泉州灣潮流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究

楊 晨，劉 穎，路 寬

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102249；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，北京 100038；3.國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

泉州灣潮流場(chǎng)的數(shù)值模擬研究

楊 晨1，劉 穎2，路 寬3

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，北京 102249；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，
水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，北京 100038；3.國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

本文建立了水深平均的二維潮流數(shù)學(xué)模型，并利用該模型對(duì)泉州灣潮流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，模擬的潮位過程、流速與流向均與實(shí)測(cè)值吻合良好。模擬結(jié)果演示了灣口至灣頂潮差逐漸增大、潮位滯后、漲落潮歷時(shí)變化的特性以及灣內(nèi)的流速、流態(tài)分布特征，表明了灣內(nèi)潮流為正規(guī)半日潮，主航道內(nèi)流速大于周邊地區(qū)，潮流較強(qiáng)區(qū)域位于鞋沙南北潮溝，南槽流速大于北槽，口門內(nèi)潮流具有明顯的往復(fù)流特性，口門外潮流具有一定的旋轉(zhuǎn)流性質(zhì)。

潮流；泉州灣；數(shù)值模擬；往復(fù)流；旋轉(zhuǎn)流

泉州灣位于福建省東南沿海中部，灣口向東南敞開，北起惠安下洋村，南至石獅祥芝角，東臨臺(tái)灣海峽。口門寬8.9 km，口門中部有大、小墜島，屬于開敞式、基巖溺谷海灣，周邊主要由花崗巖緩丘、紅土臺(tái)地和第四系海積－沖積平原組成，灣頂北部、南部分別有洛陽(yáng)江和晉江匯入[1]。灣內(nèi)島礁眾多，淺灘發(fā)育，大墜島與秀涂之間的鞋沙將泉州灣分為南、北兩條水道。泉州灣岸線曲折，總長(zhǎng)度為80.18 km，海灣面積為128.18 km2，其中灘涂面積達(dá)80.42 km2，水域面積47.46 km2。根據(jù)崇武站潮位調(diào)和常數(shù)，泉州灣主要全日分潮與半日分潮振幅比值為0.27，小于0.5，屬正規(guī)半日潮。

圖1 泉州灣水文測(cè)驗(yàn)站位圖

針對(duì)泉州灣的特點(diǎn)，本文建立了可以描述其內(nèi)部潮流運(yùn)動(dòng)的二維數(shù)學(xué)模型，并利用國(guó)家海洋局廈門勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院在2009年2月11日至3月13日期間測(cè)量的潮位過程數(shù)據(jù)[2]對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，模擬結(jié)果揭示了泉州灣內(nèi)的潮流運(yùn)動(dòng)特性。本模型既可對(duì)泉州灣內(nèi)的潮流預(yù)報(bào)提供一個(gè)有效工具，又可以對(duì)其他類似港灣內(nèi)的潮流數(shù)值模擬提供了借鑒和參考。

1 數(shù)值模型

泉州灣內(nèi)水深基本上在25 m以內(nèi)，遠(yuǎn)小于港灣的水面寬度，也遠(yuǎn)小于潮波的波長(zhǎng)。因此，研究泉州灣灣內(nèi)潮波運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，可假設(shè)壓強(qiáng)沿水深方向滿足靜水壓力的分布規(guī)律，流速沿水深方向變化不大，用非線性長(zhǎng)波方程來描述港灣內(nèi)的潮波運(yùn)動(dòng)具有足夠的精度[3-4]。

潮流模型以x,y方向的單寬流量q1,q2和自由表面高程zw為待求變量，其水流流動(dòng)的控制方程組為：

式中：x,y,t分別為空間直角坐標(biāo)和時(shí)間坐標(biāo)；zw為水位高程；zb為河床高程；H=zw-zb為總水深；q1=uH、q2=vH分別為x,y方向的單寬流量，u,v分別為x,y方向的垂直平均流速；ρ為水的密度；β為動(dòng)量修正系數(shù)；Ω,g分別為科氏參數(shù)和重力加速度；n為曼寧系數(shù)；τsx,τsy分別為自由表面上所受的切應(yīng)力在x,y方向上的分量，不考慮表面風(fēng)力的作用時(shí)，可忽略此項(xiàng)；τbx,τby分別是海底摩擦力在x,y方向上的分量；vt為沿水深平均的渦動(dòng)粘滯系數(shù)。

在本研究中，方程組的定解條件按以下方法給定：

初始條件：

邊界條件：

（1）開邊界處給定水位過程：

（2）固壁邊界處法向流速為零：

2 結(jié)果分析

泉州灣為半封閉的港灣，灣內(nèi)的潮流運(yùn)動(dòng)主要受控于外海的來流條件，因此計(jì)算區(qū)域開邊界應(yīng)能夠反映外海的來流情況。本次研究的數(shù)學(xué)模型計(jì)算區(qū)域包括整個(gè)港灣，水位邊界取在祥芝外至崇武一線，此處水面開闊，地形變化幅度較小。計(jì)算域控制面積約200 km2，開邊界處給定的潮位過程由測(cè)量資料進(jìn)行調(diào)和分析得到的天文分潮參數(shù)進(jìn)行構(gòu)建[5]。計(jì)算域用六節(jié)點(diǎn)三角形網(wǎng)格單元進(jìn)行離散，可以方便地模擬邊界形狀和地形變化，全域共劃分4 093個(gè)單元，8 518個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中3 001個(gè)為角點(diǎn)，邊長(zhǎng)350～400 m；計(jì)算了2009年2月11日至3月13日潮流過程，典型的時(shí)間步長(zhǎng)為6 min。

圖2 各潮位站潮位過程計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的比較

圖2 是祥芝、石湖、蟳浦三個(gè)測(cè)站的潮位過程計(jì)算值與實(shí)測(cè)值在大中小潮期間的比較，可以看到兩者吻合很好。由東（灣口）向西（灣內(nèi)）分布的祥芝、石湖及蟳浦三個(gè)站的平均潮位分別為0.14 m，0.22 m和0.33 m。對(duì)比三個(gè)站的高、低潮位，由東（灣口）向西（灣內(nèi)），最高潮位及平均高潮位逐漸增高，最低潮位和平均低潮位逐漸減小。最高潮位祥芝、石湖及蟳浦分別為3.15 m，3.36 m和3.57 m；最低潮位分別為-3.08 m，-2.85 m和-2.64 m。對(duì)比各站的潮差，由東（灣口）向西（灣內(nèi)），最小潮差及平均潮差逐漸增高，最大潮差逐漸減??；最大潮差祥芝、石湖及蟳浦分別為5.89 m，5.78 m和5.63 m。3個(gè)站均為平均漲潮歷時(shí)短于平均落潮歷時(shí)，由東（灣口）向西（灣內(nèi)）平均漲潮歷時(shí)逐漸減短，平均落潮歷時(shí)逐漸增長(zhǎng)；石湖站的平均漲潮歷時(shí)為5 h58 min，平均落潮歷時(shí)為6 h 26 min。

泉州灣潮汐性質(zhì)為正規(guī)半日潮，潮差呈現(xiàn)自灣口至灣頂沿程逐漸增大的趨勢(shì)。一個(gè)月的潮汐結(jié)果顯示，平均漲潮歷時(shí)短于落潮歷時(shí)，大潮潮差最大達(dá)到6 m；潮波從灣口向?yàn)稠攤鞑ミ^程中，高潮位逐步遞增，低潮位變化不大；沿程高低潮位出現(xiàn)的時(shí)間不完全同步，從灣口至灣頂高低潮位存在滯后現(xiàn)象；灣口漲潮歷時(shí)大于落潮歷時(shí)約30 min，向?yàn)硟?nèi)漲、落潮歷時(shí)趨于相等。

圖3是1#～5#站流速流向過程計(jì)算值與測(cè)量值在大潮中潮和小潮期間的比較，可以看到計(jì)算值與測(cè)量值符合得很好。其中大潮發(fā)生在11日前后，計(jì)算從12日開始，圖中計(jì)算值有段空白。以上測(cè)站都位于泉州灣口門內(nèi)，從流向變化過程上可以看出潮流具有明顯的往復(fù)流特性；主航道上2#站漲潮流向約310°～320°，落潮流向約120°～130°，5#站漲潮流向約270°～280°，落潮流向約90°～100°。主航道內(nèi)流速大于周邊地區(qū)，最大流速出現(xiàn)在5#站，實(shí)測(cè)為1.16 m/s，計(jì)算值為1.14 m/s；最小流速出現(xiàn)在遠(yuǎn)離主航道的4#站。計(jì)算結(jié)果還顯示鞋沙南北潮溝是泉州灣海域潮流較強(qiáng)區(qū)域，南槽流速大于北槽，計(jì)算時(shí)間段內(nèi)最大流速為1.2～1.3 m/s；口門外潮流流速相對(duì)于主航道小，具有旋轉(zhuǎn)流的性質(zhì)。

圖3 流速流向過程比較

3 結(jié)論

本文建立了水深平均的二維潮流數(shù)學(xué)模型，并利用該模型對(duì)泉州灣潮流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，模型預(yù)測(cè)的潮位、流速以及流向與實(shí)測(cè)值吻合良好。模擬的結(jié)果表明灣內(nèi)潮流為正規(guī)半日潮，自灣口至灣頂，潮差逐漸增大，潮位存在滯后現(xiàn)象；高潮位逐步遞增，低潮位變化不大；灣口漲潮歷時(shí)大于落潮歷時(shí)約30 min，向?yàn)硟?nèi)漲、落潮歷時(shí)趨于相等。主航道內(nèi)流速大于周邊地區(qū)，潮流較強(qiáng)區(qū)域位于鞋沙南北潮溝，南槽流速大于北槽；口門內(nèi)潮流具有明顯的往復(fù)流特性，口門外潮流具有一定的旋轉(zhuǎn)流性質(zhì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳培煥，佘小建，季榮耀.泉州灣灘槽演變及深水航道的回於研究[C]//第十三屆中國(guó)海洋（岸）工程學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集，2007.

[2]泉州灣跨海通道工程可行性研究水文泥沙觀測(cè)與分析報(bào)告[R].北京：國(guó)家海洋局第三海洋研究所，2009.

[3]陶建華.水波的數(shù)值模擬[M].天津:天津大學(xué)出版社,2005.

[4]何磊.海灣水交換數(shù)值模擬方法研究[D].天津:天津大學(xué),2004.

[5]董禮先，蘇紀(jì)蘭.象山港潮波響應(yīng)和變形研究II象山港潮波數(shù)值研究[J].海洋學(xué)報(bào)，1999，21(2):1-8.

Numerical study of tidal current field in the Quanzhou Bay

YANG Chen1，LIU Ying2，LU Kuan3
1.College of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Beijing 102249,China; 2.China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Research Center on Flood&Drought Disaster Reduction of the Ministry of Water Resources,Beijing 100038,China; 3.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China

A depth-integrated numerical model was built to simulate the tidal current characteristics of the Quanzhou Bay in this paper.The simulated tidal process,velocity and flow direction were validated by the measured data.The computed results demonstrated the variation of tidal range,tidal level,tidal duration along the bay and the velocity distribution characteristics in the bay,and revealed that the tide in the bay was the semidiurnal tide,the velocity in the main channel was greater than that in the surrounding area,strong tidal area was located in the north and south sand shoes tidal creek,the velocity in the south channel was greater than that in the north channel,the tide flow in the mouth had obvious trend of reciprocating flow characteristics,whereas the tide flow outside the mouth had the characteristics of rotating flow.

tidal current;Quanzhou Bay;numerical model;alternating flow;rotating flow

P731.2

A

1003-2029（2017）03-0117-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.03.022

2017-05-09

中國(guó)石油大學(xué)（北京）科研基金資助項(xiàng)目（2462017BJB02，2462015YQ0213）

楊晨（1981-）男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)樗硟上嗔鞯臄?shù)值模擬。E-mail：yangchen@cup.edu.cn