大嶼島海域潮流數值模擬＊

張友權

大嶼島海域潮流數值模擬＊

張友權

（福建省海洋預報臺，福建 福州 350500）

基于平面不可壓縮雷諾（Reynolds）平均納維埃-斯托克斯（Navier-Stokes）淺水方程，建立大嶼島海域的二維潮流數學模型。結果表明，數值模型計算結果與實測值吻合良好，可以用來模擬大嶼島附近海域潮流的運動情況。該海域每日有兩次漲、落潮流過程，兩次的最大潮流速度強度基本相同，最大漲潮流速可達1.2 m/s左右，工程區域的潮流為往復流。

數值模擬；大嶼島；二維潮流；淺水方程

大嶼隸屬于平潭綜合實驗區（以下簡稱平潭），位于海壇海峽中段東側、黃門澳西側、平潭海峽大橋南側，是福建省最具有生態保護與開發價值的無居民海島之一。平潭大嶼生態島礁建設項目是福建省海洋與漁業廳持續落實福建省和國家海洋局各項政策的一個重大舉措，是推進海島生態文明建設的一項重要工作。為了滿足工程建設用海的要求，有必要對大嶼島海域開展潮流數值模擬研究。

用數值離散方法模擬潮流運動始于20世紀60年代，并被廣泛地應用于海灣、海峽的潮汐和潮流的計算研究[1-4]。陳倩等[5]用三維陸架海模式（HAMSOM）對浙江近海的潮汐、潮流進行了數值模擬。林翩然等[6]用二維淺水波方程組描述潮波運動，并利用歐拉-拉格朗日差分方法得到數值解，模擬了廈門附近海域潮流場。熊偉等[7]利用FVCOM模型對寧波舟山近海的潮汐潮流進行了三維數值模擬，并對其水動力特性作了相應分析。李孟國[8]采用數值的方法模擬了興化灣潮流場對興化灣、南日水道和興化水道的流場特征進行了分析。本文同樣采用數值模擬方法，建立大嶼島海域潮流數學模型，首先通過實測資料對模型進行驗證，然后對工程區域的流場進行分析，為大嶼島工程建設提供技術參考。

1 潮流流場數值模擬

1.1 基本控制方程

模型基于二維平面不可壓縮雷諾（Reynolds）平均納維埃-斯托克斯（Navier-Stokes）淺水方程建立，對水平動量方程和連續方程在=+范圍內進行積分后可得到下列二維深度平均淺水方程：

ij為水質點側向應力，包括粘滯摩擦力、紊流摩擦力、對流力等，在該模型中采用一個渦旋粘滯系數，根據垂直平均流速梯度場對上述幾種力進行總和估計，可按式（6）（7）（8）計算：

式（6）中：為水平渦動粘滯力系數，可按下列各式計算：

在該模型中通過輸入s來確定值，i，j由系統自動計算捕獲。sx，sy為海面風摩阻，方向分量，bx，by為海底摩阻，方向分量，可按下列各式確定：

在該模型中通過輸入曼寧數值來實現對海底摩阻的模擬。需要注意的是因使用習慣，在MIKE系統中的曼寧數與有些文獻資料中的曼寧數呈倒數關系。

1.2 數值計算方法

1.2.1 空間離散

模型在岸界和工程結構物附近采用非等距三角形網格進行單元劃分，并對計算區域的空間離散采用有限體積法。

1.2.2 淺水方程

本數值研究中采用了低階積分格式對淺水方程進行積分，且在求解淺水方程時，采用了近似Reimann算子對相鄰單元之間的對流通量進行計算，同時還采用了ROE方法對左右進出單元的單獨變量進行估算。

1.3 初、邊值條件

初始條件可以采用“冷啟動”和“熱啟動”兩種方法處理，本文采用“冷啟動”。在本研究采用的數值模式中，需給定兩種邊界條件，即閉邊界條件和開邊界條件。開邊界條件即水域邊界條件。在此邊界上，可給定流速或者潮位，本研究開邊界給定潮位，即=（，，）。所謂閉邊界條件，即水陸交界條件。在該邊界上，水質點的法向流速為0，即n=0。對于潮灘，水陸交界的位置隨著潮位的漲落而變化，因此，模型中考慮了動邊界內網格節點的干濕變化。

初始條件如式（13）所示：

（，，0）=0（，）

（，，0）=0（，） （13）

（，，0）=0（，）

式（13）中：0，0分別為初始流速和潮位，本研究中給定計算初始時刻的潮位和流速取0。

1.4 模型計算范圍及網格劃分

模型的計算范圍及網格剖分如圖1所示，模型計算范圍包含整個平潭海域。模型開邊界從萬安村南側連至塘嶼島，然后向東連接外海點1，再向北連接外海點2，最后向西連接至康宏碼頭。網格劃分采用非均勻三角形網格劃分，在工程區于采用局部加密的方法。區域劃分單元數為22 467個，節點數為11 885個。

圖1 模型計算范圍及網格劃分（單位：m）

2 潮流場驗證

2.1 驗潮資料的選取

為了驗證建立的數值模型是否能夠準確模擬大嶼島工程區域流場特征，利用實測資料與模擬結果進行了對比驗證。實測資料來自《平潭大嶼生態示范島海洋工程水文測驗技術報告》，測站位置如圖2所示，共3個潮流站，測站坐標如表1所示。潮位觀測時間為2016-09-05—2016-09-21，海流觀測大潮期為2016-09-18T05：00—09-19T05：00（農歷八月十八至農歷八月十九）。

圖2 實測海流觀測站示意圖

表1 測站分布坐標

點位CGCS2000大地坐標系 X/mY/mBL S12 815 950466 60325°27′00〞119°40′04〞 S22 815 721466 70525°26′52〞119°40′08〞 S32 815 691465 81425°26′51〞119°39′36〞

2.2 潮位、流速及流向驗證

2016-09-09—2016-09-10大潮期的S1～S3測流站流速和流向的計算和實測值的對比如圖3所示。其中流向為與正北的夾角，實測中海流的觀測進行的是垂向分層連續25 h的周日海流觀測，圖3為根據分層流速計算得到的垂向平均流速。

從驗證的結果來看，大潮期間的模擬結果與實測結果整體吻合較好，模擬的潮流過程能夠客觀反映工程區域附近海域的潮流運動情況。從圖3中可以看出，該海域每日有2次漲、落潮流過程，2次的最大潮流速度強度基本相同，最大漲潮流速可達1.2 m/s左右；從流向變化過程可以看出，該工程區域屬于往復流。

圖3 各觀測站大潮流速、流向對比

3 模擬計算結果分析

大潮期漲急、落急時刻整個平潭海域流場如圖4所示。從數值模擬結果來看，漲潮流從東北向進入研究海域，受平潭島的阻擋分為兩支水流，一支從平潭島西側由北向南傳入海壇海峽，另一至從平潭島東側向西南方向流動。落潮流則沿漲潮流的反方向流動。

圖4 大潮期漲急、落急時刻整個平潭海域流場（單位：m）

現狀地形下大潮期漲急時刻和落急時刻工程區域局部流場如圖5所示。從圖5中可以看出，工程區域漲落潮主流向大致與大嶼島岸線平行，為SSE-NNW向，受大嶼島的影響，水流在島的周邊有明顯的繞流現象。

圖5 現狀地形下大潮期漲急時刻和落急時刻工程區域局部流場（單位：m）

4 結論

采用二維淺水模型模擬了大嶼島海域內潮流運動，模型可以較準確地模擬該海域的潮流系統。該海域每日有2次漲、落潮流過程，2次的最大潮流速度強度基本相同，最大漲潮流速可達1.2 m/s左右；工程區域漲落潮主流向為SSE-NNW向，受大嶼島的影響，水流在島的周邊有明顯的繞流現象。

［1］傅國偉.河流水質數學模型及其模擬計算［M］.北京：中國環境出版社，1987.

［2］趙隸華，戚晨，庚維德，等.平面二維水流-水質有限體積法及黎曼近似解模型［J］.水環境科學進展，1997，11（4）：368-374.

［3］林建國.時間二次插值求解淺水方程的顯式模型［J］.水動力研究與進展，1989，4（2）：95-102.

［4］李身鐸，胡輝.杭州灣流場的研究［J］.海洋與湖沼，1987，18（1）：28-38.

［5］陳倩，黃大吉，章本照.浙江近海潮汐潮流的數值模擬［J］.海洋學報（中文版），2003，25（5）：9-20.

［6］林翩然，溫生輝，湯軍健.廈門海域二維潮流數值計算［J］.臺灣海峽，2008，27（4）：526-532.

［7］熊偉，劉必勁，孫昭晨，等.寧波舟山近海三維潮汐潮流數值模擬［J］.水道港口，2011，32（6）：399-407.

［8］李孟國.興化灣水文泥沙特征分析［J］.水道港口，2001，22（4）：156-159.

U652.3

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.18.003

2095－6835（2019）18－0006－04

福建省平潭綜合實驗區藍色海灣整治行動項目

張友權（1976—），男，高級工程師，主要從事海洋觀測方面的研究。

〔編輯：張思楠〕