基于POM的長江口潮流研究

吳年慶

【摘 要】本文立足于潮流模擬和預(yù)測的相關(guān)研究，通過推導(dǎo)POM水動(dòng)力模型的控制方程建立三維模型，利用差分方程和偏微分方程的數(shù)理方法對(duì)模型進(jìn)行求解，并選取長江口作為仿真水域，利用POM模型對(duì)長江口水域進(jìn)行潮流數(shù)值模擬，設(shè)置程序的相關(guān)參數(shù)，并對(duì)水深數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化，選取對(duì)長江口潮流影響最大M2分潮作為邊界條件進(jìn)行調(diào)和分析，得到仿真水域的邊界條件，計(jì)算得到潮流、潮速、潮位以及流場圖的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行可視化處理。

【關(guān)鍵詞】POM模型；數(shù)值模擬；潮流分析；M2分潮

Research on the tidal current of the Yangtze River Estuary based on POM

WU Nian-qing

（Shanghai Maritime University Merchant Marine College， Shanghai 201306， China）

【Abstract】Based on the current modeling and prediction research， the establishment of three-dimensional model by deriving equations POM hydrodynamic model， using differential equations of mathematical methods and partial differential equations to solve the model， and select the Yangtze River estuary waters as a simulation， he use of the Yangtze Estuary POM model to simulate the trend， set program parameters， and the depth of the data grid， select the greatest impact on the trend of the Yangtze Estuary tidal boundary conditions as harmonic analysis， simulation the waters of the boundary conditions， the calculated flow， tidal speed， tide and data flow field pattern， and visualization.

【Key words】POM model； Numerical simulation； Tidal current analysis； M2 tidal constituent

0 引言

我國不僅擁有豐富的陸地資源，還擁有富裕的海洋資源。我國擁有299.7萬平方公里的海洋面積和長度為1.8萬公里的海岸線。我國的海洋資源包括油氣資源、石油資源、天然氣資源、還有大量的天然氣水合物資源等，積極開發(fā)利用海洋資源對(duì)改善我國能源結(jié)構(gòu)，提高可持續(xù)發(fā)展的潛力和增強(qiáng)國防方面具有重要的意義。潮流是影響海洋水動(dòng)力的主要因素之一，潮流的波動(dòng)會(huì)影響污染物的擴(kuò)散、泥沙的堆積以及鹽分的輸運(yùn)。經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中的水產(chǎn)養(yǎng)殖，船舶航行的航道規(guī)劃，港口的建設(shè)，自然資源的開發(fā)都與潮流的運(yùn)動(dòng)情況密切相關(guān)[1-3]。

針對(duì)以上相關(guān)問題，本文從基于POM仿真模型的數(shù)學(xué)建模開始，對(duì)長江口水域進(jìn)行潮流仿真，模擬出潮流的運(yùn)動(dòng)以及分布情況并與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，探討進(jìn)行潮流模擬以及預(yù)測的可能性，為以后的相關(guān)研究提供技術(shù)參考。

1 潮流數(shù)值模擬

利用POM模型對(duì)潮流進(jìn)行數(shù)值模擬，是目前海洋環(huán)境研究當(dāng)中最常用的手段和方法。其基本結(jié)構(gòu)流程如下（見圖1）：

（1）對(duì)程序進(jìn)行編寫調(diào)試，設(shè)定相關(guān)參數(shù)；

（2）選定要模擬的水域范圍，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的具體大小根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定；

（3）將實(shí)測的水深數(shù)據(jù)嵌入到網(wǎng)格點(diǎn)上，完成水深數(shù)據(jù)的網(wǎng)格化；

（4）設(shè)定合理的邊界條件，通過潮位站實(shí)測數(shù)據(jù)，畫出潮位變化曲線，并擬合出邊界函數(shù)；

（5）將水深數(shù)據(jù)和邊界函數(shù)輸入到程序中，運(yùn)行得到結(jié)果；

（6）對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化編程，作出對(duì)應(yīng)的曲線；

（7）結(jié)果檢驗(yàn)校正。

2 計(jì)算水域的劃分及網(wǎng)格化

水域范圍為：東經(jīng)121°00′至122°20′，北緯30°30′到32°00′，研究的水域包括長江口以及部分杭州灣水域，其中紅色、黃色、綠色、藍(lán)色表示水深由淺到深。

本文潮流計(jì)算中對(duì)長江口水域水平方向采用矩形格子，垂直方向采用σ坐標(biāo)，使得水的深淺對(duì)網(wǎng)格精度影響較小，網(wǎng)格數(shù)為160×171×10，其中x、y、z方向的格子數(shù)為方向平均單元格長度為1700m，z方向單元格長度為10m的網(wǎng)格進(jìn)行建模（如圖2），生成格子所必要的水深數(shù)據(jù)采用了海洋數(shù)據(jù)中心所發(fā)布的上海本周邊500m格子海底地形數(shù)據(jù)，海岸線的地形數(shù)據(jù)采用了美國國家地理數(shù)據(jù)中心的地形數(shù)據(jù)[4-5]。 圖2 長江口水深數(shù)據(jù)網(wǎng)格化圖

3 初始條件及邊界條件

一般初始條件設(shè)置為：速度V=0，時(shí)間t=0。長江口潮汐主要受M2分潮的影響，因此，選用對(duì)長江口水域影響最大的M2分潮作為開邊界條件。本文模型共分為四個(gè)邊界，分別為邊界一、邊界二、邊界三、邊界四，其中邊界一處選擇徐六涇作為驗(yàn)潮站，邊界二選擇佘山作為驗(yàn)潮站，邊界三選擇雞骨礁作為驗(yàn)潮站，邊界四選擇大戢山作為驗(yàn)潮站[6-7]。四個(gè)邊界處調(diào)和曲線的變化函數(shù)公式為：

其中T為M2分潮的周期為12.42h。

4 長江口水域潮流流場仿真

計(jì)算時(shí)間設(shè)定為2015年10月1號(hào)0點(diǎn)～2015年10月2號(hào)1點(diǎn)，約為1個(gè)周期，在程序中設(shè)定days=1.164065625，prtd1=0.25，dte=6，kx=1。

圖3和圖4分別為長江口水域12h和18h的潮流流場圖，12h時(shí)為漲潮流流場，此時(shí)潮流涌向長江口門處，此時(shí)口門附近流速增大，18h時(shí)為落潮流流場，此時(shí)潮流的從口門出涌向外海，不管在漲潮還是落潮，潮流的流速和水深關(guān)系密切，通過對(duì)比水深圖和流場圖發(fā)現(xiàn)：在較深的水域流速較大，較淺的水域流速較小，沿岸潮流的流速小于外海的潮流流速，同時(shí)沿岸流向變化不大，潮流主要沿著海岸線的方向傳播，遠(yuǎn)離海岸線的水域，潮流呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)流的特征。

5 模型仿真結(jié)果檢驗(yàn)

對(duì)長江口水域的仿真結(jié)果的驗(yàn)證，僅選取了中俊驗(yàn)潮站的實(shí)測值，具體數(shù)據(jù)來源于中國海事服務(wù)網(wǎng)和潮汐表。由于程序輸出的時(shí)間間隔為0.05h，畫出的曲線比較尖銳，因此，在驗(yàn)證時(shí)可以適當(dāng)去掉一些點(diǎn)，保留整點(diǎn)潮位的變化。圖5、圖6、圖7為中俊站流速、流向、潮位的驗(yàn)證曲線圖。

5.1 流速驗(yàn)證

中俊站最大潮速約在200cm/s～250cm/s，變化周期約為5h，在12h左右口門漲潮，中俊站處于口門附近流速迅速增加，潮流從外海涌向長江口，20h左右時(shí)為落潮，此時(shí)口門的潮流流向外海，流速迅速降低，落潮流的流速略高于漲潮流的最大流速，符合實(shí)際變化規(guī)律。

5.2 流向驗(yàn)證

中俊站的潮向變化周期為5h左右，和潮速的變化周期一致，變化范圍在70°～300°之間，漲潮時(shí)流向口內(nèi)角度為300°左右，落潮流向?yàn)?0°～120°之間。

5.3 潮位驗(yàn)證

中俊站潮位振幅范圍為70cm～420cm，周期為12h左右，每12h左右漲落潮一次，符合M2分潮的變化規(guī)律。

對(duì)整個(gè)長江口水域進(jìn)行流場驗(yàn)證需要用到大量的實(shí)測數(shù)據(jù)，長江口海域的流場特征比較復(fù)雜，等深線呈東西走向，半日潮波系統(tǒng)和全日潮波系統(tǒng)也存在差異，隨著潮波傳播到橫T形海域，潮流的方向由之前的南北向變成東西向，橫T形外側(cè)和內(nèi)測潮流狀態(tài)不同，外側(cè)為旋轉(zhuǎn)流，內(nèi)側(cè)為往復(fù)流。旋轉(zhuǎn)流呈南北向歷時(shí)長于東西向的往復(fù)流，長江口外的流場周期與潮位同步，一天有兩次漲潮和落潮，河口內(nèi)潮流日不等現(xiàn)象嚴(yán)重，漲潮流潮流涌向口內(nèi)在口門出流速急劇增大，流入口內(nèi)流速減小，落潮時(shí)潮流流向口外，同樣在口門處產(chǎn)生最大流速，流出口門涌向口外流速迅速變小，外海出流速較大。將上述資料和模擬的流場圖進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)流場變化特征符合良好。

6 總結(jié)

本文主要運(yùn)用POM對(duì)長江口水域的潮流進(jìn)行了分析，模擬出長江口水域的潮流場的變化特征，以及潮位、流速和流向的變化特征，并與實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況符合良好，證明了利用POM對(duì)長江口進(jìn)行潮流分析的可行性，彌補(bǔ)了實(shí)測資料中的數(shù)據(jù)不足，可以為潮流預(yù)測提供技術(shù)上的幫助，同時(shí)可以為船舶在沿岸航行時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供數(shù)據(jù)支持。

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[責(zé)任編輯：王楠]