潮流数学模型计算方法及工程应用

李 超

(中核华电河北核电有限公司，河北 沧州 061000)



潮流数学模型计算方法及工程应用

李 超

(中核华电河北核电有限公司，河北 沧州 061000)

介绍了潮流数学模型的建立方法，并以黄骅港海域为例，结合附近海域的气象条件，通过该模型，模拟计算了潮流运动规律，对黄骅港地区海工工程建设及航运安全具有重要的意义。

黄骅港，潮流数学模型，气象条件，运动规律

黄骅港海域是粉砂质海岸，潮流运动对泥沙的活动性具有至关重要的影响，加之黄骅港海域滩缓水浅，波浪破碎区宽阔。因此，建立潮流数学模型，研究潮流运动规律对黄骅港地区的工程项目建设以及航运安全具有十分重要的意义。文章描述了建立潮流数学模型的方法，结合当地气象条件，确定了黄骅港海域的潮流运动规律，希望能够为相关海工工程项目提供参考。

1 建立潮流数学模型

潮流数学模型的计算采用Mike21系列软件中的水动力模块(FM模块)，FM模块是由丹麦水工所开发，可应用于海岸区域的水动力模拟计算，其模拟计算结果在国际和国内均具有较高的承认度。

水动力模块的控制方程[1]采用二维浅水方程组，并将紊流作用以涡粘系数的形式参数化，其基本方程形式如式(1)所示:

(1)

(2)

其中，cf为拖曳力系数，可由Chezy系数C或Manning系数M计算，见式(3),式(4)，取Manning系数M=60。

(3)

(4)

(5)

为了较好的描述各种涡的形成，水平涡粘性系数E采用Smagorinsky亚网格尺度模型求解，即涡粘系数取为：

(6)

其中，Cs为可调系数，取为0.28;A为网格面积；Sij与速度梯度相关，即：

(7)

2 气象条件

根据现场实测数据及历史资料的整理与分析，黄骅港附近海域的气象条件为：1)海域潮汐属不规则半日潮，平均潮差2.04 m，潮流属规则半日潮型，涨潮偏西，落潮偏东，潮段平均流速在0.25 m/s～0.42 m/s之间。2)海域全年以E,SW风最多，S,NE风次之，强风向主要来自NE向～E向，风况受季节变化较为明显，其中夏、冬两季大风出现的次数较低，春、秋季节大风出现频率较高。本区常浪向为ENE向,E向和N向，强浪向为ENE和N向，波浪以风浪为主，少有涌浪，大风天实测波浪与风况具有良好的对应性，呈现风起即兴，风衰即减。

3 计算范围

为拟合岸线和航道、堤线等建筑物的边界，应选用无结构三角形网格对大范围计算区域进行分解；为适应波浪、潮流泥沙数学模型不同模拟的需求[2]，大范围数学模型需包括整个渤海，局部模型范围北起曹妃甸，南至东营，东西距离约130 km，南北距离约120 km。大范围潮流模型边界由中国海域潮汐模型提供，局部模型边界条件由大模型提供，最大空间步长可达2 000 m，最小网格仅为10 m，局部模型共72 138个网格节点，能够保证充足的网格分辨率，图1为局部模型网格剖分示意图。

4 潮位与潮流验证

根据2014年3月～4月黄骅港实测的大、中、小潮全潮水文测验数据对上述潮流数学模型进行验证。

结果表明，测点的验证结果基本符合《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》要求(潮位误差0.1m；潮段平均流速误差率10%，往复流潮段平均流向误差10°，旋转流潮段平均流向误差15°)。因此，总体来看，二维潮流数学模型在数值和相位上均与原型具有很好的相似性，可用于对潮流平面运动规律的模拟中，其预测结果具有良好的可信度。

5 潮流运动规律

根据2014年黄骅港实测数据，结合潮流数学模型，图2,图3给出了黄骅港大范围海域涨、落急流场矢量图，图4中绘制了大潮全潮平均流速等值线。

6 结语

根据潮流数学模型计算结果，经分析，该海域潮流具有如下特征：

1)黄骅海域位于渤海湾的中部，整体潮流运动较为平顺，涨潮时，外海水体自东向西流向近岸，在潮波传至近岸的过程中，涨潮流向西南方向发生偏转，落潮流基本呈现反向流动。由于黄骅港海域建设有多道潜堤，该处存在明显的潜堤越流和堤头绕流，港池内部流速普遍较低。

2)从流速量值角度，海域外海全潮平均流速在0.3 m/s～0.6 m/s左右，近岸流速基本不足0.2 m/s，黄骅港潜堤附近流速稍大，局部平均流速可达0.8 m/s以上，港池里段平均流速几乎不足0.1 m/s，向外逐渐增加，但基本介于0.05 m/s～0.3 m/s之间。

[1] 侯庆志.曹妃甸海域围填海工程动力地貌环境遥感分析[J].水利水运工程学报,2013(3):1-6.

[2] 姚珊珊.施工期悬沙扩散对电厂取水影响的数值模拟研究[J].水道港口,2014(2)：117-124.

On calculation method of tidal current numeric model and its engineering application

Li Chao

(CNNPCHDHebeiNuclearPowerCo.,Ltd,Cangzhou061000,China)

The paper introduces the establishment methods for the tidal current numeric model and undertakes the simulation calculation of the tidal current movement law by combining with the near offshore meteorological conditions by taking Huanghua Port as the example, so it is meaningful for the ocean engineering construction and harbor safety of Huanghua base.

Huanghua Port, tidal current numeric model, meteorological condition, movement law

1009-6825(2017)14-0227-02

2017-02-27

李 超(1983- )，男，工程师

TV131

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