2011年3月11日，日本东北海域发生9.0级地震并引发海啸，同时海啸又引起严重的核泄漏事故，造成日本国内前所未有的危机，也使得世界环境受到严重污染。9级地震及海啸是造成这种危难的直接诱因，而在防御海洋自然灾害的设计、管理及应急处置方面不完备也是非常重要的原因^[1]。

我国是世界上海洋自然灾害最严重、最频发的国家之一，因海洋自然灾害造成的经济损失和因灾死亡人数也远高于其他任何种类灾害。为防止类似“311”事件等由海洋自然灾害引起的重大事故在我国重演，有必要对海洋自然灾害的风险性进行评估，进而根据评估结果采取相应措施来降低或减少灾害损失。对海洋自然灾害的风险评估研究，多侧重于风暴潮、海浪、海啸等单一灾种^[2-6]，或是对海洋自然灾害产生的综合风险及灾害承载体本身进行评估^[7-9]，但至今未对沿海大型工程防御极端海洋自然灾害能力进行研究。在全球变暖以及极端气候事件频发的背景下，沿海大型工程由于海洋自然灾害、海水侵蚀、地面沉降等因素导致其防御能力降低。而我国沿海各省市为了顺应其经济发展的需要，建设了大量的核电厂、重化工和储油储气基地等沿海大型工程，已建和在建的产业园区和大型工程虽然在工程设计过程中考虑了海浪、潮位的防御要素，但对海啸及由极端气候变化引发的海浪、风暴潮以及海平面变化等考虑较少，也未针对重大海洋自然灾害开展系统性的风险评估。一旦发生重大海洋自然灾害，不但会对工程设施本身产生强大的破坏力，还有可能造成核事故、危险化学品泄漏和溢油等次生灾害^[10]。沿海大型工程作为沿海地区重要的支柱产业，其抵御极端海洋自然灾害能力直接关系到海洋自然灾害来临时本地区的社会经济损失程度。对沿海大型工程海洋自然灾害风险进行评估，可以有效预防海洋自然灾害，降低海洋自然灾害造成的生命、财产损失，促进沿海经济社会的可持续发展。

中石化广西LNG项目是国家重点清洁能源工程，位于广西北海市铁山港区石化作业区南港池南突堤端部(图 1)，2016年4月19日正式投产运行。本项目由码头工程、接收站工程两部分组成：码头工程建成一个26.6×10⁴ m³ LNG船的LNG泊位、一个工作船码头及相应的配套设施；接收站工程设计能力300×10⁴ t/a，设置4座16×10⁴ m³的LNG储罐，站内设施按功能进行分区布置，同时预留必要的发展用地。海岸防御工程考虑到后续填海的需要，西侧护岸为临时护岸，其余为永久性护岸。永久性护岸结构采用抛石斜坡堤结构，堤心采用抛填块石，海侧坡面为1:2，海侧护面块体分别采用4.0 t扭王字块(东南段、西南段)、1.0 t四角空心方块(东北段以及西北段150 m范围)，堤心与护面间设0.7 m~1.1 m厚块石垫层，底部设0.8 m厚、15 m宽的块石护底；内侧设坡比为1:1.5的倒滤结构，分别由0.3 m厚二片石垫层、0.4 m厚碎石垫层及一层土工布组成。本文以中石化广西LNG项目为例，对由风暴潮和海浪引起的海洋自然灾害风险进行评估，并提出相应的防护建议。

图  1  中石化广西LNG项目及验潮站位置

Fig.  1  Location of Sinopec Guangxi LNG project and tide station

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1   材料与方法

1.1   风暴潮特征参数推算

铁山港站距中石化广西LNG项目仅16 km(图 1)，潮位数据基本能够反应该项目附近海域的潮汐特征。该站于2008年1月开始有潮位观测，数据时间较短，而北海站有50 a以上的潮汐观测，可以通过分析北海站与铁山港站的潮汐相似性，利用北海站与铁山港站的相关关系，来推算铁山港站的风暴潮特征参数。

统计北海站和铁山港站一个月的同步逐时潮位数据比较两站潮位相关情况，图 2表示2015年11月北海站和铁山港站同步逐时潮位变化过程。从图中可以看出，两站的潮位变化极为类似，经计算得到其相关系数为0.9849。

图  2  2015年11月北海站和铁山港站同步逐时潮位变化过程

Fig.  2  Synchronous hourly tidal level variation process of Beihai station and Tieshangang station in November 2015

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对铁山港站最大增水>80 cm的台风过程进行统计，得到极端台风过程中北海和铁山港站的潮位相关关系如图 3所示，从图 3可以看出两站的潮位相关系数R²最小为0.785，而最大甚至达到0.954，从而可看出两站的潮位具有很强的相关性。从而可以利用北海站的潮位数据来推算铁山港站的风暴潮特征参数。

图  3  台风期间北海站和铁山港站同步逐时潮位相关性

Fig.  3  Synchronous hourly tidal level correlation of Beihai station and Tieshangang station during typhoon

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受全球气候变化影响，中国沿海海平面总体呈波动上升趋势，海平面上升直接导致风暴增水的初始海面与高潮位提高，不但会加剧海洋自然灾害的程度，而且也会增加其发生的频率^[11-12]。图 4的分析结果表明，北海站年平均海平面虽然各年之间会有较大波动，但整体呈上升趋势，上升速率约为2.0 mm/a。

图  4  北海站海平面高度年变化

Fig.  4  Annual sea level variation of Beihai station

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要计算铁山港站的重现期高潮位，首先利用北海站1965~2016年的高潮位数据采用第Ⅰ型极值分布律法推算北海站的重现期高潮位(图 5)，然后以北海站作为参考站采用极值同步差比法进行推算，计算公式如下：

图  5  北海站极值Ⅰ型重现期高潮位分布曲线

Fig.  5  Extreme value type Ⅰ return period high tide level distribution curve of Beihai station

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式中：h_jX、h_jY为北海站和铁山港站100 a一遇的重现期高潮位；R_X、R_Y为北海站和铁山港站一个月以上的短期同步潮差；A_X、A_Y为北海站和铁山港站的平均海平面。

最后得到北海站和铁山港站的重现期高潮位如表 1所示。设计高潮位采用铁山港站2015年全年高潮累积频率10%的对应潮位，得出其为326 cm。

表  1  北海站和铁山港站重现期高潮位

Tab.  1  Return period high tide level of Beihai and Tieshangang station

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1.2   海浪特征参数推算

由于项目所在海域及附近海域的海浪观测不满足长期和短期资料的要求，因此使用数值方法推算项目附近外海和工程区的重现期波高。SWAN(Simulating Waves Nearshore)是由荷兰Delft技术大学(Delft University of Technology)研制的第三代近岸浅水海浪数值模式，在波浪数值研究中得到了广泛的运用^[13-17]。

首先对LNG项目外海的深水波浪要素进行推算，计算区域范围为105°E~122°E；3°N~23°N，分辨率：0.1° × 0.1°，在工程海域外海20 m等深线处分别设置点P(108.6°E，21.25°N)，其波浪要素代表外海深水波浪要素(图 6)。地形采用ETOP1，近岸采用海图水深进行订正，风场采用WRF后报数据驱动。对LNG项目附近海域波浪要素进行推算时，选取-20 m等深线处的波浪要素为边界条件，计算网格采用三角网格，在工程区进行了局部加密，分辨率为100 m。

图  6  模拟区域地形及-20 m外海水深代表点位置

Fig.  6  Topography of simulated region and location of the open sea -20 meters representative point

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采用2001年卫星高度计资料、2015年铁山港两个大风过程的波浪浮标数据和2003和2013年涠洲站两个典型台风过程的波浪数据对模拟结果进行验证。图 7和表 2表示误差统计结果。由此可以看出，模拟结果与实测资料符合较好，计算得到的波高和周期结果可信。

图  7  卫星高度计有效波高误差统计

Fig.  7  Differences between simulated results and altimetric data

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表  2  铁山港和涠洲站波高及周期误差统计

Tab.  2  Errors of wave height and period of Tieshangang and Weizhou station

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用P-Ⅲ型方法推算工程区域附近各向不同重现期的有效波高和平均周期，具体结果见表 3。可以看出，有效波高极值集中在E~SE向，强浪向为SE(SSE)向，100 a一遇有效波高为5.93 m，50 a一遇有效波高为5.44 m。平均周期SE(SSE)向最大，100 a一遇平均周期8.5 s，50 a一遇平均周期8 s。

表  3  LNG项目外海-20 m深水处设计波浪要素

Tab.  3  Wave parameters of LNG project in -20 meters open sea

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对LNG项目附近海域的波浪要素进行模拟计算时共有12种工况，包括两种不同重现期(100 a一遇和50 a一遇)、6种波向(SE、SSE、S、SSW、SW和WSW向)和2种潮位(极端高潮位、设计高潮位)等。表 4表示100 a一遇的设计波高推算结果。受陆地阻挡，LNG项目工程区域主要受到SSE、S和SSW向波浪的影响。强浪向发生在S向，极端高潮位下100 a一遇有效波高为3.95 m，设计高潮位下100 a一遇有效波高为3.51 m。

表  4  LNG项目附近海域100 a一遇波高推算结果

Tab.  4  Calculated 100 a return period wave height of LNG project surrounding waters

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为求防御工程各段的波浪爬高，统计了LNG项目区域附近11个点(图 8)两个主要浪向100 a一遇的波浪要素(表 5)。

图  8  铁山港工程区参考点位置

Fig.  8  Locations of 11representative points in LNG project surrounding waters

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表  5  LNG项目区域11个代表点100 a一遇波浪要素统计

Tab.  5  100 a return period wave parameters statistics of 11 representative points in LNG project surrounding waters

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2   结果与讨论

表 6列出了LNG项目设计高潮位和100年一遇的极端高潮位的工程设计值和评估结果。从表中可以看出，无论是设计高潮位还是考虑海平面上升之后的极端高潮位的评估结果均大于工程设计值。

表  6  设计潮位评估结果

Tab.  6  Evaluation results of design tide level

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表 7比较了LNG项目附近海域100 a一遇波高的设计值跟推算结果。从表中能够看出，SSE向在极端高潮位和设计高潮位下的三种波高的评估结果均高于工程的设计值；S，SSW和WSW向在极端高潮位和设计高潮位下的波高评估值均低于设计值；SW向除极端高潮位的波高外，评估值跟设计值相当。

表  7  LNG项目附近100 a一遇设计波高及评估结果

Tab.  7  Evaluation results of 100 a return period wave height in LNG project surrounding waters

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《海堤工程设计规范》(GB/T 51015-2014)^[18]对斜坡式波浪爬高计算公式规定如下：

式中：R_1%为频率为1%的波浪爬高值；K_β为与波向有关的修正系数；K_Δ为与斜坡结构护面型式有关的糙率及渗透性系数；K_V为与风速V有关的经验系数；R₁为Δ=1、H=1m时的波浪爬高值。

防御工程应达到的高程Z_p采用如下公式计算：

式中：H_p为重现期高潮位；D_p为工程和地基沉降，由于未获取到此信息，其值为0；V_p为设计年限内的海平面变化；Δ为安全加高。

结合工程设计及海岸实际防御情形，将LNG项目防御工程为L1，L3和L5段，其余为工作船码头或临时段(图 9)。

图  9  LNG项目码头及防御工程岸段划分

Fig.  9  Section partition of LNG projectwharf and CDP

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L1段护岸的波浪爬高值选用5号点的S向波浪进行计算：

防御工程应达到的理论高程Z_p：

L3段护岸的波浪爬高值选用10号点的SE向波浪进行计算：

防御工程应达到的理论高程Z_p：

L5段护岸的波浪爬高值选用11号点的SE向波浪进行计算，

防御工程应达到的理论高程Z_p：

将推算得到的海岸防御工程应达到的理论高程与实测最低高程进行对比，对比结果见表 8。从表中可以看出，L1段实测最低高程要低于理论高程1.54 m，存在较大风险，建议对防御工程适当加高或是储备应急物资等以抵御海洋自然灾害；而L3和L5段分别高于理论高程0.21 m和0.29 m，风险较低。

表  8  防御工程岸段风险评估

Tab.  8  Risk analysis of each CDP section

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3   结论

(1) 中石化广西液化天然气(LNG)项目是广西沿海地区引进的重要清洁能源工程，而LNG具有易燃、易爆性，若对其认识不足或者防御不当，在海洋自然灾害来临时极易造成不可估量的损失。

(2) 本研究结合LNG项目海岸防御工程的设计标准及现状，对风暴潮、海浪的设计标准及设计参数进行分析，将推算得到的海岸防御工程顶高程与实测最低高程进行对比，评估各段抵御海洋自然灾害的能力。结论如下：无论是设计高潮位还是考虑海平面上升之后的极端高潮位的评估结果均大于工程设计值；SSE向在极端高潮位和设计高潮位下的三种波高的评估结果均高于工程的设计值，S、SSW和WSW向在极端高潮位和设计高潮位下的波高评估值均低于设计值，SW向除极端高潮位的波高外，评估值跟设计值相当；海岸防御工程L1段的实测最低高程要低于应达到的理论高程，存在一定风险，其他岸段风险较低。

(3) 针对防御工程部分岸段存在实测顶高程低于评估高程的情况，可对防御工程适当加高或者储备应急装备设施等，降低海洋自然灾害风险。此外，建议在危险品等存在安全隐患的区域修建围墙等第二道防护设施，增强抵御海洋自然灾害的能力。