波浪数学模型.DOCVIP

南堡油田1号构造海底管道波浪数学模型研究 摘要：采用考虑底摩擦损耗和风能输入的抛物型缓坡方程为控制方程建立数学模型，研究冀东南堡油田1号构造人工岛建成后对周边海域波浪场的影响。计算结果表明，由于管线沿线水深浅，外海波浪传至近岸大多在浅滩发生破碎，多数点处的波高达到极限波高50年一遇波浪条件下，主要是受S～SE方向的外海波浪控制，NP1-1D至NP1-2D海底管线沿线波高H1%为3.～4. m，NP1-1D至NP1-3D海底管线沿线波高H1%为3.46～ m。 关键词：波浪；缓坡方程；南堡油田The simulation results show that, the shoaling effect along the pipeline leads the waveheight tend to approach a limited value that the waves become unstable and break in the shore. In 50 years return period, the project area is mainly under the control of waves from S～SEH1% along the pipeline from NP1-1D to NP1-2D is about 3.84 ~ 4.28 m and H1% along the pipeline from NP1-1D to NP1-3D is about 3.46 ~ 5.07 m. Key words: wave；submarine pipeline;mild-slope equation; numerical simulation； Nanpu Oilfield 0 引 言 冀东南堡油田位于河北省唐山市境内曹妃甸港区，南堡油田的开发采用海油陆采模式，从现有海塘往外建设西线、中线、东线3条进海路工程，并在路堤堤头建设人工岛作为采油平台，以实现海油陆采[1]。南堡油田1号构造设有人工岛工程，平面位置如图1所示。位于南堡滩海潮沟以北2m等深线以外的浅滩，滩面高程为0.5 ~ -2.2 m，和人工岛位于外海水深较深处。 数学模型作为研究近海波浪场的一个重要手段，近年来得到了广泛的应用。缓坡方程是一种波浪折射、绕射联合方程，自Berkhoff[2]于1972年首次提出以来，众多学者从数值方法、方程的简化与近似等多方面对方程进行了改进。1986年Kirby[3]提出了一种高阶非线性抛物型方程，随后许多学者对该方程进行了考虑底摩阻[4]和风能输入[5]等多方面的修正，使抛物型缓坡方程成为计算大范围波浪运动最有效的方法之一，目前国内工程界用于大范围波浪的由深海向近岸传播变形的方法大都使用这一模式。本文根据曹妃甸海域的风速和波浪资料，给出深水边界的波要素，并以考虑底摩擦损耗和风能输入的抛物型缓坡方程为控制方程建立数学模型，研究南堡油田人工岛工程建成后的波浪场，计算海底管道的设计波要素。 图1 南堡油田1号构造 1设计风速和深水波要素 1.1设计风速 根据工程区域附近气象站1980年 ~ 2004年多年风速资料推算了曹妃甸水域各方向的重现期为50年一遇的风速。 1.2深水波要素 曹妃甸水域主要是以风浪为主，可以利用风推浪法以及海港水文规范的方法，对曹妃甸港区1996 ~ 1997年的实测波浪进行波高与波周期的相关分析。由于曹妃甸附近无长期波浪观测资料，需要采用风浪数值后报的方法推算深水波要素。根据不同方向的设计风速，并参考国家海洋环境预报中心、中国海洋大学和南京水利科学研究院等多家单位的分析成果[6]，采用各方向重现期为50年一遇的波浪要素作为波浪数学模型计算的起始边界条件。 2波浪数学模型 2.1控制方程与数值格式 外海波浪传入近岸浅水地区时，受多种因素的影响，将产生浅水变形、折射、绕射等一系列复杂的变化，可采用波浪折射、绕射联合计算的高阶非线性抛物型方程数学模型模拟波浪由外海向工程区的传播。考虑底摩擦损耗和风能输入的抛物型缓坡方程为 （1） 其中， ， （2） 式中，为波势，为波数，为波速，为波群速，为波浪圆频率，为波幅，为波浪的非线性参数，F可表示F=Fr+Fw+Fb，Fr、Fw、Fb分别为考虑底摩阻损耗、风能输入、波浪破碎的参数。参数（Kirby，低阶），（Booij，高阶），。 对控制方程式（1）作扇形坐标变换，并采用Crank-Nicolson差分格式进行数值离散，建立数学模型。在固体界面上考虑不完全反射性（反射系数Kr及相位差εr），其边界条件为第三类(R