武雅潔， 高曉紅， 梁丙臣， 張 敬(. 中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 26600； 2. 中國海洋大學(xué)山東省海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 26600；. 中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東 青島 266580)

?

劉公島海域潮流泥沙數(shù)值模擬研究?

武雅潔1,2， 高曉紅1， 梁丙臣1,2， 張 敬3
(1. 中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266100； 2. 中國海洋大學(xué)山東省海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；3. 中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東 青島 266580)

本文以劉公島旅游碼頭擴(kuò)建工程為例，探索平面二維數(shù)值模式MIKE21FM在海洋工程環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作中的應(yīng)用。在MIKE21FM的基礎(chǔ)上，建立了劉公島周圍海域潮流場數(shù)值模型和泥沙輸移數(shù)值模型，分析和預(yù)測(cè)劉公島旅游碼頭工程建設(shè)前后周邊海域的水動(dòng)力條件和泥沙沖淤狀況。數(shù)值模擬的潮位、潮流流速和流向與實(shí)測(cè)資料吻合較好，表明MIKE21FM能精確有效地模擬劉公島及其周圍海域潮流運(yùn)動(dòng)過程和特征。對(duì)工程建設(shè)前后數(shù)值模擬結(jié)果比較分析，表明工程建成后對(duì)周邊海域的水動(dòng)力特征和地形地貌環(huán)境影響甚微，為該工程的設(shè)計(jì)和規(guī)劃提供技術(shù)依據(jù)。模擬結(jié)果表明，MIKE21FM模式能夠模擬實(shí)際工程中的復(fù)雜流動(dòng)，可以在海洋工程環(huán)境影響評(píng)價(jià)中推廣應(yīng)用。

海洋工程；水動(dòng)力模型；數(shù)值模擬；MIKE21FM；環(huán)境影響評(píng)價(jià)

利用數(shù)值模擬技術(shù)定量分析海洋工程對(duì)其周圍海域水動(dòng)力和地形地貌的影響程度和范圍，以其有效性、靈活性和相對(duì)廉價(jià)性，受到越來越多的重視和廣泛的應(yīng)用。近年來，水動(dòng)力數(shù)值模擬普遍使用的方法有日本學(xué)者提出的ADI方法、漢堡大學(xué)研發(fā)的HAMSOM模型、POM模式、ECOM-si模型等，這些非商業(yè)模型有較強(qiáng)的開發(fā)潛力，在海洋環(huán)境評(píng)價(jià)領(lǐng)域用得較多。但是，他們的源程序和操作手冊(cè)都十分復(fù)雜、人機(jī)交互功能較弱，不便于普及推廣[1]。而丹麥水力研究所開發(fā)的MIKE系列軟件包括水動(dòng)力、水質(zhì)、泥沙、對(duì)流擴(kuò)散和離子追蹤等模塊，在平面二維自由表面流數(shù)值模擬方面具有強(qiáng)大的功能，而且操作簡單[2]。

MIKE21FM是一個(gè)基于不規(guī)則網(wǎng)格的模型，以三角形網(wǎng)格為基礎(chǔ)，網(wǎng)格設(shè)計(jì)靈活且可隨意控制網(wǎng)格疏密。因此，可以在任意淺水區(qū)及海洋工程所在的重點(diǎn)區(qū)域局部加密網(wǎng)格，因此它在模擬岸線彎曲的情況中具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。MIKE21FM模型考慮了風(fēng)應(yīng)力、斜壓作用以及陸地邊界徑流的影響，具有算法可靠、計(jì)算穩(wěn)定、前后處理功能強(qiáng)大等諸多優(yōu)點(diǎn)，已在全球70多個(gè)國家得到廣泛應(yīng)用。近年來該軟件在國內(nèi)已被成功應(yīng)用于潮流場數(shù)值模擬[3-4]、洪水淹沒分析[5-6]、溫排水影響分析[7-8]、水質(zhì)模擬與預(yù)測(cè)[9-10]等方面。

劉公島位于為威海灣口，將威海灣口分為南北兩口。劉公島旅游碼頭擴(kuò)建工程泊位擬在現(xiàn)有劉公島旅游碼頭東側(cè)延長80m而形成。國內(nèi)學(xué)者對(duì)威海灣附近海域的潮流特性和泥沙淤積作了一些研究。張偉[11]采用ECOMSED數(shù)值模型對(duì)威海灣南部楊家灣內(nèi)的岸灘整治工程建設(shè)后的水動(dòng)力環(huán)境及沖淤環(huán)境進(jìn)行了數(shù)值模擬研究；蔡學(xué)石和王永學(xué)[12]建立了威海中心漁港的波流場、泥沙場數(shù)值計(jì)算模型，通過數(shù)值模擬研究探討了威海中心漁港修建前、后的波流場及海底沖淤情況的變化特征。但是由于劉公島特殊的地理位置，他們的模擬研究海域一般以劉公島為邊界，未涉及劉公島及其周圍海域的研究。而且更重要的是泥沙輸移僅考慮了波流共同作用，而沒有考慮風(fēng)的作用。因此，本文以劉公島旅游碼頭擴(kuò)建工程為例，在MIKE21FM基礎(chǔ)上建立潮流場和風(fēng)浪流作用下的沙輸輸移數(shù)值模型，預(yù)測(cè)和分析擴(kuò)建工程的建設(shè)對(duì)周邊海域的水動(dòng)力環(huán)境及地形地貌環(huán)境產(chǎn)生的影響，探索平面二維數(shù)值模式MIKE21FM在海洋工程環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作中的應(yīng)用。

1 模型簡介

(1)模型控制方程[2]

質(zhì)量守恒方程為

(1)

動(dòng)量方程為

(2)

(3)

泥沙控制方程為

(4)

(2)定解條件

(5)

邊界條件：在潮灘區(qū)采用動(dòng)邊界處理；水邊界采用預(yù)報(bào)潮位控制。固定邊界取法向流速為零，即：

(6)

2 水動(dòng)力模擬預(yù)測(cè)和分析

2.1 計(jì)算域和網(wǎng)格設(shè)置

(1)計(jì)算域設(shè)置。本文所建立的海域數(shù)學(xué)模型計(jì)算域范圍見圖1，即為圖中A、B、C 3點(diǎn)以及岸線圍成的海域。模擬采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，用動(dòng)邊界的方法對(duì)干、濕網(wǎng)格進(jìn)行處理。為了清楚地反映工程實(shí)施對(duì)其附近海域水動(dòng)力環(huán)境的影響，模擬中將工程區(qū)附近海域的計(jì)算網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，即D、E、F 3點(diǎn)與岸線圍成的海域，見圖2。為了更好的與現(xiàn)有岸線相吻合，對(duì)局部岸線進(jìn)行了修正加密，整個(gè)模擬區(qū)域網(wǎng)格最小空間步長為24m。

(2)水深和岸界。

水深 選取中國人民解放軍海軍航海保證部制作的11 981(1∶4 000)、12 100(1∶250 000)海圖以及工程附近海域水深地形測(cè)量資料。

岸界 采用以上海圖中岸界、908山東省海岸線勘測(cè)資料以及工程附近海岸線勘測(cè)資料。

(3)模型水邊界輸。

開邊界 本次模擬的開邊界水位由黃渤海潮流模型提供，其開邊界潮位由下式輸入計(jì)算

(7)

其中：A0為平均海平面；fi、σi是第i個(gè)分潮(分別取M2、S2、O1和K1四個(gè)分潮)的交點(diǎn)因子和角速度；Hi和gi是調(diào)和常數(shù)，分別為分潮的振幅和遲角；(v0+u)i是分潮的幅角。

閉邊界 以大海域和工程周邊岸線作為閉邊界。

(4)計(jì)算時(shí)間步長。模型計(jì)算時(shí)間步長根據(jù)CFL條件進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，確保模型計(jì)算穩(wěn)定進(jìn)行，最小時(shí)間步長0.8s。

(5)底床糙率和水平渦動(dòng)黏滯系數(shù)。底床糙率通過曼寧系數(shù)進(jìn)行控制，曼寧系數(shù)n取45～58m1/3/s。水平渦動(dòng)黏滯系數(shù)采用考慮亞尺度網(wǎng)格效應(yīng)的Smagorinsky(1963)公式計(jì)算水平渦黏系數(shù)。

2.2 海底沉積物采樣分析

為了解劉公島附近海域底質(zhì)組分和泥沙粒徑情況，在劉公島附近海域進(jìn)行了11個(gè)站位的海底沉積物采樣，站位布設(shè)見圖3，沉積物粒度的實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果見表1。實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果表明：(1)1～11號(hào)測(cè)站的泥沙粒徑組分主要是粉砂(0.016～0.004mm)和黏土(0.004～0.001mm)；(2)沒有測(cè)到粒徑大于2.0mm的礫石；(3)除靠近劉公島的5號(hào)測(cè)站和6號(hào)測(cè)點(diǎn)外，其它測(cè)站泥沙中的粘土組分以50%～70%居多，粉砂組分以25%～45%居多。

2.3 潮流數(shù)值模型及驗(yàn)證

潮流場數(shù)值模型采用計(jì)算區(qū)域的潮位、潮流流速和流向的實(shí)測(cè)資料對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，其中潮位驗(yàn)證采用2010年9月的實(shí)測(cè)資料，潮流驗(yàn)證分別采用2010—2011年2次的實(shí)測(cè)資料，共設(shè)置了3個(gè)驗(yàn)潮點(diǎn)。潮位、潮流驗(yàn)證點(diǎn)的位置見圖4。

1#驗(yàn)潮點(diǎn)(經(jīng)度122°08.000′E，緯度37°30.333′N)自2010年9月22日0時(shí)—2010年9月23日0時(shí)的大潮潮位驗(yàn)證結(jié)果見圖5?？梢钥闯?，該海域的潮汐屬于不規(guī)則半日潮。一日潮位過程包括2個(gè)完整的漲潮、落潮過程，2次潮位過程的高低潮不等現(xiàn)象明顯，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)資料較吻合。

圖6～7分別為2#(經(jīng)度122°09′35.2″E，緯度37°31′7.5″N)和3#(經(jīng)度122°12′16.4″E，緯度37°28′20.1″N)潮流測(cè)點(diǎn)2010年12月21日10時(shí)—2010年12月22日10時(shí)的大潮流速和流向的驗(yàn)證結(jié)果。由驗(yàn)證結(jié)果可以看出，2#和3#站的大潮期間的流速和流向均與實(shí)測(cè)資料吻合較好。

圖1 大海域計(jì)算域及網(wǎng)格設(shè)置圖Fig.1 Computational domain and grid of large sea area

圖2 局部海域網(wǎng)格設(shè)置圖Fig.2 Computational grid of local sea area

監(jiān)測(cè)站位Stations礫石Gravel/mm砂Sand/mm粉砂Siltysand/mm黏土Clay/mm平均粒徑Averagegrainsize/mm中值粒徑Mediangrainsize/mm名稱及代號(hào)Name>2．02．0?0．0630．063?0．004<0．004DmD50106．07741．15152．7710．00410．0036粉砂質(zhì)黏土203．06522．8974．0450．00180．0018粉砂質(zhì)黏土300．00652．2747．7250．00370．0043黏土質(zhì)粉砂400．77847．67851．5430．00340．0038粉砂質(zhì)黏土5017．97663．76218．2620．01790．0275黏土質(zhì)粉砂607．78472．39919．8180．01340．0175黏土質(zhì)粉砂70030．50569．4950．00230．0025粉砂質(zhì)黏土800．70131．8467．4590．00230．0023粉砂質(zhì)黏土901．54729．57868．8750．00220．0023粉砂質(zhì)黏土1001．36325．29473．3430．00170．0015粉砂質(zhì)黏土1103．62833．90462．4680．00270．0027粉砂質(zhì)黏土

圖3 劉公島附近海域沉積物采樣站位圖Fig.3 Sediment sampling stations near the Liugong island

圖4 潮位、潮流觀測(cè)點(diǎn)位置Fig.4 The locations of tidal level and tidal current

圖5 大潮1#站潮位驗(yàn)證Fig.5 Validation of tidal level at 1# station

圖6 大潮2#站流速、流向驗(yàn)證Fig.6 Validation of tidal current at 2# station

圖7 大潮3#站流速、流向驗(yàn)證Fig.7 Validation of tidal current at 3# station

因此，本文在MIKE21FM模式基礎(chǔ)上建立的潮流場數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果能較好地反映劉公島及其周圍海域潮流運(yùn)動(dòng)過程和特征，再現(xiàn)了該海區(qū)真實(shí)的流場情況。因此，本文所建立的數(shù)值模型和邊界設(shè)置合理，可以作為旅游碼頭擴(kuò)建工程前后水動(dòng)力和地形地貌沖淤環(huán)境影響預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。

2.4 潮流數(shù)值模擬及分析

運(yùn)用MIKE21FM對(duì)工程建設(shè)前后周圍海域潮流場變化情況進(jìn)行數(shù)值模擬，得到漲、落急時(shí)流場圖如圖8～9?？梢钥闯?，由于工程量較小，工程建成后對(duì)威海灣和楊家灣的潮流場幾乎沒有影響。劉公島周圍海域的漲潮流整體還是由東往西流(如圖8)，一部分潮流在劉公島西南處轉(zhuǎn)向西北，一部分在楊家灣口轉(zhuǎn)向西南流向楊家灣內(nèi)，流速普遍介于0.10～0.30m/s之間。工程附近漲潮流整體由東往西流，流速較小，小于0.15m/s。劉公島周圍海域的落潮流整體由西往東流(見圖9)，劉公島西南側(cè)海域潮流由西北往東南流，流速普遍介于0.10～0.3m/s之間。工程附近漲潮流整體由東往西流，流速比漲潮時(shí)較小，小于0.08m/s。

工程附近海域由于碼頭對(duì)潮流的阻礙作用，漲潮時(shí)，潮流自東向西流，遇到碼頭工程后，沿碼頭自北向南流，至碼頭南端向西偏轉(zhuǎn)，碼頭東、西側(cè)附近潮流與工程前相比有所減小(如圖8(a)和8(b))。落潮時(shí)，潮流與漲潮時(shí)方向相反，碼頭東、西側(cè)附近潮流與工程前相比也有所減小(如圖9(a)和9(b))，影響范圍在工程附近500m范圍內(nèi)，對(duì)1km之外的海域的水動(dòng)力幾乎沒有影響。

3 地形地貌沖淤數(shù)值模擬

利用沉積物取樣分析、海流觀測(cè)等方法，結(jié)合水深地形、工程地質(zhì)、風(fēng)速資料，運(yùn)用MIKE21FM模型模擬和預(yù)測(cè)潮流、波浪(施加風(fēng))作用條件下工程建設(shè)對(duì)工程周圍海域地形地貌沖淤環(huán)境的影響。根據(jù)工程附近海域風(fēng)資料的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，將全年的大風(fēng)引起的波浪與潮流、徑流共同作用于地形地貌沖淤模擬中。其中沉積物類型及粒度特征參數(shù)根據(jù)該區(qū)近期和歷史表層沉積物調(diào)查資料確定，限于篇幅，沉積物沉積和侵蝕計(jì)算公式參考文獻(xiàn)[2，13]。

工程建設(shè)前后工程海域的地形地貌沖淤數(shù)值模擬結(jié)果見圖10。由圖10(a)可以看出，威海灣和楊家灣整體呈微淤積狀態(tài)，淤積厚度小于4cm/a，劉公島東南側(cè)和西南側(cè)與陸地連線附近海域由于地形改變導(dǎo)致海域面積變窄，流速較大，處于微沖刷狀態(tài)，沖刷厚度小于6cm/a。工程附近海域東南角處于小范圍的微沖刷，程度小于4cm/a，其余附近海域處于微淤積狀態(tài)，淤積厚度小于4cm/a。比較工程建設(shè)前后工程海域的沖淤情況可以看出，工程建成后對(duì)威海灣和楊家灣整體沖淤影響很小，對(duì)工程附近200m范圍內(nèi)的沖淤有一定的影響，工程建成后，擬建工程南端出現(xiàn)小范圍的微沖刷，程度小于2cm/a，工程?hào)|南側(cè)和南側(cè)淤積程度增大，最大淤積厚度小于4cm/a，比工程前增大2cm/a。隨著時(shí)間向后推移，預(yù)計(jì)沖淤幅度會(huì)越來越小，10a左右基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，最大沖淤幅值在20cm左右。

4 結(jié)論

本文以劉公島旅游碼頭擴(kuò)建工程對(duì)周邊海域的水動(dòng)力環(huán)境及地形地貌環(huán)境產(chǎn)生的影響為主要研究目標(biāo)，采用數(shù)值模擬的方法，分析工程建設(shè)后對(duì)劉公島周邊海域水動(dòng)力和地形地貌環(huán)境的影響。本文首先建立了劉公島周邊海域淺水潮流數(shù)值模型，并利用歷史測(cè)量的潮位、潮流數(shù)據(jù)對(duì)模型結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證，數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)資料吻合較好。本文得出以下結(jié)論：

圖8 工程海域大潮期間漲急時(shí)流場圖Fig.8 Tidal current field at flood strength before and after the construction

圖9 工程海域大潮期間落急時(shí)流場圖Fig.9 Tidal current field at ebb strength before and after the construction

圖10 工程區(qū)域海域的地形地貌沖淤圖Fig.10 Tidal current field at ebb strength before and after the construction

(1)本文運(yùn)用潮流數(shù)值模型對(duì)劉公島周邊海域的潮流場進(jìn)行數(shù)值模擬，研究工程區(qū)域的潮流運(yùn)動(dòng)規(guī)律和工程建設(shè)后對(duì)周邊海域的水動(dòng)力條件的影響程度。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：由于工程量較小，工程建成后對(duì)威海灣和楊家灣的潮流場幾乎沒有影響，影響范圍在工程附近500m范圍內(nèi)。

(2)在此基礎(chǔ)上，本文建立了劉公島周邊海域泥沙輸移數(shù)值模型，對(duì)風(fēng)、浪、流作用下研究海域內(nèi)懸沙漂移擴(kuò)散過程進(jìn)行數(shù)值模擬。耦合潮流模型和波浪模型進(jìn)一步模擬預(yù)測(cè)工程建設(shè)引起的地形地貌環(huán)境的變化。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：工程建成后對(duì)工程附近200m范圍內(nèi)的沖淤有一定的影響，對(duì)整個(gè)威海灣和楊家灣地形地貌沖淤環(huán)境影響甚微。

綜上所述，由于工程規(guī)模較小，對(duì)水動(dòng)力的影響1km范圍外非常小，因此對(duì)水動(dòng)力和地形地貌的影響的范圍會(huì)集中在1km范圍內(nèi)，對(duì)外海域影響不大。本文從水動(dòng)力和地形地貌的角度分析了項(xiàng)目建設(shè)的可行性，為該工程的設(shè)計(jì)以及規(guī)劃提供了技術(shù)依據(jù)。本文算例的成功模擬表明MIKE21FM數(shù)值模型計(jì)算穩(wěn)定、精度高、計(jì)算結(jié)果可信，能有效地模擬實(shí)際工程中的復(fù)雜流動(dòng)，滿足海洋工程應(yīng)用要求，為海洋工程環(huán)境影響評(píng)價(jià)領(lǐng)域提供新的借鑒方法。

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責(zé)任編輯 陳呈超

Study on Tidal Current and Sediment of the Liugong Island Based on MIKE21FM

WU Ya-Jie1,2, GAO Xiao-Hong1, LIANG Bing-Chen1,2, ZHANG Jing3

(1. College of Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. The Key Laboratory of Ocean Engineering of Shandong Province, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 3. School of Petroleum Enginerring, China University of Petvoleum, Qingdao 266580,China)

Taking the construction of the tourism wharf of the Liugong island as an example, the application of MIKE21FM on environmental assessment of ocean engineering is investigated. In this work, numerical models of tidal current and sediment in the Liugong island′s adjacent waters are developed based on MIKE21FM in order to analyze and predict the impacts of the construction of the tourism wharf of the Liugong island on the hydrodynamic, geographic and geomorphic environment of its adjacent waters. The values of tidal current given by the simulation have a good agreement with observed data, which indicates that the numerical model provides a fair simulation of the coastal flow in the Liugong island and its adjacent waters. The simulation results before and after the construction shows that the construction have less influence on the hydrodynamic conditions and geomorphic environment. It reveals that the construction is feasible and it can provide some theoretical bases for planning and designing of the tourism wharf. The results of this work indicate that MIKE21FM can simulate the complex flows efficiently and effectively. It can be widely applied to forecast and estimate the oceanic hydrodynamics conditions as well as erosion and deposition features in the field of environmental assessment of ocean engineering.

ocean engineering； hydrodynamic model； numerical simulation； MIKE21FM； environmental impact assessment

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41302195)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)項(xiàng)目(27R1102059A; 201213005)資助

2014-03-10；

2014-06-15

武雅潔(1980-)，女，講師。E-mail: yajiewu@ouc.edu.cn

P731.2

A

1672-5174(2015)08-107-06

10.16441/j.cnki.hdxb.20140042