大海域潮流場數值模擬分析

摘 要：本文以防城港市山心沙島生態島礁建設項目為研究對象，采用數值模擬的手段，建立大海域潮流場平面二維數值模型，對項目建設前后的潮流場狀況進行數值模擬。結果表明，現狀潮流流速通常＜50cm/s，工程東南側海域流速略大；漲急時刻流速通常＜60cm/s；高潮、低潮時刻工程潮流流速均＜10cm/s；工程建成后，西南和北東側漲急時刻流速主要呈現變小的趨勢，最大降幅約17.5cm/s，南、東南和西北側漲急時刻流速呈現增大的趨勢，流速最大降幅約為18.5cm/s；漲急時刻流速變化＞5.0cm/s的區域主要集中在工程區周邊0.8km內。

關鍵詞：大海域；潮流場；數值模擬；水動力；防城港

中圖分類號：U 652" " " " 文獻標志碼：A

1 工程概況

山心沙島位于防城港市企沙鎮東南海域，東臨欽州灣，南瀕北部灣。北緯21°35′18.2″，東經108°30′51.2″，岸線長1.9km，離岸距離為340m。西北側陸域為山新村，是一個以海洋捕撈和海水養殖為主的漁村，距欽州港西航道4n mile、企沙鎮政府1km、港口區政府25km。

工程海域地處北回歸線以南低緯度地區，氣候屬于我國亞熱帶海洋性季風氣候，冬季溫和，夏季多雨，季風明顯，受災害性天氣影響較明顯。防城港灣年平均風速為3.1m/s，月平均最大風速出現在12月份，為3.9m/s，其次是1月和2月，為3.7m/s；最小平均風速出現在8月份，為2.3m/s。防城港的潮汐為正規全日潮，其潮位特征值如下（1985國家高程基準）：最高潮位為3.60m（2008.11.1607：09），最低潮位為-2.03m（2002.12.818：53），平均潮位為0.62m，平均高潮為1.92m，平均低潮為-0.52m，最大潮差為5.29m，平均潮差為2.44m。

2 潮汐潮流數學模型控制方程

為更好地模擬大海魚潮流場的變化，研究計算采用前后處理功能強大的平面二維數值模擬程序MIKE21FM，該程序采用標準Galerkin有限元法進行水平空間離散，具有非結構三角網格剖分功能，在網格剖分上可以進行人工參數輸入參數達到任意控制網格的目的，可以用于劃分海洋與陸地的復雜邊界，在時間上采用顯式迎風差分格式離散動量方程與輸運方程，提供穩健的計算結果，其具有高強度的計算算力，已在全球70多個國家得到成功計算算例[1-2]。平面二維數值模擬程序MIKE21FM模擬潮汐潮流采用的質量守恒控制方程如公式（1）所示，動量方程如公式（2）、公式（3）所示[3]。

（1）

（2）

（3）

式中：ζ為水位；h為靜水深；H為總水深，H=h+ζ；u、v分別為x、y方向垂向平均流速；g為重力加速度；f為科氏力參數（f=2ωsinφ，φ為計算海域所處地理緯度）；CZ為謝才系數，n為曼寧系數；εx、εy為x、y方向水平渦動黏滯系數。

求解以上控制方程，須滿足初始條件如公式（4）、公式（5）所示[4-6]。

ζ（x，y，t0）=0 （4）

u（x，y，t0）=v（x，y，t0）=0 （5）

3 潮汐潮流數值模擬

項目海域數學模型計算域范為圖中開邊界和岸線圍成的海域，計算域坐標范圍為19°06′07.27″N～20°40′15.65″N，東經106°48′38.90″E～109°55′14.26″E。采用無結構三角網格對海岸與陸地邊界進行模擬。模擬區域內由25218個節點和39851個三角單元組成，最小空間步長約為20m。數值模擬計算域和項目附近海域網格分布如圖1所示。

模型水域開邊界引用衛星高度計資料、OTIS資料、越南由島、海南八所港、后水灣和廣東角尾4點歷史潮位觀測資料，閉邊界為大海域和周邊岸線。根據CFL條件對模型計算時間步長進行動態調整，采用考慮亞尺度網格效應的Smagorinsky（1963）公式計算水平渦動黏滯系數，如公式（6）所示[7]。

（6）

式中：cs為常數；l為特征混合長度；Sij為亞尺度網格。

4 數值模擬計算結果分析

4.1 大海域潮流場模擬結果分析

大海域計算潮流場為工程海域現狀的流場，計算結果如圖2、圖3所示。圖2是落急時刻潮流場，計算域內的潮流由欽州灣內流向灣外，整體由北往南流，大部分海域流速為20cm/s～80cm/s，在欽州灣兩側碼頭、防波堤等構筑物附近海域潮流流速較大，近岸海域流速較小；工程附近近岸海域流速較小，流速通常在25cm/s～45cm/s，流向主要由東北向西南方向流。圖3是漲急時刻潮流場，計算域內的潮流由欽州灣外流向灣內，整體由南往北流，大部分海域流速在25cm/s～85cm/s，在欽州灣兩側碼頭和防波堤等構筑物附近海域潮流流速較大，近岸海域流速較小；工程附近近岸海域流速較小，流速通常在30cm/s～50cm/s，流向主要由西南向東北方向流。高潮、低潮時刻欽州灣潮流流速整體較小，工程附近海域流速＜10cm/s。

4.2 工程周邊海域預測潮流場計算結果分析

根據工程方案布置，預測工程建成后的潮流場，圖4～圖7分別為工程建成后落急、漲急時刻和高、低潮時刻計算潮流場。工程建成后與對應時刻的現狀潮流場相比，工程附近大范圍內海域的流速和流向整體變化不大，落急時刻潮流由東北往西南流，漲急時刻潮流由西南往東北流，工程鄰近海域潮流場發生了一定的變化。從數值模擬結果的漲急落急潮流場流態可以看出，位于山心沙島東北的欽州灣灣口核電站修建了取排水涵道，山心沙島潮流場受到很大影響，欽州灣與山心沙島海域的水交換能力減弱，因此會使山心沙島周邊海域海沙的來源減少，在短期內泥沙平衡被打破，在大的環境和趨勢上，山心沙島有泥沙流失和遭受沖刷的風險。

為反映工程對周圍潮流場的影響情況，繪制了工程前后周邊海域漲急時刻流速變化圖，并對不同距離處漲急時刻流速和對應流向進行了對比，結果見表1。從表1可以看出，工程建成后，工程區西南和北東側漲急時刻流速主要呈現變小的趨勢，流速最大降幅約為17.5cm/s，位于工程北東側海域；工程區南側、東南側和西北側漲急時刻流速呈現增加的趨勢，流速最大增幅約為18.5cm/s，位于工程西北側海域。整體來看，漲急時刻流速變化主要集中在工程鄰近海域，其中工程北東和西南兩側流速變緩，南、東南和西北側流速加快，漲急時刻流速變化＞5.0cm/s的區域主要集中在工程區周圍0.8km內。

5 結論

利用平面二維數值模型對防城港市山心沙島生態島礁建設項目建設前后的潮流場狀況進行數值模擬，得出以下結論：1）工程附近現狀潮流，落急時刻潮流由東北往西南流，流速通常＜50cm/s，離岸海域潮流流速較大，近岸海域流速較小，工程東南側海域流速略大；工程所在區域內潮流流速為20cm/s～45cm/s。漲急時刻，工程附近潮流由西南往東北流，流速略大于落潮流速，通常＜60cm/s。高潮和低潮時刻工程附近海域潮流流速整體較小，工程鄰近海域潮流流速均＜10cm/s。2）工程建成后，工程區西南和北東側漲急時刻流速主要呈現變小的趨勢，流速最大降幅約為17.5cm/s，位于工程北東側海域；工程區南、東南和西北側漲急時刻流速呈現增大的趨勢，流速最大增幅約18.5cm/s，位于工程西北側海域。漲急時刻流速變化＞5.0cm/s的區域主要集中在工程區周邊0.8km內。3）從數值模擬結果的漲急落急潮流場流態可以看出，由于山心沙島修建取排水涵道不透水構筑物，因此山心沙島潮流場受到很大影響，欽州灣與山心沙島海域的水交換能力減弱，導致山心沙島周邊海域海沙的來源減少，在短期內泥沙平衡被打破，在大環境和趨勢上，山心沙島有泥沙流失和遭受沖刷的風險。

參考文獻

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