刘公岛海域潮流泥沙数值模拟研究❋

武雅洁， 高晓红， 梁丙臣， 张 敬(. 中国海洋大学工程学院，山东 青岛 26600； 2. 中国海洋大学山东省海洋工程重点实验室，山东 青岛 26600；. 中国石油大学(华东)石油工程学院，山东 青岛 266580)



刘公岛海域潮流泥沙数值模拟研究❋

武雅洁1,2， 高晓红1， 梁丙臣1,2， 张 敬3
(1. 中国海洋大学工程学院，山东 青岛 266100； 2. 中国海洋大学山东省海洋工程重点实验室，山东 青岛 266100；3. 中国石油大学(华东)石油工程学院，山东 青岛 266580)

本文以刘公岛旅游码头扩建工程为例，探索平面二维数值模式MIKE21FM在海洋工程环境影响评价工作中的应用。在MIKE21FM的基础上，建立了刘公岛周围海域潮流场数值模型和泥沙输移数值模型，分析和预测刘公岛旅游码头工程建设前后周边海域的水动力条件和泥沙冲淤状况。数值模拟的潮位、潮流流速和流向与实测资料吻合较好，表明MIKE21FM能精确有效地模拟刘公岛及其周围海域潮流运动过程和特征。对工程建设前后数值模拟结果比较分析，表明工程建成后对周边海域的水动力特征和地形地貌环境影响甚微，为该工程的设计和规划提供技术依据。模拟结果表明，MIKE21FM模式能够模拟实际工程中的复杂流动，可以在海洋工程环境影响评价中推广应用。

海洋工程；水动力模型；数值模拟；MIKE21FM；环境影响评价

利用数值模拟技术定量分析海洋工程对其周围海域水动力和地形地貌的影响程度和范围，以其有效性、灵活性和相对廉价性，受到越来越多的重视和广泛的应用。近年来，水动力数值模拟普遍使用的方法有日本学者提出的ADI方法、汉堡大学研发的HAMSOM模型、POM模式、ECOM-si模型等，这些非商业模型有较强的开发潜力，在海洋环境评价领域用得较多。但是，他们的源程序和操作手册都十分复杂、人机交互功能较弱，不便于普及推广[1]。而丹麦水力研究所开发的MIKE系列软件包括水动力、水质、泥沙、对流扩散和离子追踪等模块，在平面二维自由表面流数值模拟方面具有强大的功能，而且操作简单[2]。

MIKE21FM是一个基于不规则网格的模型，以三角形网格为基础，网格设计灵活且可随意控制网格疏密。因此，可以在任意浅水区及海洋工程所在的重点区域局部加密网格，因此它在模拟岸线弯曲的情况中具有相当的优势。MIKE21FM模型考虑了风应力、斜压作用以及陆地边界径流的影响，具有算法可靠、计算稳定、前后处理功能强大等诸多优点，已在全球70多个国家得到广泛应用。近年来该软件在国内已被成功应用于潮流场数值模拟[3-4]、洪水淹没分析[5-6]、温排水影响分析[7-8]、水质模拟与预测[9-10]等方面。

刘公岛位于为威海湾口，将威海湾口分为南北两口。刘公岛旅游码头扩建工程泊位拟在现有刘公岛旅游码头东侧延长80m而形成。国内学者对威海湾附近海域的潮流特性和泥沙淤积作了一些研究。张伟[11]采用ECOMSED数值模型对威海湾南部杨家湾内的岸滩整治工程建设后的水动力环境及冲淤环境进行了数值模拟研究；蔡学石和王永学[12]建立了威海中心渔港的波流场、泥沙场数值计算模型，通过数值模拟研究探讨了威海中心渔港修建前、后的波流场及海底冲淤情况的变化特征。但是由于刘公岛特殊的地理位置，他们的模拟研究海域一般以刘公岛为边界，未涉及刘公岛及其周围海域的研究。而且更重要的是泥沙输移仅考虑了波流共同作用，而没有考虑风的作用。因此，本文以刘公岛旅游码头扩建工程为例，在MIKE21FM基础上建立潮流场和风浪流作用下的沙输输移数值模型，预测和分析扩建工程的建设对周边海域的水动力环境及地形地貌环境产生的影响，探索平面二维数值模式MIKE21FM在海洋工程环境影响评价工作中的应用。

1 模型简介

(1)模型控制方程[2]

质量守恒方程为

(1)

动量方程为

(2)

(3)

泥沙控制方程为

(4)

(2)定解条件

(5)

边界条件：在潮滩区采用动边界处理；水边界采用预报潮位控制。固定边界取法向流速为零，即：

(6)

2 水动力模拟预测和分析

2.1 计算域和网格设置

(1)计算域设置。本文所建立的海域数学模型计算域范围见图1，即为图中A、B、C 3点以及岸线围成的海域。模拟采用非结构三角形网格，用动边界的方法对干、湿网格进行处理。为了清楚地反映工程实施对其附近海域水动力环境的影响，模拟中将工程区附近海域的计算网格进行局部加密，即D、E、F 3点与岸线围成的海域，见图2。为了更好的与现有岸线相吻合，对局部岸线进行了修正加密，整个模拟区域网格最小空间步长为24m。

(2)水深和岸界。

水深 选取中国人民解放军海军航海保证部制作的11 981(1∶4 000)、12 100(1∶250 000)海图以及工程附近海域水深地形测量资料。

岸界 采用以上海图中岸界、908山东省海岸线勘测资料以及工程附近海岸线勘测资料。

(3)模型水边界输。

开边界 本次模拟的开边界水位由黄渤海潮流模型提供，其开边界潮位由下式输入计算

(7)

其中：A0为平均海平面；fi、σi是第i个分潮(分别取M2、S2、O1和K1四个分潮)的交点因子和角速度；Hi和gi是调和常数，分别为分潮的振幅和迟角；(v0+u)i是分潮的幅角。

闭边界 以大海域和工程周边岸线作为闭边界。

(4)计算时间步长。模型计算时间步长根据CFL条件进行动态调整，确保模型计算稳定进行，最小时间步长0.8s。

(5)底床糙率和水平涡动黏滞系数。底床糙率通过曼宁系数进行控制，曼宁系数n取45～58m1/3/s。水平涡动黏滞系数采用考虑亚尺度网格效应的Smagorinsky(1963)公式计算水平涡黏系数。

2.2 海底沉积物采样分析

为了解刘公岛附近海域底质组分和泥沙粒径情况，在刘公岛附近海域进行了11个站位的海底沉积物采样，站位布设见图3，沉积物粒度的实验室分析结果见表1。实验室分析结果表明：(1)1～11号测站的泥沙粒径组分主要是粉砂(0.016～0.004mm)和黏土(0.004～0.001mm)；(2)没有测到粒径大于2.0mm的砾石；(3)除靠近刘公岛的5号测站和6号测点外，其它测站泥沙中的粘土组分以50%～70%居多，粉砂组分以25%～45%居多。

2.3 潮流数值模型及验证

潮流场数值模型采用计算区域的潮位、潮流流速和流向的实测资料对模型进行验证，其中潮位验证采用2010年9月的实测资料，潮流验证分别采用2010—2011年2次的实测资料，共设置了3个验潮点。潮位、潮流验证点的位置见图4。

1#验潮点(经度122°08.000′E，纬度37°30.333′N)自2010年9月22日0时—2010年9月23日0时的大潮潮位验证结果见图5。可以看出，该海域的潮汐属于不规则半日潮。一日潮位过程包括2个完整的涨潮、落潮过程，2次潮位过程的高低潮不等现象明显，模拟结果与实测资料较吻合。

图6～7分别为2#(经度122°09′35.2″E，纬度37°31′7.5″N)和3#(经度122°12′16.4″E，纬度37°28′20.1″N)潮流测点2010年12月21日10时—2010年12月22日10时的大潮流速和流向的验证结果。由验证结果可以看出，2#和3#站的大潮期间的流速和流向均与实测资料吻合较好。

图1 大海域计算域及网格设置图Fig.1 Computational domain and grid of large sea area

图2 局部海域网格设置图Fig.2 Computational grid of local sea area

监测站位Stations砾石Gravel/mm砂Sand/mm粉砂Siltysand/mm黏土Clay/mm平均粒径Averagegrainsize/mm中值粒径Mediangrainsize/mm名称及代号Name>2．02．0⁃0．0630．063⁃0．004<0．004DmD50106．07741．15152．7710．00410．0036粉砂质黏土203．06522．8974．0450．00180．0018粉砂质黏土300．00652．2747．7250．00370．0043黏土质粉砂400．77847．67851．5430．00340．0038粉砂质黏土5017．97663．76218．2620．01790．0275黏土质粉砂607．78472．39919．8180．01340．0175黏土质粉砂70030．50569．4950．00230．0025粉砂质黏土800．70131．8467．4590．00230．0023粉砂质黏土901．54729．57868．8750．00220．0023粉砂质黏土1001．36325．29473．3430．00170．0015粉砂质黏土1103．62833．90462．4680．00270．0027粉砂质黏土

图3 刘公岛附近海域沉积物采样站位图Fig.3 Sediment sampling stations near the Liugong island

图4 潮位、潮流观测点位置Fig.4 The locations of tidal level and tidal current

图5 大潮1#站潮位验证Fig.5 Validation of tidal level at 1# station

图6 大潮2#站流速、流向验证Fig.6 Validation of tidal current at 2# station

图7 大潮3#站流速、流向验证Fig.7 Validation of tidal current at 3# station

因此，本文在MIKE21FM模式基础上建立的潮流场数值模型计算结果能较好地反映刘公岛及其周围海域潮流运动过程和特征，再现了该海区真实的流场情况。因此，本文所建立的数值模型和边界设置合理，可以作为旅游码头扩建工程前后水动力和地形地貌冲淤环境影响预测和评价的基础。

2.4 潮流数值模拟及分析

运用MIKE21FM对工程建设前后周围海域潮流场变化情况进行数值模拟，得到涨、落急时流场图如图8～9。可以看出，由于工程量较小，工程建成后对威海湾和杨家湾的潮流场几乎没有影响。刘公岛周围海域的涨潮流整体还是由东往西流(如图8)，一部分潮流在刘公岛西南处转向西北，一部分在杨家湾口转向西南流向杨家湾内，流速普遍介于0.10～0.30m/s之间。工程附近涨潮流整体由东往西流，流速较小，小于0.15m/s。刘公岛周围海域的落潮流整体由西往东流(见图9)，刘公岛西南侧海域潮流由西北往东南流，流速普遍介于0.10～0.3m/s之间。工程附近涨潮流整体由东往西流，流速比涨潮时较小，小于0.08m/s。

工程附近海域由于码头对潮流的阻碍作用，涨潮时，潮流自东向西流，遇到码头工程后，沿码头自北向南流，至码头南端向西偏转，码头东、西侧附近潮流与工程前相比有所减小(如图8(a)和8(b))。落潮时，潮流与涨潮时方向相反，码头东、西侧附近潮流与工程前相比也有所减小(如图9(a)和9(b))，影响范围在工程附近500m范围内，对1km之外的海域的水动力几乎没有影响。

3 地形地貌冲淤数值模拟

利用沉积物取样分析、海流观测等方法，结合水深地形、工程地质、风速资料，运用MIKE21FM模型模拟和预测潮流、波浪(施加风)作用条件下工程建设对工程周围海域地形地貌冲淤环境的影响。根据工程附近海域风资料的统计结果，将全年的大风引起的波浪与潮流、径流共同作用于地形地貌冲淤模拟中。其中沉积物类型及粒度特征参数根据该区近期和历史表层沉积物调查资料确定，限于篇幅，沉积物沉积和侵蚀计算公式参考文献[2，13]。

工程建设前后工程海域的地形地貌冲淤数值模拟结果见图10。由图10(a)可以看出，威海湾和杨家湾整体呈微淤积状态，淤积厚度小于4cm/a，刘公岛东南侧和西南侧与陆地连线附近海域由于地形改变导致海域面积变窄，流速较大，处于微冲刷状态，冲刷厚度小于6cm/a。工程附近海域东南角处于小范围的微冲刷，程度小于4cm/a，其余附近海域处于微淤积状态，淤积厚度小于4cm/a。比较工程建设前后工程海域的冲淤情况可以看出，工程建成后对威海湾和杨家湾整体冲淤影响很小，对工程附近200m范围内的冲淤有一定的影响，工程建成后，拟建工程南端出现小范围的微冲刷，程度小于2cm/a，工程东南侧和南侧淤积程度增大，最大淤积厚度小于4cm/a，比工程前增大2cm/a。随着时间向后推移，预计冲淤幅度会越来越小，10a左右基本达到稳定状态，最大冲淤幅值在20cm左右。

4 结论

本文以刘公岛旅游码头扩建工程对周边海域的水动力环境及地形地貌环境产生的影响为主要研究目标，采用数值模拟的方法，分析工程建设后对刘公岛周边海域水动力和地形地貌环境的影响。本文首先建立了刘公岛周边海域浅水潮流数值模型，并利用历史测量的潮位、潮流数据对模型结果进行校准和验证，数值模型计算结果与实际观测资料吻合较好。本文得出以下结论：

图8 工程海域大潮期间涨急时流场图Fig.8 Tidal current field at flood strength before and after the construction

图9 工程海域大潮期间落急时流场图Fig.9 Tidal current field at ebb strength before and after the construction

图10 工程区域海域的地形地貌冲淤图Fig.10 Tidal current field at ebb strength before and after the construction

(1)本文运用潮流数值模型对刘公岛周边海域的潮流场进行数值模拟，研究工程区域的潮流运动规律和工程建设后对周边海域的水动力条件的影响程度。数值计算结果表明：由于工程量较小，工程建成后对威海湾和杨家湾的潮流场几乎没有影响，影响范围在工程附近500m范围内。

(2)在此基础上，本文建立了刘公岛周边海域泥沙输移数值模型，对风、浪、流作用下研究海域内悬沙漂移扩散过程进行数值模拟。耦合潮流模型和波浪模型进一步模拟预测工程建设引起的地形地貌环境的变化。数值计算结果表明：工程建成后对工程附近200m范围内的冲淤有一定的影响，对整个威海湾和杨家湾地形地貌冲淤环境影响甚微。

综上所述，由于工程规模较小，对水动力的影响1km范围外非常小，因此对水动力和地形地貌的影响的范围会集中在1km范围内，对外海域影响不大。本文从水动力和地形地貌的角度分析了项目建设的可行性，为该工程的设计以及规划提供了技术依据。本文算例的成功模拟表明MIKE21FM数值模型计算稳定、精度高、计算结果可信，能有效地模拟实际工程中的复杂流动，满足海洋工程应用要求，为海洋工程环境影响评价领域提供新的借鉴方法。

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责任编辑 陈呈超

Study on Tidal Current and Sediment of the Liugong Island Based on MIKE21FM

WU Ya-Jie1,2, GAO Xiao-Hong1, LIANG Bing-Chen1,2, ZHANG Jing3

(1. College of Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. The Key Laboratory of Ocean Engineering of Shandong Province, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 3. School of Petroleum Enginerring, China University of Petvoleum, Qingdao 266580,China)

Taking the construction of the tourism wharf of the Liugong island as an example, the application of MIKE21FM on environmental assessment of ocean engineering is investigated. In this work, numerical models of tidal current and sediment in the Liugong island′s adjacent waters are developed based on MIKE21FM in order to analyze and predict the impacts of the construction of the tourism wharf of the Liugong island on the hydrodynamic, geographic and geomorphic environment of its adjacent waters. The values of tidal current given by the simulation have a good agreement with observed data, which indicates that the numerical model provides a fair simulation of the coastal flow in the Liugong island and its adjacent waters. The simulation results before and after the construction shows that the construction have less influence on the hydrodynamic conditions and geomorphic environment. It reveals that the construction is feasible and it can provide some theoretical bases for planning and designing of the tourism wharf. The results of this work indicate that MIKE21FM can simulate the complex flows efficiently and effectively. It can be widely applied to forecast and estimate the oceanic hydrodynamics conditions as well as erosion and deposition features in the field of environmental assessment of ocean engineering.

ocean engineering； hydrodynamic model； numerical simulation； MIKE21FM； environmental impact assessment

国家自然科学基金项目(41302195)；中央高校基本科研业务费专项项目(27R1102059A; 201213005)资助

2014-03-10；

2014-06-15

武雅洁(1980-)，女，讲师。E-mail: yajiewu@ouc.edu.cn

P731.2

A

1672-5174(2015)08-107-06

10.16441/j.cnki.hdxb.20140042