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摘 要

论文作者签名：＿＿＿＿＿导师签名：＿＿＿＿日期：＿＿＿＿

海口人工岛海洋水文计算与分析

21413107 马梦頔

指导教师 徐宿东

摘要

随着我国人工岛工程的兴起和发展，对其海洋水文的合理计算也成为了人工岛建设前期的重要内容。如今，为了适应“一带一路”的发展战略和海南岛的旅游发展形势，要在海口湾地区建设“明珠”人工岛项目。本文就针对改人工岛的第三期工程的建设，对附近海域的水文环境进行了分析计算。本文的研究内容主要包括：对研究海域的潮位进行调和分析，对不同回归年内的年极值水位进行预测，在研究区域内建立合适的波浪模型，同时对模型波高进行分析。

1. 主要归纳了潮汐的基本理论和基本概念，对潮汐进行调和分析时主要应用了MATLAB软件中的工具包，利用海口秀英港的逐时潮位数据，进行分析，得到研究区域潮汐的潮型为不规则日潮。
2. 极端水位的合理预测是人工岛前期设计的重要内容。本文简单介绍了该领域的研究成果和研究现状，并分析比较了频率分析法中主要的频率分布模型的优点、不足以及适用情况。然后利用Gumbel分布模型、Weibull分布模型、Log-normal模型、Log-P-III型分布模型和GEV分布模型对极端高水位进行了不同重现期内的预测，最后选出GEV模型是最合适的分布模型。
3. 在波浪的数值模拟部分，利用第三代浅海海浪模型——SWAN，使用大小研究区域模型嵌套的方式对工程海域进行波浪的模拟。其中利用藤田-高桥公式对台风“威马逊”进行风场和风向的计算分析，得到研究海域百年一遇的极大风速。最后得到了该风速下不同极值水位时研究海域的波高，为工程建设提供了一定的帮助。

关键词：潮汐；调和分析；极端水位；波浪数值模拟；SWAN模型

Analysis and Computation of Oceanographic Hydrologic in Haikou

21413107 MA Mengdi

Supervised by XU Sudong

Abstract

With the rise and development of artificial island project in China， the rational analysis and computation of oceanographic hydrologic has become an important part of the early construction of artificial island. China's oceanographic hydrologic researches are mainly concentrated near the Yangtze River Estuary area and the Pearl River Estuary area. There is not a lot of researches in Haikou area. In this study， the method of analyzing the tides is the harmonic analysis.

In the first part， it introduces the basic concepts and theories of tides. The method of analyzing the tides is harmonic analysis by t-tide toolkit of MATLAB， which the data comes from Xiu Ying Port.

In order to examine the effects of a 26-year data set， the performances of five common distribution models have been evaluated. By comparing to these models， the GEV distribution model is considered as the most appropriate distribution model for coastal extreme water level analysis.

Wave as an important factor in the marine environment， its accurate simulation for the construction of artificial island has important practical significance. This paper briefly reviews the theoretical researches and practical researches and development and application of various wave simulation models at home and abroad. Finally， the research area is taken an example to simulate waves by SWAN wave model which adopted nested grids.

Key words: tidal; harmonization analysis; extreme water level; wave simulation.

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 3

1.1 研究背景及意义 3

1.2 国内外发展状况和研究进展 3

1.2.1 极端水位预测的发展状况 3

1.2.2 波浪数值模拟的发展状况 4

1.3 本文的主要工作 6

第二章 研究区域条件 7

2.1 地理位置 7

2.1.1 人工岛工程地理位置 7

2.1.2 研究区域地理位置 7

2.2 自然条件 8

2.2.1 气象 8

2.2.2 水文 10

第三章 潮位的统计分析 14

3.1 特征潮位 14

3.2 潮汐的调和分析 15

3.2.1 调和分析的方法介绍 15

3.2.2 观测站点水位的潮汐调和分析 16

第四章 极端水位分析 20

4.1 频率分布模型 20

4.2 模型的参数估计 21

4.3 极端水位预测 22

4.3.1 秀英站的年极值水位序列 22

4.3.2 极端水位模型 23

第五章 波浪的数值模拟 34

5.1 波浪模型的原理 34

5.2 风场的确定 35

5.2.1 海南省过境台风 35

5.2.2 台风气压场、风场模型 36

5.3 模型的建立与计算 37

5.3.1 模型网格 37

5.3.2 模型的设置 40

5.3.3 模型的验证 41

5.3.4 影响波高的因素 43

5.4 工程点设计波浪要素 44

5.4.1 100年一遇风速的确定 44

5.4.2 验证100年一遇风速值 46

5.4.3 计算结果 46

第六章 结语 49

6.1 结语 49

6.2 不足与展望 49

致 谢 51

参考文献 52

绪论

研究背景及意义

改革开放以来，我国的经济状态呈现稳步增长的趋势。非农业建设用地的急剧扩张和耕地资源的不断减少之间的矛盾越来越尖锐。面对这样严峻的土地资源现状，加大海洋空间的开发和利用，已经成为缓解这个尖锐矛盾，拓展优化我们的生存空间，并且维持社会经济可持续发展的重要战略之一。在这样的时代背景下，人工岛作为新兴的海洋工程，对解决上面的问题有着巨大的优越性和可实施性。人工岛，即为了一定的目的和用途，在海中人工建造的岛屿^[42]。由于人工岛是人工建造而非自然形成的岛屿，所以其建设难度和建设投资相比其他水工建筑物更加的巨大，因此在建设初期更应该对其进行合理的预可行性研究。

本文的研究区域位于海南省海口市西郊， 处于琼州海峡南侧的海口湾西海岸的东北侧，与雷州半岛隔海相望，地理位置坐标为北纬 20°01′24″，东经 110°16′27″，预计在此建设海口湾南海明珠人工岛。海口湾南海明珠人工岛工程总平面布置为“八卦太极”形状，与已经建成的如意岛，相呼应，寓意着“吉祥如意”。该项目是海南省响应党中央“一带一路”发展战略和针对海南省旅游发展规划纲要而成立的大型人工岛项目。因此对该项目进行海洋水文计算与分析是有着十分重要的战略意义的。

国内外发展状况和研究进展

极端水位预测的发展状况

目前极端水位的研究方法分为两种，第一种频率分析法是依据长时间的水位数据建立起极端水位影响因素的关系，例如风暴潮研究，然后利用已有站点的长期年高水位值进行频率分析，最后推求不同重现期的极端高水位值。这种方法的优点是计算量小，而且研究的难度系数低，同时由于其建立在真实的数据基础上所以得到的结果的准确性比较高。我国的研究学者徐宿东^[24]教授曾对上海吴淞站进行了极端水位的研究。他主要运用了耿贝尔模型、威布尔模型、对数正态分布模型和三参数的广义极值分布四种模型来对吴淞站的极端水位进行了预测，并且对四种模型的结果进行了详细的比较分析，最终他得到了历史水位数据的完善程度对水位的预测有着较大的影响的结论，因此对于缺少水位资料的地区和海域就需要运用第二种方法来预测极端高水位。

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