天然海浪的多向性、不规则性对海浪预报、海浪的折射和绕射、泥沙运动、污染控制等都有明显的影响。实际的海浪是多向的不规则波浪，海浪的能量不仅分布在一定的频率范围内，而且分布在相当宽的方向范围内。国内外早年提出的波浪绕射、折射的理论见解大都只限于规则波，模型试验也多采用规则波或单向不规则波，与工程实际偏差较大，因此研究波浪的折射和绕射必须考虑到波浪方向分布的影响。目前，国内外众多学者都已对多向不规则波的传播变形进行研究并取得了一定进展，其中张黎邦[1]、柳淑学[2]，李孟国[3]、刘思[4]等通过数学模型试验，模拟了多向不规则波的传播，并分析其绕射、折射特性；刘针[5]、白静[6]、陈哲准[7]通过数学模型与物理模型相结合的方式研究港口波况的影响因素，但是刘针主要研究的是港口自振周期和波浪要素周期的关系，白静和陈哲准主要考虑不同工程方案对港内波高分布的影响，并未考虑波浪要素本身特性如周期、波向、波的类型对波高分布的影响。俞聿修[8]等通过港口波浪整体物理模型试验，研究不规则波对港内比波高的影响规律，得出了在防波堤的掩护区域内多向波的绕射性能较单向波要好，而在开敞水域则相反的结论，但是其所采用的实验组次较少，且试验采用的周期均小，未考虑长周期的波浪的影响。此外，俞聿修所做的模型试验为基本上没有边界反射的纯绕射模型。

综合上述前人研究的不足之处，本文基于某大型港区的波浪整体物理模型试验，按照不同测点位置，对比分析相同的谱峰周期和主波向下，单向、多向不规则波的港内波高分布的关系。由于本次试验的波高分布是由波浪绕射、折射、反射联合作用下的实测结果，与一般数学模型相比更具工程实用价值。

1 试验概况

1.1 物理模型

本次试验为某港港口平面布置与波浪扰动整体物理模型试验，模型设计为正态、定床，模型按重力相似准则进行布置。考虑场地、波浪条件、试验要求等因素，本次试验比尺采用1:80。按照中交第四航务工程勘察设计院提供的工程平面布置图进行地形制作，地形、防波堤按照断面板模拟法进行制作，考虑到模型边界的反射问题，模型边界布置有上下三层消浪栅，最大程度地减少波浪反射。试验在浙江大学海洋学院40 m×70 m×1.8 m波浪港池中进行，港池中装有珠江水利科学研究院制造的L型造波机，造波机尺寸为34 m×56 m，波高数据采用LG1型浪高水位传感器采集，精度可达0.3 mm。

试验波浪采用单向和多向不规则波，多向不规则波方向谱函数S(f，β)可以表示为频谱S(f)和方向分布函数G(f,β)的乘积：

式中：f、β分别为频率、角度参量； A为方向分布函数系数；n为方向分布参数，n越小代表波浪能量的方向分布宽度就越宽，波浪多向性越强；θ为随机波浪的方向；θ0为入射波浪的主方向。本次试验n取4，对应的方向分布角度为19°，即max=19°。试验中频率谱均为标准JONSWAP谱，谱峰升高因子γ=3.3。

本次试验波高均为JONSWAP谱的零阶矩波高Hm0，计算方法如下：

式中：f0、f1分别为JONSWAP谱频率的下、上限值。

为了消除偶然性，每组试验采集波高数据2次，取其平均值作为试验结果，统计后发现2遍波高均相差不大。模型布置见图1，图中各点为波高仪测点位置。模型中共布置测点47个，C1～C6为航道区域测点；S1为波浪率定的控制点，该点波要素作为计算港内比波高的计算点；S2～S6为东段防波堤后测点；W1～W3为西段防波堤后测点；T1～T5为回旋水域及港域中心测点；B1～B27为垂直于码头布置的9排测点。为更好地分析试验，本次试验中防波堤内均插有不透水板，故不考虑堤内透射。本文主要是研究单向、多向不规则波对港内波高分布的影响，基于现在国际上习惯于将港内波高分布试验的比波高定义为扰动系数，下文中港域内测点波高与原始外海(S1)波高的比值也用扰动系数表示。

图1 模型布置

1.2 波浪要素

港口波浪扰动试验一般采用口门处的设计波要素(原始波要素)作为计算港内各点比波高的依据，通常由深水波浪推算得到，应是原地形时口门处的波浪。本次试验采用的波浪要素为丹麦DHI公司通过其自主开发的Mike 21 SW模块计算得到。表1为本次试验的波浪要素表，其中165°N、175°N指的是海图方位角，正北方定义为0°N，正东方定义为90°N，正南方定义为180°N，正西方定义为270°N。两波向与正北方向(0°N)的夹角分别为15°、5°。