李 超

(中核華電河北核電有限公司，河北 滄州 061000)

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潮流數(shù)學(xué)模型計(jì)算方法及工程應(yīng)用

李 超

(中核華電河北核電有限公司，河北 滄州 061000)

介紹了潮流數(shù)學(xué)模型的建立方法，并以黃驊港海域?yàn)槔?，結(jié)合附近海域的氣象條件，通過該模型，模擬計(jì)算了潮流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)黃驊港地區(qū)海工工程建設(shè)及航運(yùn)安全具有重要的意義。

黃驊港，潮流數(shù)學(xué)模型，氣象條件，運(yùn)動(dòng)規(guī)律

黃驊港海域是粉砂質(zhì)海岸，潮流運(yùn)動(dòng)對(duì)泥沙的活動(dòng)性具有至關(guān)重要的影響，加之黃驊港海域?yàn)┚徦疁\，波浪破碎區(qū)寬闊。因此，建立潮流數(shù)學(xué)模型，研究潮流運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)黃驊港地區(qū)的工程項(xiàng)目建設(shè)以及航運(yùn)安全具有十分重要的意義。文章描述了建立潮流數(shù)學(xué)模型的方法，結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髼l件，確定了黃驊港海域的潮流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)海工工程項(xiàng)目提供參考。

1 建立潮流數(shù)學(xué)模型

潮流數(shù)學(xué)模型的計(jì)算采用Mike21系列軟件中的水動(dòng)力模塊(FM模塊)，F(xiàn)M模塊是由丹麥水工所開發(fā)，可應(yīng)用于海岸區(qū)域的水動(dòng)力模擬計(jì)算，其模擬計(jì)算結(jié)果在國(guó)際和國(guó)內(nèi)均具有較高的承認(rèn)度。

水動(dòng)力模塊的控制方程[1]采用二維淺水方程組，并將紊流作用以渦粘系數(shù)的形式參數(shù)化，其基本方程形式如式(1)所示:

(1)

(2)

其中，cf為拖曳力系數(shù)，可由Chezy系數(shù)C或Manning系數(shù)M計(jì)算，見式(3),式(4)，取Manning系數(shù)M=60。

(3)

(4)

(5)

為了較好的描述各種渦的形成，水平渦粘性系數(shù)E采用Smagorinsky亞網(wǎng)格尺度模型求解，即渦粘系數(shù)取為：

(6)

其中，Cs為可調(diào)系數(shù)，取為0.28;A為網(wǎng)格面積；Sij與速度梯度相關(guān)，即：

(7)

2 氣象條件

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及歷史資料的整理與分析，黃驊港附近海域的氣象條件為：1)海域潮汐屬不規(guī)則半日潮，平均潮差2.04 m，潮流屬規(guī)則半日潮型，漲潮偏西，落潮偏東，潮段平均流速在0.25 m/s～0.42 m/s之間。2)海域全年以E,SW風(fēng)最多，S,NE風(fēng)次之，強(qiáng)風(fēng)向主要來自NE向～E向，風(fēng)況受季節(jié)變化較為明顯，其中夏、冬兩季大風(fēng)出現(xiàn)的次數(shù)較低，春、秋季節(jié)大風(fēng)出現(xiàn)頻率較高。本區(qū)常浪向?yàn)镋NE向,E向和N向，強(qiáng)浪向?yàn)镋NE和N向，波浪以風(fēng)浪為主，少有涌浪，大風(fēng)天實(shí)測(cè)波浪與風(fēng)況具有良好的對(duì)應(yīng)性，呈現(xiàn)風(fēng)起即興，風(fēng)衰即減。

3 計(jì)算范圍

為擬合岸線和航道、堤線等建筑物的邊界，應(yīng)選用無結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格對(duì)大范圍計(jì)算區(qū)域進(jìn)行分解；為適應(yīng)波浪、潮流泥沙數(shù)學(xué)模型不同模擬的需求[2]，大范圍數(shù)學(xué)模型需包括整個(gè)渤海，局部模型范圍北起曹妃甸，南至東營(yíng)，東西距離約130 km，南北距離約120 km。大范圍潮流模型邊界由中國(guó)海域潮汐模型提供，局部模型邊界條件由大模型提供，最大空間步長(zhǎng)可達(dá)2 000 m，最小網(wǎng)格僅為10 m，局部模型共72 138個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，能夠保證充足的網(wǎng)格分辨率，圖1為局部模型網(wǎng)格剖分示意圖。

4 潮位與潮流驗(yàn)證

根據(jù)2014年3月～4月黃驊港實(shí)測(cè)的大、中、小潮全潮水文測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)上述潮流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

結(jié)果表明，測(cè)點(diǎn)的驗(yàn)證結(jié)果基本符合《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》要求(潮位誤差0.1m；潮段平均流速誤差率10%，往復(fù)流潮段平均流向誤差10°，旋轉(zhuǎn)流潮段平均流向誤差15°)。因此，總體來看，二維潮流數(shù)學(xué)模型在數(shù)值和相位上均與原型具有很好的相似性，可用于對(duì)潮流平面運(yùn)動(dòng)規(guī)律的模擬中，其預(yù)測(cè)結(jié)果具有良好的可信度。

5 潮流運(yùn)動(dòng)規(guī)律

根據(jù)2014年黃驊港實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合潮流數(shù)學(xué)模型，圖2,圖3給出了黃驊港大范圍海域漲、落急流場(chǎng)矢量圖，圖4中繪制了大潮全潮平均流速等值線。

6 結(jié)語

根據(jù)潮流數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果，經(jīng)分析，該海域潮流具有如下特征：

1)黃驊海域位于渤海灣的中部，整體潮流運(yùn)動(dòng)較為平順，漲潮時(shí)，外海水體自東向西流向近岸，在潮波傳至近岸的過程中，漲潮流向西南方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，落潮流基本呈現(xiàn)反向流動(dòng)。由于黃驊港海域建設(shè)有多道潛堤，該處存在明顯的潛堤越流和堤頭繞流，港池內(nèi)部流速普遍較低。

2)從流速量值角度，海域外海全潮平均流速在0.3 m/s～0.6 m/s左右，近岸流速基本不足0.2 m/s，黃驊港潛堤附近流速稍大，局部平均流速可達(dá)0.8 m/s以上，港池里段平均流速幾乎不足0.1 m/s，向外逐漸增加，但基本介于0.05 m/s～0.3 m/s之間。

[1] 侯慶志.曹妃甸海域圍填海工程動(dòng)力地貌環(huán)境遙感分析[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào),2013(3):1-6.

[2] 姚珊珊.施工期懸沙擴(kuò)散對(duì)電廠取水影響的數(shù)值模擬研究[J].水道港口,2014(2)：117-124.

On calculation method of tidal current numeric model and its engineering application

Li Chao

(CNNPCHDHebeiNuclearPowerCo.,Ltd,Cangzhou061000,China)

The paper introduces the establishment methods for the tidal current numeric model and undertakes the simulation calculation of the tidal current movement law by combining with the near offshore meteorological conditions by taking Huanghua Port as the example, so it is meaningful for the ocean engineering construction and harbor safety of Huanghua base.

Huanghua Port, tidal current numeric model, meteorological condition, movement law

1009-6825(2017)14-0227-02

2017-02-27

李 超(1983- )，男，工程師

TV131

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