1、中华人民共和国行业标准J-】rJT 277-2006水运工程波浪观测和分析技术规程Technical Regulations on Wave Observation andAnalysis in Port and Waterway Engineering20061220发布 20070501实旌中华人民共和国交通部发布中华人民共和国行业标准水运工程波浪观测和分析技术规程JTJT 2772006主编单位：南京水利科学研究院批准部门：中华人民共和国交通部施行日期：2007年5月1日厶庆安通癣磁祀2006北京关于发布水运工程波浪观测和分析技术规程)(JTJT 277-2006)的知交水发z00637
2、23号各省、自治区、直辖市交通厅(委)，上海市港口管理局，长江、珠江航务管理局，长江口航道管理局，有关企事业单位：由我部组织南京水利科学研究院等单位制定完成的水运工程波浪观测和分析技术规程，业经审查通过，已被批准为推荐性行业标准，编号为(jTjT”72006)自2007年5月1日起施行。本规范由我部水运司负责管理和解释，由人民交通出版社发行。中华人民共和国交通部二oo六年十二月二十日制定说明本规程是在总结国内外水运工程波浪观测经验和分析技术的基础上，通过调查研究，借鉴相关标准，广泛征求意见编制而成。本规程主要包括观测站点布设、观测仪器、数据采集、波浪记录处理和观测资料综合分析等技术内容。几十年
3、来，现行国家标准海滨观测规范(GBT 14914)和海洋调查规范海洋水文观测(GB 127632)对水运工程波浪观测起到了积极作用。随着水运工程建设事业的发展，为进一步总结我国水运工程现场波浪观测的经验，提高波浪观测及分析技术水平，交通部水运司组织南京水利科学研究院等单位制定水运工程波浪观测和分析技术规程。本规程主编单位为南京水利科学研究院，参加单位为大连理工大学、中国科学院南海海洋研究所和国家海洋局第三海洋研究所。本规程共分8章和5个附录，并附条文说明。本规程编写人员分工如下：1总则：左其华陈国平2术语：左其华黄海龙3基本规定：左其华陈国平周益人4观测站点布设：陈国平王登婷张金善5观测仪器：
4、朱良生孙瀛蔡守允王登婷6数据采集：王红川朱良生孙瀛潘军宁7波浪记录处理：俞聿修8观测资料综合分析：潘军宁 王红川 左其华附录A附录D：俞聿修1附录E：王红川附加说明：王红川本规程于2006年lo月20日通过部审，于2006年12月20日发布，自2007年5月1日起实施。本规程由交通部水运司负责管理和解释。请各有关单位在使用过程中，将发现的问题和意见及时函告交通部水运司(地址：北京市建国门内大街11号，交通部水运司工程技术处，邮政编码：100736)和本规程管理组(地址：南京市广州路223号，南京水利科学研究院，邮政编码：210029)，以便修订时参考。2目 次l总则2术语3基本规定-4观测站点
5、布设4 1观测站组成4 2观测基站4 3波浪观测点5观测仪器51一般规定5 2观测仪器选型一53观测仪器安装和调试6数据采集一7波浪记录处理7 1一般规定7 2渡浪要素分析7 3波浪频率谱分析-7 4波浪方向谱分析75资料整理一8观测赍料综合分析8 1一般规定82波浪特征综合分析8 3特征波浪谱综合分析8 4观测资料综合分析报告-附录A随机数据时间序列的谱分析 ；n但oooo，附录B贝叶斯法分析波浪方向谱附录c随机数据时间序列的互谱分析附录D波浪观测月报表附录E本规程用词用语说明附加说明本规程主编单位、参加单位、主要起草人、总校人员和管理组人员名单附条文说明2(21)(24)(26)(28)(
6、29)(31)1总 则101为统一水运工程波浪观测和分析的要求，提高观测成果的可靠性，为水运工程建设提供科学数据，制定本规程。102本规程适用于海岸、近海和内陆等水域波浪的观测和分析。103水运工程的波浪观测和分析除应符合本规程的规定外，尚应符合国家现行有关标准的规定。2术 语201波向波浪传来的方向。202波高波面上相邻两个下跨或上跨零点问波谷底至波峰顶之间的垂直距离。203波周期波面上相邻两个下跨或上跨零点问的时间间隔。204波浪要素表征一定水域和特定时段波浪状况的变量，如波向、波高、波周期和波长等。205波群波列中大于某一波高的若干个连续出现的波浪。206连长波群内的波浪个数。207频率
7、谱波浪能量随频率变化的分布。208方向分布函数波浪能量沿方向分布的函数。209方向谱波浪能量随频率和方向变化的分布。2010波动参数描述波浪运动的参数，如波面、水质点速度、水质点加速度和波动压力等。23基本规定301波浪观测应确保对大浪的观测。波浪观测资料应反映水运工程所在水域波浪的基本特征和变化。302波浪观测仪器和观测方法应合适、可靠。波浪观测资料应具有完整性和连续性。303波浪观测应包括波高、波周期和波向的观测，宜同时观测风和水位，必要时应进行水流观测。304波浪观测点的布设和观测仪器的选型应根据工程的需要和工程所在水域的环境确定。305波浪观测前应编制观测大纲，观测大纲应包括下列内容：
8、(1)观测项目概况、观测目的、内容和要求；(2)采用的技术标准；(3)观测仪器和观测方法；(4)数据采集和处理方法；(5)实施方案；(6)预期成果；(7)质量保证体系。306波浪观测实施时应建立波浪观测工作大事记，并应记人观测实施期间的仪器安装、调试，观测设备异常、观测站点位置变更及灾害天气过程等情况。307波浪观测期问应观察工程所在水域的环境变化，并应分析其对观测结果的影响。308波浪观测工作结束后应编写波浪观测报告。309根据工程建设项目的要求应对波浪观测资料进行综合分析，并应编写综合分析报告。3010波浪观测期间有关风、水位、水流等的观测和分析应符合国家现行有关标准的规定。44观测站点布
9、设41观测站组成411观测站宜包括观测基站和波浪观测点、潮位观测点、风观测点，必要时应包括水流观测点。42观测基站421观测基站宜布设在视野开阔，易于观测测波点的岸边。422观测基站应布设在测波信号易接收处，并应避开强磁场和电讯信号的干扰。43波浪观测点431波浪观测点布设应保证对工程有重要影响波向的大浪观测。432水下的波浪观测点应布设在底床较为平坦、冲淤相对较小的水域。433浮式测波仪的观测点应便于锚系的投放及固定，水域的最大水流速度宜小于2ms，最小水深宜大于5m。434声学测波仪可安装在固定结构物上，并应考虑结构物对波浪反射的不利影响。435测波杆或测波线可安装在固定结构物上，必要时应
10、根据水位变化及时调整测波杆或测波线的位置。436当结构物对波浪有反射影响时，宜考虑增设波浪观测点。55观测仪器51一般规定511观测仪器的量测范围应根据工程需要和观测点的波浪尺度确定。512观测仪器量测波高、波周期、波向的允许偏差应符合表512的规定。仪器量测允许偏差 表51 2量测项目 允许偏差H1 0 0 1波高且(m)Hl O 10量测值渡周期r(s) O 5渡向日(。)513观测仪器的安装应按各仪器的使用要求进行。514波浪观测期间应及时维护和检查观测仪器。52观测仪器选型521波浪观测应采用性能可靠的观测仪器，可选用浮式、声学式、压力式观测仪器和测波杆或测波线。采用新型的波浪观测仪器
11、时，其性能应能满足水运工程的需要。522同一水域同时多点观测波浪时，宜采用相同类型的观测仪器。选用不同类型的观测仪器时，应对比分析不同类型仪器量测精度和结果的一致性。523方向谱的波浪观测宜选用能得到方向谱的观测仪器或选用由其他波浪观测仪器组成的阵列式观测系统。6524传感器入水深度大于工程要求量测的最小波周期对应波长的13时，不宜采用压力式观测仪器。525采用水上声学测波仪时，应考虑破波和雨水对量测精度的影响。526测波杆和测波线宜用于湖泊、水库等水域的波浪观测；有安装条件时也可用于海域的波浪观测。53观测仪器安装和调试531浮式观测仪器安装和调试应符合下列规定。5311锚碇系统应根据观测仪
12、器使用要求，结合观测点水深、水流最大流速和水底底质条件配置，并能承受恶劣条件下浪、流的冲击。5312浮标投放前，应对传感器等设备的性能进行调试，通过模拟传感器在波浪中的运动，分析量测结果与模拟结果吻合程度。5313仪器处理系统应使用已有的观测资料进行检验。5314浮标和锚系投放应满足下列要求：(1)浮标投放前，检查浮筒和锚碇系统的完整性、部件联接的正确性和牢固性；(2)在流速小和波况较平静时投放浮标；(3)浮标投放后及时准确定位并量测观测点水深；(4)投放浮标和锚碇系统至少2 h后开始正式观测。532声学观测仪器安装应符合下列规定。5321传感器的安装应牢固可靠。5322传感器的安装应与结构物
13、边缘保持一定距离，传感器发射波束的覆盖范围内必须无任何障碍物。5323通信设备天线应安装在结构物最高处，必要时应设置中转站。533压力式观测仪器安装前应进行校准检查。传感器应安装在固定结构物上。7534测波杆和测波线安装调试应符合下列规定。5341测波杆和测波线应保持铅直，必要时应根据水位变化及时调整其入水深度。5342测波杆和测波线安装前应对传感器进行率定。使用过程中宜对传感器定期率定，并应适时清洗传感器表面。86数据采集601波浪观测数据采集应每3 h进行1次，观测时刻应分别为当地时间的02、05、08、11、14、17、20、23时整，采样的时间问隔不宜大于025 s。在大浪出现和工程需
14、要时应增加波浪观测的次数或连续观测，观测时间间隔不应大于l h。602大浪观测数据宜及时回收。603每次观测连续记录波浪个数不应少于100个，且连续记录的时间不应少于17 vain。需要分析方向谱或波群时，连续记录的波浪个数不宜少于200个。604采用阵列式仪器采集波浪数据时应符合下列规定。6041测波向时，应至少采集3个波动参数的同步资料。6042测波浪方向谱时，应至少采集4个波动参数的同步资料。6043仪器的阵列形式和仪器间的间距应根据当地波浪实际情况确定。97波浪记录处理71一般规定711进行波浪频谱分析和波浪统计特征分析时，处理的波浪记录长度不应少于100个波，分析方向谱和波群时处理的
15、波浪记录长度不宜少于200个波。712处理量测数据前应进行数据可靠性分析，剔除明显错误的数据，并应进行合理处理。713量测数据受到噪声干扰时，处理量测数据前应进行光滑或采用滤波方法消除噪声。714处理量测数据前应消除量测数据中的零点漂移影响。71s波浪记录处理应给出波浪要素，根据工程需要尚应对大浪记录分析频率谱，必要时应分析波浪方向谱和波群特性。716根据工程需要应对大浪过程及时进行处理。72波浪要素分析721分析波浪要素可采用跨零点法，并设置阈值，逐个计算出每个波的波高和相应的周期。阈值应根据实测波高和仪器的精度确定，也可取实测最大波高的2一4。722分析特征波要素时应将每个波的波高及相应的
16、周期按波高从大到小排列成序列，得出最大波高和对应的最大波周期。其他特征波浪要素可按下列公式计算：Hr譬譬Hm一m一I|ffOmKOHs=素荟皿 (7 223)N3Ts=寺毛t (722-4)百=亩荟H- (72 25)1 NT=寺荟t (722-6)式中Hmo、靠。分别为110大波波高(m)和1i0大波波周期(s)；波浪个数；H。、t分别为排在第i位的波高(In)及其对应波周期(s)；日。、B分别为有效波高(m)和有效波周期(s)；日、r分别为平均波高(m)和平均波周期(s)。723波群特征可用波群高度特征和波群长度特征表示，并符合下列规定。7231波群高度特征可用群高因子表示，可按下式计算：
17、GFH：垫 (7231)A式中eFH波群的群高因子，其变化范围为01；d渡包线A()的标准差(m)；j波包线A(t)的均值(m)。7232波包线可按下式计算：A(t)=口2(t)+；2(f)P (723-2)式中 A(t)波包线(m)；f时间(s)；目(f)波面(m)；(t)波面_(t)的Hilbert变换(1)。7233波群长度特征可用平均连长表示，可按下式计算：11式中j平均连长；n波列中大于平均波高的波群个数；波列中大于平均波高的第i个波群的连长。73波浪频率谱分析731分析波浪频率谱宜采用快速傅里叶变换法，谱密度、谱峰频率、谱密度峰值、谱矩和谱尖度等可按附录A计算。74波浪方向谱分析7
18、41波浪方向谱可采用贝叶斯方法按附录B和附录C计算。742多向不规则波的平均波向、综合平均波向、方向分布宽度和综合方向分布宽度，可按下列公式计算：rh I G(f，日)sinod日lJ0。Ii“G(f,0)cosSd00 jJ百s【f等唧埘】。(，)：r“：G(厂，日)(口一目。)2d日172i=t鼍警式中0。(，)频率为f的平均波向(tad)；G(f，口)方向分布函数(rad“)；，_一频率(比)；目波向(raa)；百综合平均波向(tad)；s(，)频率谱密度(m2Hz)；La毛言=，粥4477m。波浪频率谱的零阶矩(m2)；，1、，2波能分布的频率范围(Hz)；印(厂)频率为，的方向分布宽
19、度(md)面综合方向分布宽度(tad)。75资料整理751波浪观测资料整理应符合下列规定。7511波浪观测资料整理应逐月进行，并应编制波浪观测月报表。波浪观测月报表格式应符合附录D的规定。7512编制月报表前，应审查波浪观测资料和处理的数据，不得随意修改或涂抹原始数据。7513月报表备注栏内应详细记载异常波浪状况、迟测和缺测的原因、补测的时间和观测使用仪器设备的变更等情况。752波浪观测报告应包括下列内容：(1)观测目的、内容和要求；(2)观测站位置、观测仪器和观测方法；(3)原始记录和存储方法说明；(4)观测记录处理方法、成果和存储方法；(5)波浪观测资料月报表；(6)其他相关观测资料；(7
20、)观测质量的评价；(8)观测单位和人员。138观测资料综合分析81一般规定811根据工程需要，在波浪记录处理的基础上应对特征波浪要素和特征波谱进行观测资料综合分析。812观测资料综合分析时，宜根据完整的一年或多年资料给出年统计结果，必要时应按季或月统计结果。82波浪特征综合分析821波浪特征综合分析应包括波高和波周期分级统计、波高和波周期相关分析、波高统计分布分析等，必要时应进行风与浪相关分析和重现期波浪推算。822波高和波周期分级统计应符合下列规定。8221波高和波周期分级统计宜按16个方位进行。分级统计时，波高可采用有效波高，也可采用110大波波高，波周期宜采用平均波周期。8222波高分级
21、统计应给出各方位各级波高出现频率及各方位波高的平均值和最大值，并应绘制波高玫瑰图确定常浪向和强浪向。根据需要，可统计各级波高对应的平均波周期及各级波高出现的持续时问。8223波周期分级统计应给出各方位各级波周期出现频率及各方位波周期的平均值和最大值，绘制波周期玫瑰图。根据需要，可统计各级波周期对应的波高平均值。823波高和波周期相关分析应给出波高和波周期的联合出现频率，必要时应给出联合概率分布。当地风与浪相关性较好时，宜】4分方向拟合波高和波周期相关公式。824波高统计分布分析宜选择多个较大波浪记录，绘制实测波高频率分布图，并拟合理论分布曲线，确定不同累积频率波高。825风与浪相关分析应根据风
22、速仪的高度和周边环境进行风速订正。波向与风向、波高与风速相关性较好时，应拟合出波高与风速关系的经验公式。826当有不少于20年完整的波浪观测资料时，可采用波浪年极值频率分析方法推算不同重现期波浪要素，推算方法应符合现行行业标准海港水文规范(JTJ 213)的有关规定。827由短期资料推算测点附近不同重现期波浪要素时，应符合下列规定。8271当有完整一年或数年短期波浪资料时，可按现行行业标准海港水文规范(脚213)的有关规定推算不分方向的重现期波浪要素。8272当测点附近有长期波浪观测站，且两者的波浪资料相关性较好时，可借助长期波浪观测站资料推算测点附近不同重现期波浪要素。83特征波浪谱综合分析
23、831特征波浪谱综合分析可包括确定代表波浪谱及其与特征波浪要素的关系等。832代表波浪频率谱可采用实测的波浪频率谱统计分析得到，也可采用常用谱型进行拟合，确定谱型和谱参数，给出代表波浪频率谱。833代表波浪频率谱与特征波浪要素的关系可按下列公式计算：日s=口mo (8331)T=卢2 (833-2)2=2nmom2 (833-3)15L=7To，2A：五蚴mo式中 风有效波高(m)；mo、m2分别为谱的零阶矩(m2)和二阶矩(m2s2)；r平均波周期(s)；：由谱的零阶矩和二阶矩得到的平均波周期(s)；L谱峰频率对应的周期(s)；谱峰频率(Hz)；剐)谱密度峰值(m2Hz)；a、口、y、A均为
24、实测资料统计分析确定的系数。834代表波浪方向谱可表示为波浪频率谱与波浪方向分布函数的乘积。波浪方向分布函数及其参数可采用统计分析方法确定。对单峰方向谱的方向分布函数可采用下列公式拟合：G(f=Go(班。S25(导)G小)=。1黜式中 C(f，波浪方向分布函数； 卜波浪频率(Iz)；日波浪传播方向与主波向的夹角(。)围为一1800，1800；其变化范G。(s)波浪方向分布函数中的系数；s方向分布集中度参数；r伽玛函数。84观测资料综合分析报告黟41波浪观测资料综合分析报告应包括下列内容：(1)封面，包括资料分析成果的名称、承担单位、参加单位和编制日期；】6(2)扉页，包括法人代表、技术主管、项
25、目负责人、报告编写人和参加人员；(3)摘要，包括资料概况、分析方法和主要结论；(4)目次，包括分析报告的章、节的标题和起始页码；(5)正文；(6)参考文献。842观测资料综合分析报告的正文应包括下列内容：(1)引言，包括波浪观测分析的背景、目的和技术路线；(2)观测资料的基本情况，包括资料来源、测站概况、观测仪器、观测时限和资料内容；(3)技术要求；(4)分析内容和方法；(5)综合分析结果；(6)结语，包括主要结论、存在的问题及建议。17附录A随机数据时间序列的谱分析A01采用快速傅里叶变换法进行谱分析可按下列步骤进行：(1)截断数据时间序列或增加零，使时间序列有N=24个数据，n为正整数；(
26、2)对数据时间序列中心化，并乘以修正函数削尖数据时问序列。修正函数按下式计算：b(t。)=吉(，s竽)l吉ts学0n1lnNl(A01-1)NlnN式中 b(。)修正函数；n正整数；时间序列样本总数；卜一削尖数据个数，z一01N。(3)调用快速傅里叶变换子程序，削尖后的时间序列的傅里叶变换按下式计算：X。=At警1俨，(一z孕1 (A0001-2)=。 、 V式中Xk削尖后的时间序列的傅里叶变换，k=0，1，2芸；采样时间间隔(s)；样本总数；嘶削尖后的时间序列，j=0，1，2N一1。(4)粗谱密度按下列公式计算：(m)=历1函5肚，k=o，l，2iN(A013)18“矬 (A00 1-4)式
27、中 S(mE)对应m的粗谱密度；mk对应k的圆频率(radHz)；样本总数；t采样时间间隔(s)；凰削尖后的时间序列的傅里叶变换；x；五的共轭复数。(5)对粗谱密度进行修正： j(。I)：(EJ)百士，k：o，l，2iN(A015)b2(f，) J=0。式中罾(“)对应m的修正后的谱密度；(u)对应m。的粗谱密度；对应k的圆频率(rad-Hz)；样本总数；b(，)修正函数，=0，1，2Nl。(6)对修正后的粗谱进行光滑得到谱密度，并按下列公式计算：s(。t)=历h。互Ps(；)1 P，P=丽N嵩式中 S(60k)对应mk的平滑后的谱密度；一对应k的圆频率(碍dHz)；j(。I+。)对应m。+；
28、修正后的粗谱密度样本总数。A02谱矩和谱尖度可按下列公式计算：m，=J博()doJ(A016)(A01-7)(A021)19o 2丢J。oJS2(m)dm式中m，谱的r阶矩，r=0，1，2，3，4；m圆频率(mIad)；S(to)用圆频率表示的频率谱；Q。谱尖度。A03用频率表示的谱可按下式计算：S(f)=2 7rS(2rf)=2”s()式中 S(，)用频率表示的谱；，一频率(Hz)；圆频率(Hztad)；S(w)用圆频率表示的频率谱。20(A022)(A03)附录B贝叶斯法分析波浪方向谱B01贝叶斯法分析方向谱可按下列步骤进行：(1)按附录A方法计算各波动量时间序列的频谱P一(，)和p。(f
29、)。(2)按附录C方法计算各波动量时间序列的互谱9。(f)。(3)按下列公式计算互谱参数：张(，)2可丽fim(f菰)丽江1加(B01-1) ：巫掣fB01-2)式中 吼(，)互谱参数；p。(，)分别为波动参数m和n之问的互谱；P。(，)、尹。(，)分别为波动参数m和n的频率谱；s()波浪频率谱(m2Hz)；】v互谱个数；M实测波动参数的个数。(4)波浪方向谱可表示成S(f，=S(f)G(日1，) (B01-3)式中S(f，波浪方向谱(m2(也rad)；s(，)波浪频率谱(m2Hz)；G(0I，)波浪方向分布函数(rad“)。(5)分段拟合波浪方向分布函数：KG(目If)=互exp丑(f) (
30、B01-4)X仇()=exp以(，)+q (B01-5)21a*(，)=Hi(f，巩)日 (B01-6)皿(f，=巩(f，鲫日：(f，口)COS(kx。cos0+ky。sinO)一sin(kx。cos0+ky。sin0)厂五乃再ii7j(B01-7)式中 G(口l，)波浪方向分布函数(md。1)；K拟合方向分布函数的分段数，可取K=4090；以(厂)分段拟合方向分布函数的指数函数；仇(厂)互谱参数；口m系数；Ei独立随机变量，其分布符合均值为零，方差为d2的正态分布；皿(-厂，日)传递参数； 卜频率(m)；日波浪传播方向与设定坐标系横轴的夹角(。)；H。(f，口)、以(，目)从波面转换到波动量
31、的传递参数；日：(f，目)以(，目)的共轭函数；*Y、y。分别为测量第m个和第n个波动参数的传感器的位置坐标(m)，z。=靠一z。，y。=YnYm o(6)按下式取最小值求得凰的解：羔仇一圭tlikexp EXkz+。z二K(甄一2X,一。+瓦一：)z】u2 2 n6“1式中_】v互谱个数；纯互谱参数；K拟合方向分布函数的分段数22(B018)(B019)凰分段拟合方向分布函数的指数函数；am系数；M2平滑函数；。、6均为参数，当互谱误差很小时，o=02、b=05；当互谱有较大误差时=512、b=05：m1指数，取m1=1，220。(7)m，的取值使下列各式得到的ABIC取最小值ABIC=一2jn l L(X，d2)P(盖f“2，02)dx(B01-10)砌衙Xk；a2)=南唧卜刍蓦胁一k氖=l exp(驯2)(B0111)，(XI u2,a2，=(志)“唧【_蓦砉cXk-2Xk I+Xk_2)2(B01-12)式中ABIc贝叶斯信任指数；(X，(72)的或然函数；p(xl u2，口2)蜀，盖2k的先验函数；“2平滑函数。(8)用数值方法解式(B01-8)得到X。后，再代人式(B 014)和(B01-3)，可求得波浪方向分布函数和波浪方向谱。23
