基于ECOMSED模式的兴化湾三维潮流泥沙数值模拟研究＊

韩树宗，贾 宁

（中国海洋大学海洋环境学院，山东青岛266100）

基于ECOMSED模式的兴化湾三维潮流泥沙数值模拟研究＊

韩树宗，贾 宁

（中国海洋大学海洋环境学院，山东青岛266100）

通过三维ECOMSED模式，对兴化湾内的泥沙变化规律进行了分析论证。模拟结果与实测值的对比分析表明，模拟结果较好，可以较准确地描述兴化湾的潮流泥沙特征。分析发现，兴化湾大部分海域的含沙量很低，兴化湾内普遍呈现冲淤稳定的状态，海区的冲淤变化量维持在1个较小的水平，淤积主要集中在近岸浅滩区域，近岸年淤积变化量普遍呈增大趋势。

兴化湾；泥沙；ECOMSED

兴化湾位于福建省中部沿海的莆田市和福清市境内，地理范围为119°06′28.26″E～119°30′56.82″E，25°15′49.56″N～25°36′01.03″N。北有福清湾，南邻湄洲湾，是福建省最大的海湾。海湾东西长28 km，南北宽23 km，总面积约622 km2，其深入内陆，岬湾相间，岛礁棋布。海湾略呈长方形，主槽由西北朝向东南湾口，经兴化水道和南日水道与台湾海峡相通。

对于兴化湾的研究主要集中于国内学者。李孟国等［1－2］基于不规则三角形网格有限差分法的二维潮流数学模型，模拟了兴化湾潮流场；使用潮流数学模型、波浪数学模型等多种手段对兴化湾的水文泥沙特征进行了分析研究。柯文荣等［3－5］调查研究了兴化湾的潮汐、泥沙、水下地形特征，通过不规则三角形网格的二维潮流数学模型模拟了兴化湾的潮流情况，并着重分析了鸡蛋岛和野马屿附近的挑流现象。高劲松、周良明［6］通过三维ECOMSED模式，采用更为精细的网格对兴化湾的潮流特征进行模拟。

对于兴化湾的泥沙数值模拟研究应用较多的是平面二维模型。实际上泥沙运动是1种复杂的三维运动，泥沙的启动、推移和悬浮、沉降与潮流等水动力因素密切相关。兴化湾潮差大，潮流动力强，泥沙来源主要为局部浅滩泥沙的再搬运，泥沙在波浪作用下难于启动运移，且南日群岛对外海的波浪有一定的阻挡作用［2］，波浪作用不显著。本文采用三维ECOMSED水动力模型，以经过验证的水动力场作为背景场，联合泥沙模块，模拟兴化湾海域的泥沙分布特征。

1 ECOMSED介绍

ECOMSED全称为Estuarine，Coastal and Ocean Modeling System with Sediments，是由Blumhberg，Mellor，Casulli and Cheng发展起来的1个较为成熟的浅海三维水动力学模式，包含了6个模块：水动力模块、黏性和非黏性泥沙输运模块、沉积物示踪模块、可溶性粒子输运模块、热通量模块、风浪模块。该模式采用了基于静力学假设和Boussinesq近似下的海洋封闭方程组，在水平方向上采用曲线正交网格，即Arakawa C网格。在垂直方向上采用σ坐标，从而在模拟海底地形的准确性上较正交坐标系更好。同时该模式在垂直方向上嵌套了2.5阶湍流闭合模型，可以提供垂向粘滞系数和扩散系数。模式的计算通过内外模的分离，提高了计算速度，在计算时其水平项和时间变化上采用显式差分。垂直项采用隐式差分。本次模拟即是集合了水动力模块和沉积物输运模块来模拟兴化湾的泥沙输运。

ECOMSED计算泥沙输运的模块与水动力模块同时运行。模型中包含的沉积物动力学过程包括沉积物的再悬浮、黏性和非黏性沉积物的输运和沉积。其所指的黏性沉积物是指粒径小于75μm的细沙和颗粒物残渣，而非黏性沉积物则指粒径在75～500μm的较粗颗粒。粒径大于500μm的粗砂和砂砾一般表现为推移质输运，这在模型中并没有考虑。由于形成黏性沉积物底的沉积物有随时间固结的现象，因而模型中还加入了1个垂向分层的底质模型来体现固结效应。公式1～6是本文要用到的控制方程。

沉积物性质为k（k＝1，2）的沉积物输运三维对流－扩散方程为：Ck为沉积物性质为k（1表示黏性沉积物，2表示非黏性沉积物）的悬浮沉积物浓度。

边界条件：

式中：C为泥沙浓度，E、D分别为再悬浮和沉积通量。η为自由海表面，H为水深。

根据Gailni et al.［7］，从黏性沉积底再悬浮的细沙量为：

这里ε为再悬浮潜力（mg·cm－2），a0为取决于底质特性的常数；Td为沉积后的时间（d）；τb为底剪切应力（dyne·cm－2）；τc为侵蚀临界应力（dynes·cm－2）；m，n为取决于沉积环境的常数。

再悬浮率为：

在SED模型中，黏性沉积物的沉积率直接取决于到达底部的沉积物通量和絮状体粘附于底部的概率，根据Krone公式：

这里D1为沉积通量（g·cm－2s－1）；Ws，l为黏性絮状体的沉降速率（cm·s－1）；C1为沉积物－水界面附近的黏性悬浮沉积物浓度（g·cm－3）；P1为沉降概率。

实验结果表明黏性絮状体的沉降速率取决于絮状体形成的浓度和水体切应力的乘积，即：

这里Ws，l，C1和G的单位分别为m·d－1，mg·L－1和dynes·cm－2。以上方程已经内在体现了内部切应力（G）对聚合和沉降的作用。

水体切应力（G）由水动力输出（如流速和垂向湍黏性）计算。

2 研究海域的潮流泥沙模拟

2.1 模式设置及站位分布

为了能够准确地模拟兴化湾海域的潮流状况、泥沙浓度场的分布状况及冲淤变化情况，选取由25.08°N～25.555°N，119.1°E～119.8°E所围成的矩形区域作为计算区域，水平为352×265的矩形网格，计算空间网格步长取为Δx＝200 m，Δy＝200 m，垂向采用σ坐标，分为5层（0，0.2H，0.6H，0.8H，1.0H）。计算中选取时间步长Δt＝4s，满足CFL条件，并能满足计算稳定性和精度要求。

福建省港航管理局勘测中心在研究海域内布设了6个潮位站连续进行1个月的潮位观测，观测时间从2009年2月10日～3月9日，潮位站分别布设在江阴岛壁头、牛头尾、莲峰、石城作业区、石城和南日岛。同时，在2009年2月11日11：00～2月12日14：00（大潮）和2009年2月15日8：00～2月16日11：00（中潮）期间进行了28 h同步水文测量，潮流每施测1次／h。含沙量分析取水样时间与潮流观测同步，在每次涨（落）急前后3 h内，测量1次／h，测量层数与海流观测层数一致。在其他时段，每测量1次／2h。

为了配合模型结果与观测资料进行验证，模型计算的时间为2009年2月5日0时～3月12日0时，共35 d。每小时输出一组数据。前5天用于数值模式的稳定时间，输出后面30 d的数据进行计算、验证与分析。

兴化湾海域无大河流直接注入，仅在湾顶附近有木兰溪和荻芦溪2条小溪汇入，据1959—1979年2溪流入湾里的泥沙统计，年平均入海泥沙75.5万t。周边沿岸洪季冲蚀入海泥沙和潮流波浪侵蚀入海泥沙的沙源有限，对湾内影响极其微弱。兴化湾海域通过兴化水道和南日水道进出兴化湾的水体含沙量均比水道和湾内小，而2条水道进出水体的含沙量基本相当，外海来沙对湾内的泥沙淤积不会产生影响。

图1是区域的计算网格图，图2为潮位和潮流观测点位置位图，本文中限于篇幅仅选取大潮期2号站和4号站的实测和模拟流速、流向、悬沙浓度进行验证。表1和2为潮位、潮流以及泥沙站点布设位置。

表1 潮位站布设位置Table 1 Station locations for tidalt investigation

表2 潮流站布设位置Table 2 Station locations for current and sediment investigation

2.2 实测和模拟结果验证

图3为实测和模拟潮位验证，从图中可以看出，二者变化趋势基本一致，模拟结果较好。图4为2号站、4号站的实测与模拟的流速、流向比较，大潮期间潮段平均的流速偏差涨潮潮段最大为10%，落潮潮段最大为10%，大潮期间潮段平均的流向偏差涨潮潮段最大为11%，落潮潮段最大为22%。图5为2号站、4号站的实测与模拟的悬沙浓度比较，两者符合较好，潮段平均含沙量偏差较小，集中在±20%以内。综合分析结果表明ECOMSED潮流数学模型较好地模拟了实际流场和泥沙浓度场。

图3 潮位验证Fig.3 Verification for tidal level

从图中可以看出以下主要特征：

（1）兴化湾海域的潮汐为正规半日潮。

（2）兴化湾海域的潮流为正规半日潮流，涨潮流方向为SE－NW向，而落潮流方向为NW－SE向。

（3）受潮流影响，在1个全日潮周期内悬沙浓度有4个峰值对应2次／d的最大涨潮流（涨急）和最大落潮流（落急）时刻，从表至底悬沙浓度逐渐增大。

2.3 悬沙浓度分布特征

表层、中层、底层泥沙浓度场量值有所不同，从表至底浓度逐渐增大，但是其空间分布趋势基本一致，因此仅就深度平均的泥沙浓度场进行分析。给出大潮期间涨急落急时刻模式计算悬沙浓度平面分布结果，如图6所示。

在潮流作用下，含沙量的分布与流场大小和地形分布密切相关，含沙量等值线基本与岸线平行，高值区出现在海岸附近海域，河流入海携带了大量的泥沙，在河口处悬沙浓度可达120 mg／L，2 m等深线以浅海域大潮期间基本为50～80 mg／L的悬移质浓度占据，三江口下泄的泥沙及浅滩海域滩面掀沙对附近一定范围内水域有所影响。兴化湾大部分海域的含沙量很低，均在50 mg／L以下，总体呈湾内和水道大于外海的趋势。

图6 大潮期兴化湾海域天然含沙量场／mg·L－1Fig.6 Sediment concentration field in Xinhua Bay in the spring tide

2.4 冲淤分布特征

为了解兴化湾海底地形变化，通过1963年1∶50 000海图、1994年1∶10 000水深图、2008年1∶10 000水深图及2009年1∶10 000水深图进行对比（见图7），兴化湾内深槽的西部（江阴壁头南侧）处于稳中有冲状态，深槽的中部（江阴壁头以东）有冲有淤，以冲为主，江阴壁头南侧近岸浅滩，局部略有冲刷，兴化水道基本处于冲淤平衡状态，南日水道水深基本稳定。

图7 兴化湾湾内水深变化对比图Fig.7 Water depth changes in Xinhua Bay／cm

图8给出了兴化湾年冲淤变化量的分布。由图中可看出整个兴化湾基本处于冲淤稳定的状态，淤积主要集中在近岸浅滩海域。其中兴化湾西部浅滩、三江口附近及北部浅滩区处于冲淤基本平衡、略有淤积的状态，年淤积厚度达1～6 cm，南日水道口门外近南日岛海域年淤积厚度2～4 cm。兴化湾内水域泥沙来源较少，同时该海域潮差大，潮流动力强，涨、落潮流路稳定，并呈往复流动，致使细颗粒泥沙不易在深水区内淤积，湾内水域处于略有冲刷的基本平衡状态，年均冲刷厚度为0～1 cm。

图8 兴化湾海域年冲淤变化量Fig.8 Annual deposition and erosion changes in Xinhua Bay／cm

3 结论

本文通过三维ECOMSED模式模拟的潮流泥沙与实测数据拟合较好，能够较准确地分析兴化湾的泥沙特征。

（1）兴化湾海域的潮汐为正规半日潮，潮流为正规半日潮流，呈往复流运动。

（2）在潮流作用下，兴化湾含沙量的分布与流场大小和地形分布密切相关，含沙量等值线基本与岸线平行，高值区出现在海岸附近海域。兴化湾大部分海域的含沙量很低，总体呈湾内和水道大于外海的趋势。

（3）兴化湾西部及北部浅滩区处于冲淤基本平衡、略有淤积的状态。深槽处于较强往复潮流作用，大部分

水域基本处于略有冲刷的基本平衡状态。江阴壁头附近深槽、南日水道和兴化水道多年来一直处于冲淤平衡或略有冲刷的状态。这种状态的产生主要是由于该海域泥沙来源较少，短小河流泄洪排出的泥沙仅在边滩沉积，同时该海域潮差大，潮流动力强，涨、落潮流路稳定，并呈往复流动，致使细颗粒泥沙不易在深水区内淤积等原因造成的。

［1］ 李孟国，时钟，范文静.潮流数学模型在兴化湾深水航道研究中的应用［J］.水运工程，2004，366（7）：59－62.

［2］ 李孟国.兴化湾水文泥沙特征分析［J］.水道港口，2001，22（4）：156－159.

［3］ 柯文荣.兴化湾建设大型深水航道的可行性研究［J］.台湾海峡，2002，21（3）：360－366.

［4］ 柯文荣，张子闽，傅勇明.兴化湾建设大型深水航道的可行性［J］.福建水产，2002，3（3）：20－23.

［5］ 柯文荣，张子闽.兴化湾20－30万吨深水航道的研究［J］.水运工程，2002，8（1）：44－46.

［6］ 高劲松、周良明.兴化湾的潮流研究［J］.海岸工程，2009，28（4）：1－10.

［7］ Gailani J，Ziegler C K，Lick W.The transport of sediments in the Fox River［J］.Great Lakes Res，1991，17：479－494.

ECOMSED－Based Three－Dimensional Numerical Model for Sediment Transport in Xinghua Bay

HAN Shu－Zong，JIA Ning
（College of Physical and Environmental Oceanography，Ocean University of China，Qingdao 266100，China）

In this paper，the 3－dimensional ECOMSED model is used to simulate the sediment transport in Xinghua Bay，and the model results are compared with the observations.It is learnt that the model gives better results，and the current features and sediment transport can be precisely analyzed.As the analysis shows，the sediment concentration in most of Xinghua Bay area is very low，and shows stable deposition and erosion.The change value of deposition and erosion is very low.Depositions are mainly in shallow coastal areas.Annual deposition changes in the coastal are generally tended to increase.

Xinghua Bay；sediment；ECOMSED

X144

A

1672－5174（2012）04－001－06

2011－04－17；

2011－05－11

韩树宗（1970－），男，博士，副教授。E－mail：hansz＠ouc.edu.cn

责任编辑 庞 旻