台风条件下上海地区典型海堤防御能力评价研究

论文摘要

随着全球气候变化的加速,所引起的极端灾害性风暴潮发生的频次在增加,强度在加大,且在北半球有路径北移的趋势;沿海地区又因城市化进程的加速和人口规模的增加面临着需要通过不断外延陆海边界以拓展活动空间的压力。建设能达到抵御高标准台风,并在超标准情况下也不会被大规模毁坏而造成人员和财产损失的城市一线海堤工程,是当前和今后一段时间像上海这样的低地势、中纬度和高密度人口的国际大都市的重要任务。本文通过对位于长江口、杭州湾的上海一线海堤进行了广泛调研,并收集了历史上发生的多次登陆上海或者在邻近省市登陆并对上海造成严重灾害的台风事件,就上海可能发生的超标准台风及由台风引起的风暴潮和台风浪进行模拟计算,结合当前海堤防御标准,分析其对海堤可能造成的破坏因素。其目的和意义在于通过此类研究,实现在不对现有海堤进行大规模加高加固的情况下,有效提高其防御能力,大幅降低可能的受灾损失,本文具体的研究内容和成果如下：（1）在对当前风-潮-浪数值模型研究进展进行了解分析的基础上,选择并建立了适用于长江河口地区的台风模型、风—潮模型和风—潮—浪耦合数学模型,以9711号台风等实测同步风、潮、和浪资料对模型进行了率定。分别编程建立了藤田—高桥（Fujita.T- Takahashi）与Jelesnianski风场模式,通过比较采用了衰减相对较小、与9711号台风和0216号台风等实际风场符合更好的Jelesnianski风场,并通过调整衰减系数和最大风速圈半径使计算风场与实际风场更为吻合。建立了风—潮数学模型,就9711号台风在登陆前对潮波过程的影响进行了分析。在外海深水区域,台风形成增水主要由低气压引起,且集中于台风中心下方局部海域,随着台风不断向岸逼近,低气压作用相对减弱,风场作用逐渐明显,近岸区发生了先增水后减水的现象,风场作用下沿岸形成的反时针方向的流动对台风中心南北两侧形成了有力的水交换。风—潮—浪耦合的台风浪模型考虑了潮位过程导致的水深变化对波浪传播的影响。波浪场能量分布与台风风场相对应,在深水中波浪强度随着风力的加强或者风圈的加大而增强,在浅水区受波浪折射、浅水、破碎及底摩阻等效应的影响,波浪强度随之变小。（2）为了构造能对上海形成最不利情况的强台风和超强台风两种超标准的气旋,模拟这种条件下海堤前沿的极端潮位和风浪,通过对9711台风的空间和时间的平移,就长江口杭州湾不同位置典型海堤,找出对其最为不利的路径和登陆时间,并以此为袭击上海最不利的强台风；在此基础上利用强台风模拟成果中的路径、登陆时间和5612超强台风低气压过程,模拟了超强台风登陆的风—潮—浪过程,并计算得到超强台风条件下海堤前沿风—潮—浪要素。（3）在调研的典型海堤中,选取临港新城新建海堤为研究对象,利用设计标准的和超标准台风条件下的风、潮、浪要素,对海堤护面结构稳定和越浪量进行复核计算,在此基础上评价海堤安全性。复核结果表明,以临港新城新建海堤为例,在设防标准情况下,现有海堤的结构稳定和越浪量基本满足安全标准；在强台风作用下,海堤堤顶越浪量不满足要求；在超强台风下,海堤防浪墙稳定和越浪量都不能满足安全要求。本文通过在不同强度台风条件下的上海海堤安全性进行了评估,就可能的受损情况进行了定量计算,提出应对措施,以达到经济有效地提高海堤整体防御能力的目标。该成果可推广应用于上海地区台风—浪—潮的预报和后报分析,建立的海堤防御能力评价体系可应用于上海沿江、沿海海堤的防御能力评价,为有关部门提高海堤防御能力制定经济有效的工程措施提供技术支持。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究目标和意义
• 1.2 研究内容与技术路线
• 1.2.1 研究内容
• 1.2.2 研究技术路线
• 1.3 国内外研究进展
• 1.3.1 风—潮—浪数值模式研究进展
• 1.3.2 波浪爬坡、越浪计算研究进展
• 1.4 关键技术、创新点及意义
• 1.4.1 关键技术与创新点
• 1.4.2 应用价值
• 1.4.3 社会经济效益
• 第二章 上海地区台风灾害与堤防建设现状研究
• 2.1 台风概述
• 2.1.1 台风及台风灾害
• 2.1.2 上海地区的台风灾害
• 2.2 上海市海堤建设状况研究
• 2.2.1 上海市海堤概况
• 2.2.2 典型海堤调研
• 第三章 典型台风条件下的风场气压场数值模拟
• 3.1 数值模式概况
• 3.2 典型台风的选取和模型的建立
• 3.2.1 影响上海地区的典型台风路径和强度
• 3.2.2 模型的建立
• 3.3 模式原理
• 3.3.1 气压场和风场模式
• 3.3.2 风场模式的参数比较
• 3.4 典型台风的计算与验证
• 3.4.1 9711台风的计算与验证
• 3.4.2 0216台风的计算与验证
• 3.5 风场计算结果分析
• 3.6 小结
• 第四章 典型台风条件下的风暴潮数值模拟
• 4.1 潮流场模式
• 4.1.1 模式概况
• 4.1.2 模式原理
• 4.2 模型的计算与验证
• 4.2.1 天文潮的计算与验证
• 4.2.2 台风风暴潮的计算与验证
• 4.3 结果分析
• 4.4 小结
• 第五章 典型台风条件下的台风浪计算
• 5.1 台风浪模式
• 5.1.1 模式概况
• 5.1.2 模型原理
• 5.2 模型的计算与验证
• 5.3 结果分析
• 5.4 小结
• 第六章 超标准台风的风—潮—浪数值模拟
• 6.1 最不利台风的研究
• 6.1.1 研究思路
• 6.1.2 袭击上海的最不利强台风的模拟
• 6.2 最不利强台风的模拟计算
• 6.3 最不利超强台风的模拟计算
• 第七章 台风条件下工程海堤安全复核
• 7.1 典型海堤断面概述
• 7.2 结构稳定安全性分析
• 7.2.1 块体稳定性复核
• 7.2.2 栅栏板稳定性复核
• 7.2.3 防浪墙稳定性复核
• 7.2.4 越浪量计算综合分析
• 7.3 工程应对措施
• 第八章 小结
• 附录
• 参考文献
• 博士期间发表论文情况
• 致谢