基于岸線變化的普沈水道水動(dòng)力響應(yīng)分析

黃賽花， 卜瑜輝， 朱永威， 謝華偉, 聶會(huì)

(1.浙江水利水電學(xué)院，浙江 杭州 310018； 2.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046；3.浙江省農(nóng)村水利水電資源配置與調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310018)

海域峽道的存在影響著近海航運(yùn)事業(yè)的發(fā)展，對(duì)這些峽道進(jìn)行研究至關(guān)重要。20世紀(jì)30年代，GREGORY J W[1]開(kāi)展了關(guān)于多佛海峽潮汐水動(dòng)力的研究分析。目前針對(duì)峽道的研究方法有很多，例如理論分析、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析、物理模型試驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型等方法。隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)值模擬方法在海洋水動(dòng)力研究方面的應(yīng)用日趨廣泛。例如：THIéBAUT M等[2]基于MARS-3D建立了多佛海峽的三維水動(dòng)力模型，得出多佛海峽潮流水動(dòng)力最強(qiáng)的地方位于Cape Gris Nez以西；王道生等[3]通過(guò)FVCOM平臺(tái)模擬分析了臺(tái)灣海峽不規(guī)則海岸與峽道的水動(dòng)力關(guān)系，并對(duì)臺(tái)灣海峽的潮汐進(jìn)行了分析；CUCCO Andrea等[4]數(shù)值模擬了墨西哥海峽與外部海域的水動(dòng)力特性。

浙江舟山海島數(shù)量在國(guó)內(nèi)居首，海島間峽道眾多，目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于舟山群島峽道的研究已取得不少有價(jià)值的研究成果。蔣國(guó)俊等[5-6]從峽道水動(dòng)力學(xué)角度探討了舟山群島峽道環(huán)境中的水動(dòng)力及沉積特性。袁金雄等[7]建立舟山數(shù)學(xué)模型研究峽道潮流能的利用對(duì)峽道水動(dòng)力的影響。任劍波等[8]研究了舟山島北部灌門水道潮波特性。馮海防等[9]通過(guò)Delft 3D-Flow軟件數(shù)值模擬了黃驊港附近海域的潮流場(chǎng)，研究在不同時(shí)期和工況下潮流場(chǎng)的主要變化。吳清松等[10]依據(jù)象山崗實(shí)測(cè)水文資料，建立了該海域潮流數(shù)值模型，探討了峽道地形對(duì)于潮流變化的影響。

隨著浙江舟山群島新區(qū)建設(shè)的不斷推進(jìn)，東港新城逐漸成為舟山市新的政治經(jīng)濟(jì)中心，普沈水道正對(duì)東港新城，其重要性不斷凸顯。本文選取普沈水道為研究對(duì)象，基于1997年和2017年周邊海島岸線的變遷，探討1997—2017年普沈水道水動(dòng)力的變化特征，研究結(jié)果可為東港新區(qū)的規(guī)劃提供參考。

1 研究區(qū)域概況

舟山群島位于杭州灣口門外，其間島嶼和潮流峽道縱橫交錯(cuò)，岸線逶迤曲折，如圖1所示。普沈水道位于舟山島、普陀島、朱家尖島三大島嶼之間，連接著普陀山和沈家門港。周邊水道交錯(cuò)，其北接蓮花洋、東通白沙水道、南連福利門水道與峙頭洋。普沈水道總長(zhǎng)8.6 km，峽道平均寬度約0.9 km(其中舟山島與分水礁之間最窄處僅0.4 km)。普沈水道呈西南—東北走勢(shì)，總體水深較淺，最深處位于普陀島南部海域，水深僅25 m，最淺處位于朱家尖島金缽盂山以北海域，水深不足4 m，水道南部和北部地形低于中部地形，總體地形似馬鞍。

圖1 普沈水道地理位置及附近海域岸線變化

普沈水道周邊海域?qū)俜钦?guī)半日淺海潮，多年平均最高潮位為2.31 m，平均最低潮位為-1.96 m，最大潮差可達(dá)3.93 m；漲、落潮分別歷時(shí)為5 h 40 min～5 h 57 min和6 h 28 min～6 h 45 min，落潮歷時(shí)長(zhǎng)；峽道潮流以往復(fù)流為主，海島岸線突出地方存在旋轉(zhuǎn)流。

圖1中勾勒出了普沈水道周邊各島嶼1997年和2017年的海岸線輪廓。從圖1中可以看出，近20年來(lái)，普沈水道周圍海島岸線變化較大，其中海域西北側(cè)舟山島岸線變化最為顯著，岸線向海域推進(jìn)約1.2 km；水道南側(cè)的朱家尖島西南段岸線已向海域推進(jìn)1.0 km左右，北側(cè)局部岸線向海域遷移0.8 km；東北側(cè)的普陀島岸線變化相對(duì)較小。普沈水道及附近海域的圍墾工程使得岸線形態(tài)更加平直規(guī)整，長(zhǎng)度則明顯縮短。

2 模型建立及模擬結(jié)果驗(yàn)證

本次模擬采用丹麥水力學(xué)所研制的平面二維數(shù)值模型MIKE 21FM來(lái)研究舟山海域的潮流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)。

2.1 水動(dòng)力控制方程

海域總水深計(jì)算式如下：

H=h+ξ。

(1)

連續(xù)性控制方程如下：

(2)

動(dòng)量控制方程如下：

(3)

(4)

2.2 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格

采用MIKE 21構(gòu)建普沈水道模型,如圖2所示，以乍浦為西邊界、蘆潮港和綠華山為北邊界、石浦作為南邊界、東部開(kāi)敞海域?yàn)闁|邊界，水深大于50 m。1997—2017年間，舟山群島海域岸線復(fù)雜多變，采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格剖分計(jì)算域，對(duì)普沈水道處進(jìn)行網(wǎng)格加密，遠(yuǎn)離水道海域網(wǎng)格相對(duì)稀疏，不同尺度網(wǎng)格之間通過(guò)設(shè)置實(shí)現(xiàn)平緩過(guò)度。模型計(jì)算節(jié)點(diǎn)共15 274個(gè)，三角網(wǎng)格總數(shù)為28 944個(gè)，最小空間步長(zhǎng)約為10 m。水陸邊界處理采用“干濕”網(wǎng)格點(diǎn)法，把水深大于0.05 m處的邊界視為濕邊界，水深小于等于0.05 m處的邊界視為干邊界。根據(jù)潮位測(cè)站實(shí)測(cè)潮位值，運(yùn)用差分器差分得到潮位值。采用全球潮汐模型進(jìn)行調(diào)和分析，通過(guò)10個(gè)分潮位推算天文潮位。

圖2 模型邊界及網(wǎng)格分布

2.3 相關(guān)參數(shù)設(shè)置

2.3.1 計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)和底床糙率

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，最小時(shí)間步長(zhǎng)為0.01 s，最大時(shí)間步長(zhǎng)為30 s。謝才系數(shù)、曼寧系數(shù)、粗糙高度均可表征底床糙率。本次研究選取曼寧系數(shù)來(lái)表征底床糙率，根據(jù)2006年9—10月份舟山海域?qū)崪y(cè)潮位和流速水文數(shù)據(jù)開(kāi)展模型率定驗(yàn)證，進(jìn)行多次調(diào)試率定，取底床糙率為0.014。

2.3.2 水平渦黏系數(shù)和科氏力

采用考慮亞尺度網(wǎng)格效應(yīng)的SMAGORINSKY J[11]公式計(jì)算水平渦黏系數(shù)，其值一般在0.25到1.00之間，經(jīng)多次率定調(diào)試，取其值為0.28?？剖狭θ∷诤Ｓ蚱骄暥龋处?27.50°。

2.4 數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證

實(shí)時(shí)同步測(cè)站點(diǎn)分布如圖3所示，其中1#—3#為潮流測(cè)站點(diǎn)，螺門漁輪碼頭、沈家門小甘碼頭、朱家尖西岙碼頭和登步島雞冠碼頭為4個(gè)潮位測(cè)站點(diǎn)(測(cè)站點(diǎn)下文簡(jiǎn)稱測(cè)點(diǎn))。潮位、潮流特征測(cè)點(diǎn)和特征斷面分布如圖4所示。圖5為模型潮流驗(yàn)證結(jié)果(2006年10月1日—2006年10月9日)，圖6為各測(cè)點(diǎn)處大潮流速和流向驗(yàn)證結(jié)果(2006年9月23—24日)。

通過(guò)分析比較圖5和圖6中潮位和潮流的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值，量化評(píng)價(jià)結(jié)果根據(jù)均方根誤差、標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差、相關(guān)系數(shù)與預(yù)報(bào)能力來(lái)確定[12]。結(jié)果顯示：4個(gè)潮位測(cè)點(diǎn)和3個(gè)潮流測(cè)點(diǎn)的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本吻合，所建立的模型能較好反映舟山群島周圍海域的水動(dòng)力情況?；诖蓑?yàn)證結(jié)果，分別模擬了1997年和2017年海岸線條件下普沈水道的水動(dòng)力過(guò)程。

圖3 潮位和潮流驗(yàn)證測(cè)點(diǎn)分布

圖4 潮位和潮流特征測(cè)點(diǎn)及特征斷面分布

圖5 各測(cè)點(diǎn)處潮位的驗(yàn)證結(jié)果

圖6 各測(cè)點(diǎn)處的水流流速和流向的驗(yàn)證結(jié)果

3 結(jié)果討論

3.1 潮位變化

普沈水道及附近海域近20年的岸線變化對(duì)其潮位的影響以輻射狀向外逐漸減弱，且越靠近圍墾工程區(qū)域的水動(dòng)力變化越明顯。為了更直觀地分析岸線變化引起普沈水道高潮位變化的特征，本次共布設(shè)了39個(gè)特征測(cè)點(diǎn)，特征測(cè)點(diǎn)位置如圖4所示。普沈水道及附近海域特征測(cè)點(diǎn)處大潮潮位變化情況見(jiàn)表1。

表1 普沈水道及附近海域特征測(cè)點(diǎn)大潮潮位變化

從表1中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看：岸線變遷對(duì)普沈水道潮位變化影響相對(duì)較?。桓叱蔽缓偷统蔽徽w下降0～2 cm，岸線變遷對(duì)普沈水道高潮位的影響要大于對(duì)低潮位的影響。東港新城處的岸線向海推移距離越遠(yuǎn)距東港新區(qū)較近的蓮花洋海域潮位下降幅度越大；朱家尖島和陸家峙島之間岸線向海推移，束窄了普沈水道南部的潮流通道，導(dǎo)致此處的高潮位下降，但下降值不超過(guò)3 cm。

3.2 潮差變化

1997—2017年普沈水道附近海域潮差變化如圖7所示。

圖7 1997—2017年普沈水道附近海域的潮差變化

由圖7知：岸線變遷造成普沈水道及其附近海域潮位變化的同時(shí)也會(huì)對(duì)潮差造成一定的影響；1997—2017年舟山海域的岸線變遷導(dǎo)致普沈水道及附近海域的潮差發(fā)生輕微改變；普沈水道潮差減小海域主要分布在陸家峙島和朱家尖島之間，東港新城北側(cè)局部海域潮差減小?？偟膩?lái)說(shuō)，岸線變化對(duì)該水道不同位置處的潮差影響表現(xiàn)略不相同：陸家峙島以南的水域潮差略有增加，東側(cè)水域的潮差減?。黄丈蛩乐胁砍辈钭兓淮?，北部潮差略微減小。

3.3 潮流變化

統(tǒng)計(jì)大潮周期內(nèi)39個(gè)特征測(cè)點(diǎn)處的流速相對(duì)變化幅度，結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看：1997—2017年，普沈水道周邊海域岸線的改變?cè)斐善丈蛩兰案浇Ｓ虻穆浼背绷髁魉僖詼p小為主，流速變化大的海域主要分布在如下2個(gè)區(qū)域，即落急潮流變化最大的海域?yàn)橹凵綅u與朱家尖島之間的海域和東港新城附近海域。朱家尖島與陸家峙島之間圍墾導(dǎo)致穿過(guò)普沈水道南部的潮流通道束窄，岸線形態(tài)的變化導(dǎo)致束窄處水道的最大漲、落急流速出現(xiàn)時(shí)刻、整體流速分布發(fā)生改變，圍墾工程也導(dǎo)致普沈水道南部潮流落急和漲急流速均增大。由于篇幅有限，文中只選取所布設(shè)特征測(cè)點(diǎn)處流速變化幅度最明顯的測(cè)點(diǎn)F5和H4處的流速進(jìn)行分析。

表2 普沈水道漲急和落急最大流速變化統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖8為在F5和H4測(cè)點(diǎn)處測(cè)得的不同年份的流速、流向過(guò)程。

圖8 F5和H4測(cè)點(diǎn)處的流速和流向變化過(guò)程

由圖8可知：這兩個(gè)測(cè)點(diǎn)處的潮流在各個(gè)年份的流向基本一致，但流速峰值明顯下降。

圖9為普沈水道附近海域潮流的落急、漲急流態(tài)，圖10—11分別展示了普沈水道周邊海域岸線變遷前后潮流的落急、漲急流速變化結(jié)果。由圖9—11可知：圍墾后普沈水道沿岸處的流速減小，中部流速略微增大；陸家峙島西側(cè)潮流的落急和漲急流速均下降，南側(cè)的出現(xiàn)流速增大現(xiàn)象。整體來(lái)看，1997—2017年，普沈水道周邊海域岸線變遷對(duì)普沈水道落急流速的影響大于對(duì)漲急流速的影響。

圖9 1997年與2007年普沈水道附近海域的流場(chǎng)分布

圖10 1997—2017年普沈水道落急流速變化

圖11 1997—2017年普沈水道漲急流速變化

3.4 斷面流量變化

近20年，舟山島、朱家尖島、普陀島及其附近島嶼因圍墾工程建設(shè)，造成普沈水道及附近海域的岸線變遷。為了研究岸線變遷對(duì)普沈水道斷面潮流量的影響，分別選取南側(cè)舟山—朱家尖斷面(ZS—ZJJ)、東側(cè)普陀—朱家尖斷面(PT—ZJJ)、北側(cè)舟山—普陀斷面(ZS—PT)3個(gè)代表大斷面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究。2017—1997年間不同斷面的納潮量見(jiàn)表3。

表3 各斷面處的落潮與漲潮流量

研究表3發(fā)現(xiàn)：1997—2017年，這3個(gè)斷面處的落潮與漲潮流量整體呈下降趨勢(shì)，漲潮量減少比例約為落潮量的1.1～3.2倍；潮量減幅最大處位于南側(cè)通道，漲、落潮流量分別減少802萬(wàn)m3和294萬(wàn)m3，減幅分別達(dá)到了4.25%和3.36%；潮量變化值最大處位于北側(cè)通道，該處漲潮流量減少1 354萬(wàn)m3,減幅為2.22%，但該處落潮量變化并不算大，僅為315萬(wàn)m3；近20年來(lái)，海島岸線變化使得普沈水道北側(cè)漲、落潮潮差變化最大，達(dá)到了1 039萬(wàn)m3。

4 結(jié)論

普沈水道及附近海域變遷岸線分布范圍廣，岸線主要以“直代曲”造成長(zhǎng)度縮短，自然岸線越來(lái)越多地被人工岸線取代。由數(shù)值模型模擬結(jié)果可知，1997—2017年普沈水道及附近岸線的變遷對(duì)普沈水道及其附近海域的水動(dòng)力影響主要有以下幾個(gè)方面：

1)岸線向海推移對(duì)普沈水道及附近海域的整體潮位影響不太顯著，但東港圍墾工程附近局部海域出現(xiàn)潮位下降現(xiàn)象，且潮位的變化幅度與圍墾工程區(qū)域的距離成反比。

2)普沈水道及附近海域的岸線變遷導(dǎo)致東港新城北側(cè)、陸家峙島和朱家尖島之間海域潮差有所減小。岸線變遷對(duì)潮流落急流速的影響大于對(duì)有漲急流速的影響，落急流速以減小為主，漲急流速有增大有減小。

3)普沈水道周邊海域岸線的變遷一定程度上減少了斷面的納潮量，導(dǎo)致斷面漲、落潮流量整體呈下降趨勢(shì)。潮量減幅最大處位于水道南側(cè)，潮量變化最大處位于北側(cè)通道。