浦坝港二维潮流数值模拟研究

吴松华，章哲华，姚炎明

(1.中交上航局航道建设有限公司，浙江 宁波 315200；2.浙江大学港口海岸与近海工程研究所，浙江 舟山 316021)

浦坝港位于浙江省三门县东南部，港湾深入内地.西起花桥镇红旗塘，上游羊峙港和花桥港两支港汇合后，向东南流经浬浦、小雄、沿赤、泗淋四个乡镇，注入猫头洋.东西长19 km，南北宽约5 km，海域面积72 km2，陆岸线长56 km.扩塘山立于港口口门，将港口分割成南、北两条水道.南侧白带门水道长5.5 km，宽1.2～2 km，水深4～10 m，为出入浦坝港的主航道.北侧牛头门水道长5.5 km，宽0.45～1.5 km，水深2.5～5 m，不宜大船通航.港湾两侧干出滩涂与潮间带(海涂)54 km2.潮流方向与航道一致，牛头门涨、落潮流速2.5节，白带门涨潮流速1.8节、落潮流速3节.

按照我国目前通用的划分潮汐类型的标准，浦坝港海域潮振动主要为外海潮波引起的协振潮，潮汐以半日潮为主，具有明显港湾水域的潮汐特征[1].

浦坝港大桥位于浙江省台州市三门县东部浦坝港，东与牛头门和白带门水道相邻并与扩塘山岛相望，具体位置(见图1).

图1 区域地理位置示意图

浦坝港大桥建成后，附近海域的水动力条件将发生改变，附近区域的泥沙运移也会发生变化，动态平衡后形成新的冲淤变化趋势，进一步导致附近水域海底地形的变化[2].因此，在项目环境影响评价和海域使用论证中都需要对项目引起的水动力及泥沙冲淤影响进行预测.为此，本文将对该水域的潮流结构进行数值模拟，为工程环境影响评价和海域使用论证提供可靠依据[3].

浦坝港附近的三门湾、椒江口外岛屿、峡道众多，大陆与海岛边界曲折，水下地形复杂，故采用恒定非均匀流的平面二维有限元数学模型.控制方程采用平面二维的浅水潮波运动方程和连续方程及相应的初边界条件[4-8].

1 控制方程及数值处理

1.1 控制方程

(1)

(2)

(3)

式中：z—潮位，m；

U,V—x,y方向上的垂线平均流速分量，m/s；

h—水深，m；t—时间，s；

f—柯氏系数，f=2wsinφ，其中w为地转角速度，φ为纬度；

g—重力加速度，m/s2；

Ax、Ay—涡动粘滞系数，m2/s.

1.2 离散处理

对式(1)～式(3)应用加权余数法伽辽金逼近(其中二次项应用分部积分)，且各时间导数取前差近似，整理后得到各变量的显式数值解：

(4)

(5)

(6)

式(4)—(6)中：

λ，β，γ—三角形单元面积各个单元形参数；

Δt—时间步长；

本模式具有一阶精度，其稳定条件为：

1.3 定解条件

初始条件：u(x,y,0)=v(x,y,0)=0

z(x,y,0)=z0

边界条件(陆)：vn=0

边界条件(水)：z(x0,y0,t)=z*(x0,y0,t)

其中：vn—陆边界法线方向的速度分量；

z*(x0,y0,t)—水边界上的潮位值.

2 计算网格

研究区域内潮差较大，潮流强，是强潮海域之一.本次研究的数学模型在建立时确定的计算区域较大(见图1).南边界取在白沙-头门-东矶岛一线，东部边界选在东矶-南田岛一线，北边界位于三门湾内的猫头山-高塘岛一线.

计算区域固体边界较复杂，为较好地模拟复杂的边界条件，采用三角形网格进行划分计算[7]，整个计算区域共有23 365个三角形单元，12 210个节点(见图2).为了能较准确地描述浦坝港大桥桥墩附近水动力条件，对工程附近网格作加密处理，以尽可能地提高计算精度[9-10]，工程附近网格布置(见图3).计算最小空间步长约25 m，计算时间步长为2.0 s.

图2 计算区域整体网格示意图

图3 工程附近局部网格图

3 模型验证及模拟流场结果

3.1 模型验证

采用由11个分潮的潮汐调和常数预报所得的潮位作为模型开边界条件[8-9]，在对工程附近实测潮位以及潮流进行验证的过程中，同时进行适当调整.

本次选取1个潮位站进行潮位验证，4个实测潮流点(PB15、PB16、PB17和PB18)进行大、小潮潮流流速和流向验证(2006-02-13—02-14及2006-02-20—02-21，验证点具体位置见表1及图1).图4为潮位验证结果；图5所示为流速流向验证结果(限于篇幅，仅列出大潮情况).

由图4可见，全潮潮位模拟结果与实测过程线吻合很好，相对误差小于5%.从图5可见，流速、流向模拟结果和实测流速、流向过程线吻合较好，急流时的流速、转流时间也与实测结果比较接近，相对误差总体小于15%.

从上述潮汐潮流的验证结果来看，模型对于浦坝港实际的潮波运动及潮流流态的模拟良好，能够较好地反映该水域的水动力条件，可用于工程后流场变化和泥沙冲淤影响分析.

3.2 模拟流场结果

图6～图7为根据上述方法计算得到的计算区域大潮涨落急流流矢分布图，工程附近涨落潮急流流矢分布(见图8～图9).

表1 流速潮位验证点坐标

图4 全潮潮位验证(2006-02-13-02-21)

图5 大潮流速流向验证图

图6 计算区域全域大潮涨急流矢图

图7 计算区域全域大潮落急流矢图

图8 计算区域工程附近大潮涨急流矢图

图9 计算区域工程附近大潮落急流矢图

计算区域内大、小潮时的涨、落潮急流矢分布特征为：浦坝港港内的水域呈狭长分布，受两侧地形影响，水流呈现明显的往复流特性；浦坝港口门附近，水面稍开阔，但水流仍受岸线影响，水流呈往复流特性；而在计算区域东部开阔的海域则呈现一定的旋转流特性[9].涨潮时水流由东、南边界流入，沿西北方向进入浦坝港及三门湾.落潮时水流由西北向东南方向流出，从整个计算区域来看，最终的落潮流主要向东南方向流出.在港外比较开阔的海域，潮流逐渐呈现基本为顺时针转向的旋转流的特性.在涨落潮的交替过程中浦坝港及口外宽广的滩涂随之淹没和出露.

浦坝港口外东南侧海域岛屿众多，由模拟的流场看，在岛屿掩护区流速很小，而在岛屿之间的峡道内流速较大.大潮期间雀儿岙附近开阔海域的垂线平均流速也达到1.0 m/s以上.

由以上对于计算模拟流场结果的对比分析可知，计算区域的模拟流场结果与实际情况相符.

4 结 语

模型成功地模拟了计算区域的流场，误差基本控制在合理范围之内，总体模拟结果能较好反映计算区域的水动力条件，可用于分析后续工程引起的流场变化及泥沙冲淤变化的影响.

根据模型计算的结果，涨潮时水流由东、南边界流入，沿西北方向进入浦坝港及三门湾.落潮时水流由西北向东南方向流出，从整个计算区域来看，最终的落潮流主要向东南方向流出.浦坝港内的狭长水域内，受两侧地形影响，水流呈现明显的往复流特性；浦坝港口门附近，水面稍开阔，但水流仍受岸线影响，水流呈往复流特性；而在计算区域东部开阔的海域则呈现一定的旋转流特性.