萊州灣潮余流及粒子運(yùn)移特征

姜悅,褚忠信,劉鑫倉(cāng),姜瑾斐,孫家高

(中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院 青島 266100)

0 引言

萊州灣位于山東半島北側(cè),西起黃河口,東至龍口屺姆角,是渤海三大海灣之一[1],有黃河、淄脈河、小清河、彌河、濰河和膠萊河等河流匯入灣內(nèi)[2]。

許多學(xué)者對(duì)該海域進(jìn)行大量研究,研究成果集中在圍填海工程[3-6]、水交換[7-9]、潮流波浪特征[10-11]和物質(zhì)輸運(yùn)[12-16]等方面。在物質(zhì)輸運(yùn)方面,海藻和塑料等重量較輕和易隨海流運(yùn)移的物質(zhì)會(huì)在潮流作用下自由運(yùn)移,其運(yùn)移方向、運(yùn)移路徑和運(yùn)移趨勢(shì)等對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)和沿岸地區(qū)生產(chǎn)生活具有指導(dǎo)意義。近年來(lái)針對(duì)萊州灣物質(zhì)輸運(yùn)的研究逐漸增多,但對(duì)萊州灣粒子運(yùn)移路徑和運(yùn)移規(guī)律的探討較少。本研究運(yùn)用二維數(shù)值模擬得到萊州灣潮流場(chǎng)和余流場(chǎng),將重量較輕和易隨海流運(yùn)移的物質(zhì)統(tǒng)一用自由運(yùn)動(dòng)的粒子代表,利用MIKE 21 HD模型計(jì)算不同初始位置的粒子在潮流作用下的運(yùn)移軌跡,并分析萊州灣粒子運(yùn)移的基本規(guī)律。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究的岸線數(shù)據(jù)提取自2018年的Landsat 8衛(wèi)星影像,空間分辨率為15 m,通過(guò)下載并配準(zhǔn)衛(wèi)片解譯和提取岸線,并利用AutoCAD 進(jìn)行調(diào)整[17]。采用海洋潮流發(fā)生一般高潮時(shí)海水所淹沒(méi)的平均界線法提取岸線,研究表明平均高潮線的精度可滿足當(dāng)前的網(wǎng)格計(jì)算要求[18]。采用電子海圖經(jīng)水深插值取得計(jì)算水深和DHI-Cmap 水深數(shù)據(jù)。采集2個(gè)觀測(cè)點(diǎn)(C5和C6)于2014年5月28日12時(shí)至5月29日12時(shí)的實(shí)測(cè)潮流數(shù)據(jù)[6],并與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證(圖1)。

圖1 觀測(cè)點(diǎn)位置

1.2 數(shù)值模型

采用丹麥水力學(xué)研究所研發(fā)的平面二維數(shù)值模擬,對(duì)萊州灣的潮流場(chǎng)、余流場(chǎng)和物質(zhì)輸運(yùn)進(jìn)行分析[19]。MIKE 21 HD 遵循Navier-Stokes方程、Boussinesq假定和靜水壓力的假定[20],以此為基礎(chǔ)建立方程[21]：

式中：ζ為水位;h為靜水深;H為總水深,且H=h+ζ;u和v分別為x和y方向上的平均流速;g為重力加速度;f為科氏力系數(shù);C Z為謝才系數(shù);εx和εy分別為x和y方向上的水平渦動(dòng)黏滯系數(shù)[22]。

1.3 計(jì)算區(qū)域和開(kāi)邊界

利用非等距網(wǎng)格技術(shù)對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行空間離散,并利用非等距三角形網(wǎng)格對(duì)重點(diǎn)研究區(qū)域進(jìn)行加密[23],研究區(qū)域的計(jì)算網(wǎng)格分布如圖2所示。

圖2 模擬計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格分布

水動(dòng)力模型的閉邊界為渤海灣岸線,開(kāi)邊界為水位邊界。開(kāi)邊界考慮4個(gè)主要分潮即M2、S2、O1和K1,經(jīng)調(diào)和常數(shù)計(jì)算進(jìn)行預(yù)報(bào)獲得,由圖2中的A、B二點(diǎn)連線組成,水位表達(dá)式[24]為：

式中：f i為各分潮的交點(diǎn)因子;R i為各分潮的振幅;σi為第i個(gè)分潮;θi0為各分潮的初相位;θi為各分潮的滯后相位;m為分潮個(gè)數(shù)。

開(kāi)邊界的調(diào)和常數(shù)由MIKE 21 HD 全球模式中獲得[25],并根據(jù)模型的具體情況進(jìn)行調(diào)整。模型共有10 002個(gè)節(jié)點(diǎn)和18 522個(gè)三角網(wǎng)格,其中渤海的最小空間步長(zhǎng)約為2 000 m,萊州灣的最小空間步長(zhǎng)約為700 m。模型計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)根據(jù)CFL 條件進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整,以確保模型計(jì)算的穩(wěn)定性,最小和最大計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)分別為0.01 s和30 s。

1.4 歐拉余流和粒子運(yùn)動(dòng)

在研究動(dòng)力理論時(shí),通常采用歐拉速度計(jì)算余流。海洋中的歐拉余流可簡(jiǎn)單定義為歐拉平均速度,具體計(jì)算方法是構(gòu)造x、o、y右手直角坐標(biāo)系,并對(duì)流速沿x軸和y軸分解,分解后的歐拉余流的計(jì)算形式[26]為：

式中：U E和V E分別為x和y方向上的歐拉平均速度;N=n T/dT,其中n為所取計(jì)算周期的個(gè)數(shù),T為潮周期,dT為數(shù)值模擬的時(shí)間步長(zhǎng);u i和v i為模型計(jì)算的每個(gè)時(shí)步在x和y方向上的速度。通過(guò)合成U E和V E得到歐拉余流場(chǎng)。

在進(jìn)行粒子追蹤時(shí),在萊州灣內(nèi)的一定位置釋放自由粒子,并追蹤粒子在1 440 h內(nèi)的運(yùn)移路徑?？紤]平流和水平擴(kuò)散等因素,計(jì)算公式[27]為：

式中：dx'(t)和dy'(t)為水平湍流擴(kuò)散引起的自由位移;U(x,y,t)和V(x,y,t)為x和y方向上的分速度;x(t)和y(t)為跟蹤粒子的坐標(biāo)[28]。

粒子的初始和結(jié)束位置如圖3所示。

圖3 粒子的初始和結(jié)束位置

1.5 模型驗(yàn)證

潮流流向和流速的驗(yàn)證結(jié)果如圖4所示。

圖4 流向和流速實(shí)測(cè)值與模擬值的對(duì)比

從流速和流向[29]的驗(yàn)證結(jié)果來(lái)看,2個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的模擬值與實(shí)測(cè)值基本吻合,相位偏差較小?？傮w來(lái)看,流速和流向的驗(yàn)證結(jié)果良好,表明模型配置合理,能較準(zhǔn)確地反映萊州灣的水動(dòng)力特征以及滿足當(dāng)前研究需求[30]。

2 結(jié)果和分析

2.1 漲急、落急流場(chǎng)

萊州灣附近海域漲急時(shí)和落急時(shí)的潮流場(chǎng)如圖5所示。

圖5 萊州灣漲急、落急流場(chǎng)

萊州灣是半日潮為主的海灣,潮流運(yùn)動(dòng)形式以往復(fù)流為主,潮流方向與海灣的走向基本一致。①漲急時(shí),潮流流向基本呈向岸方向,整體近SW向,在黃河口南側(cè)海域呈NE向;渤海入灣區(qū)的流速最大,約為2.19 m/s,并向?yàn)硟?nèi)逐漸減小。②落急時(shí),潮流流向與漲急時(shí)相反,即基本呈離岸方向,整體近NE 向,在黃河口南側(cè)海域呈SE 向,這與徐唯強(qiáng)[1]和劉建強(qiáng)等[5]的研究結(jié)果相似;流速的變化規(guī)律與漲急時(shí)相似,即由內(nèi)向外逐漸增大,亦在灣口處獲最大流速,約為2.66 m/s。

在濰坊港附近,漲急時(shí)的潮流流向?yàn)镾W 向,落急時(shí)的潮流流向?yàn)镹E 向,堤壩兩側(cè)的潮流方向順堤壩流明顯[31-32]。濰坊港改變附近海域的潮流流向,漲急、落急時(shí)的流速均出現(xiàn)不同程度的減小[33]。因此整體而言,堤壩的建造對(duì)萊州灣潮流造成的影響不容忽視,這與呂婷等[3]和田艷等[4]的研究結(jié)果一致。

2.2 歐拉余流場(chǎng)

根據(jù)萊州灣潮流場(chǎng)的情況以及式(5)和式(6),獲得萊州灣歐拉余流場(chǎng)(圖6)。

圖6 萊州灣的歐拉余流場(chǎng)

歐拉余流表示流速垂線平均的潮平均項(xiàng)[34]。萊州灣的歐拉余流整體較小,平均值為1.95 cm/s。余環(huán)流在萊州灣的分布特征為：①黃河口南側(cè)海域出現(xiàn)2個(gè)方向相反且流速較大的環(huán)流;②芙蓉島和刁龍嘴附近海域即萊州灣東南部出現(xiàn)2 個(gè)較大環(huán)流,其中左側(cè)為逆時(shí)針環(huán)流,右側(cè)為順時(shí)針環(huán)流,流速較其他區(qū)域稍大;③濰坊港附近出現(xiàn)1個(gè)流速較小且范圍半徑較小的順時(shí)針環(huán)流。上述結(jié)論與遲萬(wàn)清等[7]的研究結(jié)果相似。

從分布規(guī)律來(lái)看,歐拉余流與潮流的相同之處在于均為灣口附近較大而灣內(nèi)較小,不同之處在于歐拉余流在近岸區(qū)域明顯大于中央?yún)^(qū)域。

2.3 粒子運(yùn)移軌跡

在利用模型獲得潮流場(chǎng)的基礎(chǔ)上,本研究在萊州灣的不同位置釋放自由運(yùn)動(dòng)的粒子,得到潮流作用下自由運(yùn)動(dòng)的粒子運(yùn)移軌跡(圖7)。

粒子運(yùn)移軌跡可大致分為6 種類(lèi)型：①由初始位置經(jīng)短距離運(yùn)移后抵達(dá)海岸或在附近停留,如S02、S03、S11、S16、S25 和S30;②由初始位置向SW 向 長(zhǎng) 距 離 運(yùn) 移,如S01、S04、S05、S06 和S10;③由初始位置向E 向長(zhǎng)距離運(yùn)移,如S12、S19、S20、S21、S26和S27;④由初始位置向SE 向長(zhǎng)距離運(yùn)移,如S07、S08、S09、S13、S14、S15、S18和S29;⑤由初始位置向NE 向長(zhǎng)距離運(yùn)移,如S17、S22和S28;⑥由初始位置向NW 向長(zhǎng)距離運(yùn)移,如S23和S24。

整體而言,分布均勻的粒子在潮流作用下出現(xiàn)不同程度和不同方向的聚集,但不同初始位置的自由粒子均呈現(xiàn)向岸運(yùn)移的趨勢(shì)。

圖7 粒子運(yùn)移軌跡

3 結(jié)語(yǔ)

本研究采用MIKE 21 HD 模型得到萊州灣的潮流場(chǎng)和余流場(chǎng),并在不同初始位置釋放自由運(yùn)動(dòng)的粒子,獲得在潮流作用下自由運(yùn)動(dòng)的粒子運(yùn)移軌跡。以此為依據(jù),分析萊州灣潮余流的時(shí)空分布特征以及具有相同特征粒子的運(yùn)移特征,主要得到3項(xiàng)結(jié)論。

(1)漲急、落急時(shí)的潮流變化規(guī)律表明：萊州灣的潮流運(yùn)動(dòng)方向漲急時(shí)以灣外向?yàn)硟?nèi)流動(dòng)為主,落急時(shí)與漲急時(shí)相反;漲急、落急時(shí)的流速變化規(guī)律相似,即均在灣口處獲得最大流速;濰坊港的建造改變附近海域的潮流流向,并不同程度地減小潮流流速。

(2)萊州灣的歐拉余流場(chǎng)表明：萊州灣的歐拉余流整體較小,平均值為1.95 cm/s;灣內(nèi)出現(xiàn)4個(gè)半徑和流速較大的環(huán)流,濰坊港附近出現(xiàn)1個(gè)半徑和流速較小的環(huán)流。

(3)在潮流作用下,萊州灣分布均勻的粒子在自由運(yùn)移時(shí)出現(xiàn)不同程度的聚集,且整體運(yùn)移趨勢(shì)是向岸聚集;具有相同性質(zhì)粒子的運(yùn)移距離出現(xiàn)較大差異,主要與其初始位置有關(guān),即初始位置靠近海岸的粒子運(yùn)移距離較短,而初始位置在灣內(nèi)的粒子運(yùn)移距離較長(zhǎng)。