第一篇：臺風條件下上海地區典型海堤防御能力評價研究

臺風條件下上海地區典型海堤防御能力評價研究

【摘要】：隨著全球氣候變化的加速,所引起的極端災害性風暴潮發生的頻次在增加,強度在加大,且在北半球有路徑北移的趨勢;沿海地區又因城市化進程的加速和人口規模的增加面臨著需要通過不斷外延陸海邊界以拓展活動空間的壓力。建設能達到抵御高標準臺風,并在超標準情況下也不會被大規模毀壞而造成人員和財產損失的城市一線海堤工程,是當前和今后一段時間像上海這樣的低地勢、中緯度和高密度人口的國際大都市的重要任務。本文通過對位于長江口、杭州灣的上海一線海堤進行了廣泛調研,并收集了歷史上發生的多次登陸上海或者在鄰近省市登陸并對上海造成嚴重災害的臺風事件,就上海可能發生的超標準臺風及由臺風引起的風暴潮和臺風浪進行模擬計算,結合當前海堤防御標準,分析其對海堤可能造成的破壞因素。其目的和意義在于通過此類研究,實現在不對現有海堤進行大規模加高加固的情況下,有效提高其防御能力,大幅降低可能的受災損失,本文具體的研究內容和成果如下：(1)在對當前風-潮-浪數值模型研究進展進行了解分析的基礎上,選擇并建立了適用于長江河口地區的臺風模型、風—潮模型和風—潮—浪耦合數學模型,以9711號臺風等實測同步風、潮、和浪資料對模型進行了率定。分別編程建立了藤田—高橋(Fujita.T-Takahashi)與Jelesnianski風場模式,通過比較采用了衰減相對較小、與9711號臺風和0216號臺風等實際風場符合更好的Jelesnianski風場,并通過調整衰減系數和最大風速圈半徑使計算風場

與實際風場更為吻合。建立了風—潮數學模型,就9711號臺風在登陸前對潮波過程的影響進行了分析。在外海深水區域,臺風形成增水主要由低氣壓引起,且集中于臺風中心下方局部海域,隨著臺風不斷向岸逼近,低氣壓作用相對減弱,風場作用逐漸明顯,近岸區發生了先增水后減水的現象,風場作用下沿岸形成的反時針方向的流動對臺風中心南北兩側形成了有力的水交換。風—潮—浪耦合的臺風浪模型考慮了潮位過程導致的水深變化對波浪傳播的影響。波浪場能量分布與臺風風場相對應,在深水中波浪強度隨著風力的加強或者風圈的加大而增強,在淺水區受波浪折射、淺水、破碎及底摩阻等效應的影響,波浪強度隨之變小。(2)為了構造能對上海形成最不利情況的強臺風和超強臺風兩種超標準的氣旋,模擬這種條件下海堤前沿的極端潮位和風浪,通過對9711臺風的空間和時間的平移,就長江口杭州灣不同位置典型海堤,找出對其最為不利的路徑和登陸時間,并以此為襲擊上海最不利的強臺風；在此基礎上利用強臺風模擬成果中的路徑、登陸時間和5612超強臺風低氣壓過程,模擬了超強臺風登陸的風—潮—浪過程,并計算得到超強臺風條件下海堤前沿風—潮—浪要素。(3)在調研的典型海堤中,選取臨港新城新建海堤為研究對象,利用設計標準的和超標準臺風條件下的風、潮、浪要素,對海堤護面結構穩定和越浪量進行復核計算,在此基礎上評價海堤安全性。復核結果表明,以臨港新城新建海堤為例,在設防標準情況下,現有海堤的結構穩定和越浪量基本滿足安全標準；在強臺風作用下,海堤堤頂越浪量不滿足要求；在超強臺風下,海堤防浪墻穩定和越浪量都不能滿足安全要求。本文通過在

不同強度臺風條件下的上海海堤安全性進行了評估,就可能的受損情況進行了定量計算,提出應對措施,以達到經濟有效地提高海堤整體防御能力的目標。該成果可推廣應用于上海地區臺風—浪—潮的預報和后報分析,建立的海堤防御能力評價體系可應用于上海沿江、沿海海堤的防御能力評價,為有關部門提高海堤防御能力制定經濟有效的工程措施提供技術支持。【關鍵詞】：海堤臺風風暴潮波浪數學模型

【學位授予單位】：華東師范大學

【學位級別】：博士

【學位授予年份】：2011 【分類號】：P444;P731.2;U656.2 【目錄】：摘要7-9ABSTRACT9-14第一章緒論14-261.1研究背景和意義14-151.1.1研究背景14-151.1.2研究目標和意義151.2研究內容與技術路線15-171.2.1研究內容15-161.2.2研究技術路線16-171.3國內外研究進展17-251.3.1風—潮—浪數值模式研究進展17-191.3.2波浪爬坡、越浪計算研究進展19-251.4關鍵技術、創新點及意義25-261.4.1關鍵技術與創新點251.4.2應用價值251.4.3社會經濟效益25-26第二章上海地區臺風災害與堤防建設現狀研究26-402.1臺風概述26-342.1.1臺風及臺風災害26-322.1.2上海地區的臺風災害32-342.2上海市海堤建設狀況研究34-402.2.1上海市海堤概況34-352.2.2典型海堤調研35-40第三章典型臺風條件下的風場氣壓場數值模擬40-623.1數值模式概況403.2典型臺風的選取和模型的建立40-443.2.1影響上海地區的典型臺風路徑和強度40-433.2.2模型的建

立43-443.3模式原理44-503.3.1氣壓場和風場模式44-483.3.2風場模式的參數比較48-503.4典型臺風的計算與驗證50-583.4.19711臺風的計算與驗證50-563.4.20216臺風的計算與驗證56-583.5風場計算結果分析58-613.6小結61-62第四章典型臺風條件下的風暴潮數值模擬62-874.1潮流場模式62-654.1.1模式概況62-634.1.2模式原理63-654.2模型的計算與驗證65-754.2.1天文潮的計算與驗證65-704.2.2臺風風暴潮的計算與驗證70-754.3結果分析75-864.4小結86-87第五章典型臺風條件下的臺風浪計算87-965.1臺風浪模式87-885.1.1模式概況875.1.2模型原理87-885.2模型的計算與驗證88-925.3結果分析92-955.4小結95-96第六章超標準臺風的風—潮—浪數值模擬96-1096.1最不利臺風的研究96-1016.1.1研究思路966.1.2襲擊上海的最不利強臺風的模擬96-1016.2最不利強臺風的模擬計算101-1026.3最不利超強臺風的模擬計算102-109第七章臺風條件下工程海堤安全復核109-1197.1典型海堤斷面概述109-1137.2結構穩定安全性分析113-1167.2.1塊體穩定性復核113-1147.2.2柵欄板穩定性復核114-1157.2.3防浪墻穩定性復核115-1167.2.4越浪量計算綜合分析1167.3工程應對措施116-119第八章小結119-123附錄123-150參考文獻150-155博士期間發表論文情況155-156致謝156

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