陷高度呈二次函数关系,透射波能量随地形升高减小,反射波能量随地形升高增大。地形前缘局地湍耗散率极值时间序列在部分实验中呈双峰结构,对应内孤立波界面处剪切加强引起湍流耗散和波后缘翻转破碎。破碎引起的地形前缘区域平均湍耗散率量级在10~(-5)m~2/s~3,局地湍耗散率极值与入射波振幅呈指数关系,所有实验中局地湍耗散率的最大值接近10~(-3) m~2/s~3量级。     

渤海海域冰水共存期的波能流密度推算

为给寒区海域的波浪能估算提供科学依据,提出一种合理推算冰水共存海域波浪条件及波能流密度的方法,该方法将海冰模型与水动力学模型耦合模拟得到的冰浓度以线性修正函数的方式纳入波浪模型的海面摩阻风速方程中,并基于MCT (model coupling toolkit)耦合器将海冰模型、水动力学模型与波浪模型进行实时耦合。基于该方法模拟了渤海冬季寒潮大风期间的海冰以及波能流密度的演化。模拟结果表明,在2012年2月5~8日寒潮大风期间,结冰区域占到渤海总面积的1/3,约有76%的渤海海域的平均波能流密度受海冰影响减小,其中辽东湾近岸的波能流密度平均受冰影响最多减小了100%,而渤海湾和莱州湾近岸受冰影响最多分别减小了60%和50%。即使是无冰覆盖的老铁山水道,其波能流密度的最大值也受冰影响减少了14%。耦合模拟可以更为准确地对渤海冬季的波能流密度分布进行评估,为波浪能发电厂选址提供依据。     

楮岛沙滩不同时间尺度变化特征与波能流密度相关性探讨

在波浪和水流的作用下,泥沙在不同时间尺度下的运动会引起沙滩的冲淤演变,对海岸资源有重要的影响。因此,了解沙滩季节性演变规律,并采取针对性的防护措施,是近岸沙滩亟须解决的问题。目前,现场观测是研究沙滩剖面冲淤演变的重要方法,通过沉积物组成、岸滩坡度及波浪动力的时空变化,了解沙滩剖面的变化特性,对于沙滩管理和海岸保护具有十分重要的意义。基于2017年9月—2019年11月在荣成楮岛南岸沙滩每个月采集一次的剖面数据,以及波浪动力数据,分别探究了沙滩在不同时间尺度下的变化特征,并对沙滩变化特征与波浪动力因素的相关性进行了探讨。研究发现：楮岛南岸沙滩形态变化具有较强的季节性特征,春季沙滩比较稳定;夏季沙滩受台风影响侵蚀严重,但在风暴过后的短时间内,沙滩泥沙恢复较快;冬季沙滩恢复速度逐渐减缓并趋于稳定。在夏季和冬季期间,波能流密度的向岸分量对楮岛南沙滩的演变产生重要作用,而且波能流密度向岸分量的均值（选取数据采集前15 d的波浪条件参与计算）与沙滩体积的相关性最好,并给出了两者的线性拟合公式。     

大鹏湾岬湾型海滩季节性变化特征及原因分析——以官湖海滩为例

随着全球海平面的上升及极端气象的频发,全球海滩总体呈现出一定的退化现象,海滩保护成为海岸带生态修复的焦点问题之一。我国华南地区岬湾型海滩分布广泛,以深圳市大鹏湾官湖海滩为代表,基于2020—2021年实测海滩剖面高程数据,分析岬湾型海滩季节性变化特征。研究表明,官湖海滩剖面坡度夏秋缓冬春陡,夏秋侵蚀冬春淤积;海滩沉积物粒径季节性变化不明显。海滩剖面形态受风浪、平均潮位的季节性变化控制,以夏秋季为例,平均潮位逐渐升高,南向波浪强度较大,在二者的共同作用下,海滩后滨侵蚀明显,泥沙离岸输运,并在前滨淤积。补沙方案宜在夏秋季进行,且重点区域为官湖海滩东侧与观海湾海滩,防御方案应主要削弱南向波浪。     

基于浮标资料的中国东部海域最大波高特征分析

利用原国家海洋局2010—2015年的浮标资料,计算渤、黄、东海有效波高和最大波高的线性关系,并通过1992—2011年共20 a的数值模拟有效波高资料计算中国东部海域各月的2.5 m、4 m、6 m以上最大波高频率和最大波高月极值分布。结果发现:中国东部海域由北至南,最大波高与有效波高的比值逐渐增大;最大波高频率和最大波高月极值空间分布均由渤海、黄海至东海逐渐增大,最大波高频率的极值12月最大,4或5月最小,最大波高月极值9月最大,4月最小。其时空分布表明:受不同天气系统影响,夏秋季台风较多,容易出现极值较大的最大波高;秋冬季冷空气较强,虽然最大波高极值相对较小,但大浪持续时间长、频率大、影响范围广。     

Applications of EMD to analyses of high-frequency beachface responses to Storm Bebinca in the Qing'an Bay,Guangdong Province,China

On average, five to six storms occur in the Qiongzhou Strait every year, causing significant damage to coastal geomorphology and several property losses. Tropical Storm Bebinca is the most unusual and complex storm event that has occurred in this region over the last 10 years. To detect the high-frequency beachface responses to the storm, a pressure sensor was deployed in the surf zone to record the free sea surface height, and the heights of grid pile points on the beachface were measured manua...     

海南岛新海湾海滩地貌状态与海岸泥沙纵向运动特征

根据１９９０年现场调查及前期观察资料，论述了海南岛新海弧形海湾不同岸段由主要动力驱动过程和海滩地貌结构组成的４种海滩地貌状态，为Ⅰ．隐蔽段消散类型，Ⅱ．脊－沟体系与低潮台地类型，Ⅲ．韵律海滩与砂坝类型，Ⅳ．开敞段消散类型。应用泥沙粒级参数概率模型分析近岸泥沙纵向运动趋势，结果表明，常波况下，沿岸泥沙存在双向运动，湾顶海滩为汇集地带，泥沙纵向运动主趋势为西南向；高能条件下，海岸北段可出现北向泥沙运动     

大糙率礁面影响下珊瑚礁海岸附近规则波演化及爬高试验研究

本文通过波浪水槽试验研究了大糙率礁面影响下波浪沿礁的演化和爬高规律,测试了一系列规则波工况并对比了光滑礁面和粗糙礁面的情况。结果分析表明：二次谐波是礁坪上透射波的重要组成成分,粗糙礁面使主频波和二次谐波减小,对更高阶波的影响不显著;相对礁坪水深是描述礁坪上波浪透射的关键参数,礁面从光滑变为粗糙时海岸附近透射系数显著减小,能量衰减系数平均增大了8%,但礁前反射系数与礁面糙率之间无明显关系;礁后岸滩爬高随着透射波高的增大而增长,最后拟合了本文试验条件下珊瑚礁大糙率礁面预测规则波爬高的关系式。     

关于波浪破碎特性的研究

有关波浪破碎问题的研究是海岸工程界十分关注的课题。本文列举了前人有关波浪破碎特性方面的研究成果；分析了波浪破碎前后波高的变化规律，作出了适当的假定；并考虑了动床海滩坡度、底摩擦以及紊动对波浪破碎特性的影响。应用波动能量耗散率理论，并结合孤立波理论的有关公式，作者推导了计算动床海滩上破碎指标ｒ_ｂ的公式，并进而给出破碎水深ｈ_ｂ与破碎波高Ｈ_ｂ的计算公式。通过不同规模实验水槽的资料验证表明，这组计算式具有广泛的实用性。     

Transformation model of wave height distribution on planar beaches

A new probability density function (pdf) for the transformation of depth-limited wave height distributions is presented. Assuming the bore approach for modeling the energy dissipation in the inner surf zone to be valid, an analytical expression for the transformation of wave height distribution including shoaling and breaking on a planar beach is obtained. The resulting expression for the pdf is formulated with a single function and only one shape parameter, which is calibrated as a function of the local root-mean-square (rms) wave height-to-water depth ratio and the local Iribarren number. The transformed pdf is able to reproduce the shape of field and laboratory measured wave height histograms and the sharp change in the shape of the wave height distribution in depth-limited breaking conditions for low exceedance probability. Results show that the theory is appropriate to represent wave height distribution transformation over shallow foreshores or in the surf zone. Alternatively, a combination of the new model with existing state-of-the-art wave energy propagation models allows the complete definition of the wave height distribution transformation on a planar beach.