天然海浪的多向性、不规则性对于海浪预报、海浪的折射、绕射、泥沙运动和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等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，并分析了其绕射、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，白静和陈哲准则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。此外俞聿修[8]等通过港口波浪整体物理模型试验，研究了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，在开敞水域则相反的结论，但是其所采用的模型为基本上没有模型边界反射的纯绕射模型，且并未分析不规则波的绕射随波向、周期的变化规律。

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，按照测点所在位置的不同，分析了在绕射作用主导下和波浪反射主导作用下，单向、多向不规则波的港内波高随波向、谱峰周期的变化规律。此外，本文还对模型内建筑物的反射系数的改变对港域波高分布的影响做了深入研究。由于本次试验的港内波高是由波浪绕射、折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 物理模型简介

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，模型并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，本次试验采用1：80的模型比尺。地形制作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、防波堤等按照断面板模拟法进行制作，码头采用灰塑板制作。港池边界布置有上下三层消浪栅，能较好地减少波浪反射。试验在浙江大学海洋学院的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型电容式浪高水位传感器采集，测量精度可达0.3 mm。

试验波浪采用单向和多向不规则波，多向波规则波方向谱函数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

图1 模型布置图Fig.1 Model layout

式中：G(f,β)采用经验分布：G(f,β)=Acos2n(θ-θ0),其中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，本次试验n取为4，θ0为入射波浪的主方向。试验中频率谱均为标准JONSWAP谱，谱峰升高因子γ=3.3 。

表1 试验波浪要素表Tab.1 Wave elements of the test波型组次编号水位(m)Hmo(m)Tp(s)主波向(o)多向不规则波10．91．．91．．91．．91．．91．单向不规则波60．91．．91．．91．．91．

本次试验所用的波高指的是Hm0，其通过波谱分析得到。模型布置见图1。模型中共布置测点47个，C1～C6测点为航道区域测点；S1测点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测点为东段防波堤后测点，W1～W3测点为西段防波堤后测点，T1～T5测点为港域中心测点，B1～B27测点为泊位前垂直于码头布置的9排测点。

为了更好的分析试验，本次试验中防波堤内均插有不透水板，故不考虑堤内透射，且由于试验比尺较小，波高较小，开挖水域深度也较小，因此影响港域内波况的因素主要为波浪绕射和波浪反射，波浪折射相对影响较小。本文所指的波高均是在波浪绕射、反射联合作用下的波高，将港域内测点波高与原始外海(S1点)波高的比值定义为扰动系数，下文不再赘述。

1.2 波浪要素

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为本次试验的控制点(S1)的波浪要素表。值得注意的是，在多向不规则波中，组次1所代表的波浪为风浪，组次2～5则为涌浪，这是由于工程地虽以涌浪为主，但是偶然情况下也会出现小周期的风浪。本次试验中采用JONSWAP谱来进行模拟波浪，JONSWAP谱是一个典型的风浪谱。针对谱型的影响，DHI进行过相关研究，研究表明：用谱峰升高因子为γ为3.3的JONSWAP谱也可以用来描述涌浪，且γ值对波浪扰动影响较小。