大海域潮流場數(shù)值模擬分析

摘 要：本文以防城港市山心沙島生態(tài)島礁建設項目為研究對象，采用數(shù)值模擬的手段，建立大海域潮流場平面二維數(shù)值模型，對項目建設前后的潮流場狀況進行數(shù)值模擬。結果表明，現(xiàn)狀潮流流速通常＜50cm/s，工程東南側海域流速略大；漲急時刻流速通常＜60cm/s；高潮、低潮時刻工程潮流流速均＜10cm/s；工程建成后，西南和北東側漲急時刻流速主要呈現(xiàn)變小的趨勢，最大降幅約17.5cm/s，南、東南和西北側漲急時刻流速呈現(xiàn)增大的趨勢，流速最大降幅約為18.5cm/s；漲急時刻流速變化＞5.0cm/s的區(qū)域主要集中在工程區(qū)周邊0.8km內。

關鍵詞：大海域；潮流場；數(shù)值模擬；水動力；防城港

中圖分類號：U 652" " " " 文獻標志碼：A

1 工程概況

山心沙島位于防城港市企沙鎮(zhèn)東南海域，東臨欽州灣，南瀕北部灣。北緯21°35′18.2″，東經108°30′51.2″，岸線長1.9km，離岸距離為340m。西北側陸域為山新村，是一個以海洋捕撈和海水養(yǎng)殖為主的漁村，距欽州港西航道4n mile、企沙鎮(zhèn)政府1km、港口區(qū)政府25km。

工程海域地處北回歸線以南低緯度地區(qū)，氣候屬于我國亞熱帶海洋性季風氣候，冬季溫和，夏季多雨，季風明顯，受災害性天氣影響較明顯。防城港灣年平均風速為3.1m/s，月平均最大風速出現(xiàn)在12月份，為3.9m/s，其次是1月和2月，為3.7m/s；最小平均風速出現(xiàn)在8月份，為2.3m/s。防城港的潮汐為正規(guī)全日潮，其潮位特征值如下（1985國家高程基準）：最高潮位為3.60m（2008.11.1607：09），最低潮位為-2.03m（2002.12.818：53），平均潮位為0.62m，平均高潮為1.92m，平均低潮為-0.52m，最大潮差為5.29m，平均潮差為2.44m。

2 潮汐潮流數(shù)學模型控制方程

為更好地模擬大海魚潮流場的變化，研究計算采用前后處理功能強大的平面二維數(shù)值模擬程序MIKE21FM，該程序采用標準Galerkin有限元法進行水平空間離散，具有非結構三角網格剖分功能，在網格剖分上可以進行人工參數(shù)輸入?yún)?shù)達到任意控制網格的目的，可以用于劃分海洋與陸地的復雜邊界，在時間上采用顯式迎風差分格式離散動量方程與輸運方程，提供穩(wěn)健的計算結果，其具有高強度的計算算力，已在全球70多個國家得到成功計算算例[1-2]。平面二維數(shù)值模擬程序MIKE21FM模擬潮汐潮流采用的質量守恒控制方程如公式（1）所示，動量方程如公式（2）、公式（3）所示[3]。

（1）

（2）

（3）

式中：ζ為水位；h為靜水深；H為總水深，H=h+ζ；u、v分別為x、y方向垂向平均流速；g為重力加速度；f為科氏力參數(shù)（f=2ωsinφ，φ為計算海域所處地理緯度）；CZ為謝才系數(shù)，n為曼寧系數(shù)；εx、εy為x、y方向水平渦動黏滯系數(shù)。

求解以上控制方程，須滿足初始條件如公式（4）、公式（5）所示[4-6]。

ζ（x，y，t0）=0 （4）

u（x，y，t0）=v（x，y，t0）=0 （5）

3 潮汐潮流數(shù)值模擬

項目海域數(shù)學模型計算域范為圖中開邊界和岸線圍成的海域，計算域坐標范圍為19°06′07.27″N～20°40′15.65″N，東經106°48′38.90″E～109°55′14.26″E。采用無結構三角網格對海岸與陸地邊界進行模擬。模擬區(qū)域內由25218個節(jié)點和39851個三角單元組成，最小空間步長約為20m。數(shù)值模擬計算域和項目附近海域網格分布如圖1所示。

模型水域開邊界引用衛(wèi)星高度計資料、OTIS資料、越南由島、海南八所港、后水灣和廣東角尾4點歷史潮位觀測資料，閉邊界為大海域和周邊岸線。根據(jù)CFL條件對模型計算時間步長進行動態(tài)調整，采用考慮亞尺度網格效應的Smagorinsky（1963）公式計算水平渦動黏滯系數(shù)，如公式（6）所示[7]。

（6）

式中：cs為常數(shù)；l為特征混合長度；Sij為亞尺度網格。

4 數(shù)值模擬計算結果分析

4.1 大海域潮流場模擬結果分析

大海域計算潮流場為工程海域現(xiàn)狀的流場，計算結果如圖2、圖3所示。圖2是落急時刻潮流場，計算域內的潮流由欽州灣內流向灣外，整體由北往南流，大部分海域流速為20cm/s～80cm/s，在欽州灣兩側碼頭、防波堤等構筑物附近海域潮流流速較大，近岸海域流速較?。还こ谈浇逗Ｓ蛄魉佥^小，流速通常在25cm/s～45cm/s，流向主要由東北向西南方向流。圖3是漲急時刻潮流場，計算域內的潮流由欽州灣外流向灣內，整體由南往北流，大部分海域流速在25cm/s～85cm/s，在欽州灣兩側碼頭和防波堤等構筑物附近海域潮流流速較大，近岸海域流速較?。还こ谈浇逗Ｓ蛄魉佥^小，流速通常在30cm/s～50cm/s，流向主要由西南向東北方向流。高潮、低潮時刻欽州灣潮流流速整體較小，工程附近海域流速＜10cm/s。

4.2 工程周邊海域預測潮流場計算結果分析

根據(jù)工程方案布置，預測工程建成后的潮流場，圖4～圖7分別為工程建成后落急、漲急時刻和高、低潮時刻計算潮流場。工程建成后與對應時刻的現(xiàn)狀潮流場相比，工程附近大范圍內海域的流速和流向整體變化不大，落急時刻潮流由東北往西南流，漲急時刻潮流由西南往東北流，工程鄰近海域潮流場發(fā)生了一定的變化。從數(shù)值模擬結果的漲急落急潮流場流態(tài)可以看出，位于山心沙島東北的欽州灣灣口核電站修建了取排水涵道，山心沙島潮流場受到很大影響，欽州灣與山心沙島海域的水交換能力減弱，因此會使山心沙島周邊海域海沙的來源減少，在短期內泥沙平衡被打破，在大的環(huán)境和趨勢上，山心沙島有泥沙流失和遭受沖刷的風險。

為反映工程對周圍潮流場的影響情況，繪制了工程前后周邊海域漲急時刻流速變化圖，并對不同距離處漲急時刻流速和對應流向進行了對比，結果見表1。從表1可以看出，工程建成后，工程區(qū)西南和北東側漲急時刻流速主要呈現(xiàn)變小的趨勢，流速最大降幅約為17.5cm/s，位于工程北東側海域；工程區(qū)南側、東南側和西北側漲急時刻流速呈現(xiàn)增加的趨勢，流速最大增幅約為18.5cm/s，位于工程西北側海域。整體來看，漲急時刻流速變化主要集中在工程鄰近海域，其中工程北東和西南兩側流速變緩，南、東南和西北側流速加快，漲急時刻流速變化＞5.0cm/s的區(qū)域主要集中在工程區(qū)周圍0.8km內。

5 結論

利用平面二維數(shù)值模型對防城港市山心沙島生態(tài)島礁建設項目建設前后的潮流場狀況進行數(shù)值模擬，得出以下結論：1）工程附近現(xiàn)狀潮流，落急時刻潮流由東北往西南流，流速通常＜50cm/s，離岸海域潮流流速較大，近岸海域流速較小，工程東南側海域流速略大；工程所在區(qū)域內潮流流速為20cm/s～45cm/s。漲急時刻，工程附近潮流由西南往東北流，流速略大于落潮流速，通常＜60cm/s。高潮和低潮時刻工程附近海域潮流流速整體較小，工程鄰近海域潮流流速均＜10cm/s。2）工程建成后，工程區(qū)西南和北東側漲急時刻流速主要呈現(xiàn)變小的趨勢，流速最大降幅約為17.5cm/s，位于工程北東側海域；工程區(qū)南、東南和西北側漲急時刻流速呈現(xiàn)增大的趨勢，流速最大增幅約18.5cm/s，位于工程西北側海域。漲急時刻流速變化＞5.0cm/s的區(qū)域主要集中在工程區(qū)周邊0.8km內。3）從數(shù)值模擬結果的漲急落急潮流場流態(tài)可以看出，由于山心沙島修建取排水涵道不透水構筑物，因此山心沙島潮流場受到很大影響，欽州灣與山心沙島海域的水交換能力減弱，導致山心沙島周邊海域海沙的來源減少，在短期內泥沙平衡被打破，在大環(huán)境和趨勢上，山心沙島有泥沙流失和遭受沖刷的風險。

參考文獻

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