大屿岛海域潮流数值模拟＊

2019-10-15张友权

科技与创新 2019年18期

张友权

大屿岛海域潮流数值模拟＊

张友权

（福建省海洋预报台，福建福州 350500）

基于平面不可压缩雷诺（Reynolds）平均纳维埃-斯托克斯（Navier-Stokes）浅水方程，建立大屿岛海域的二维潮流数学模型。结果表明，数值模型计算结果与实测值吻合良好，可以用来模拟大屿岛附近海域潮流的运动情况。该海域每日有两次涨、落潮流过程，两次的最大潮流速度强度基本相同，最大涨潮流速可达1.2 m/s左右，工程区域的潮流为往复流。

数值模拟；大屿岛；二维潮流；浅水方程

大屿隶属于平潭综合实验区（以下简称平潭），位于海坛海峡中段东侧、黄门澳西侧、平潭海峡大桥南侧，是福建省最具有生态保护与开发价值的无居民海岛之一。平潭大屿生态岛礁建设项目是福建省海洋与渔业厅持续落实福建省和国家海洋局各项政策的一个重大举措，是推进海岛生态文明建设的一项重要工作。为了满足工程建设用海的要求，有必要对大屿岛海域开展潮流数值模拟研究。

用数值离散方法模拟潮流运动始于20世纪60年代，并被广泛地应用于海湾、海峡的潮汐和潮流的计算研究[1-4]。陈倩等[5]用三维陆架海模式（HAMSOM）对浙江近海的潮汐、潮流进行了数值模拟。林翩然等[6]用二维浅水波方程组描述潮波运动，并利用欧拉-拉格朗日差分方法得到数值解，模拟了厦门附近海域潮流场。熊伟等[7]利用FVCOM模型对宁波舟山近海的潮汐潮流进行了三维数值模拟，并对其水动力特性作了相应分析。李孟国[8]采用数值的方法模拟了兴化湾潮流场对兴化湾、南日水道和兴化水道的流场特征进行了分析。本文同样采用数值模拟方法，建立大屿岛海域潮流数学模型，首先通过实测资料对模型进行验证，然后对工程区域的流场进行分析，为大屿岛工程建设提供技术参考。

1 潮流流场数值模拟

1.1 基本控制方程

模型基于二维平面不可压缩雷诺（Reynolds）平均纳维埃-斯托克斯（Navier-Stokes）浅水方程建立，对水平动量方程和连续方程在=+范围内进行积分后可得到下列二维深度平均浅水方程：

ij为水质点侧向应力，包括粘滞摩擦力、紊流摩擦力、对流力等，在该模型中采用一个涡旋粘滞系数，根据垂直平均流速梯度场对上述几种力进行总和估计，可按式（6）（7）（8）计算：

式（6）中：为水平涡动粘滞力系数，可按下列各式计算：

在该模型中通过输入s来确定值，i，j由系统自动计算捕获。sx，sy为海面风摩阻，方向分量，bx，by为海底摩阻，方向分量，可按下列各式确定：

在该模型中通过输入曼宁数值来实现对海底摩阻的模拟。需要注意的是因使用习惯，在MIKE系统中的曼宁数与有些文献资料中的曼宁数呈倒数关系。

1.2 数值计算方法

1.2.1 空间离散

模型在岸界和工程结构物附近采用非等距三角形网格进行单元划分，并对计算区域的空间离散采用有限体积法。

1.2.2 浅水方程

本数值研究中采用了低阶积分格式对浅水方程进行积分，且在求解浅水方程时，采用了近似Reimann算子对相邻单元之间的对流通量进行计算，同时还采用了ROE方法对左右进出单元的单独变量进行估算。

1.3 初、边值条件

初始条件可以采用“冷启动”和“热启动”两种方法处理，本文采用“冷启动”。在本研究采用的数值模式中，需给定两种边界条件，即闭边界条件和开边界条件。开边界条件即水域边界条件。在此边界上，可给定流速或者潮位，本研究开边界给定潮位，即=（，，）。所谓闭边界条件，即水陆交界条件。在该边界上，水质点的法向流速为0，即n=0。对于潮滩，水陆交界的位置随着潮位的涨落而变化，因此，模型中考虑了动边界内网格节点的干湿变化。

初始条件如式（13）所示：

（，，0）=0（，）

（，，0）=0（，）（13）

（，，0）=0（，）

式（13）中：0，0分别为初始流速和潮位，本研究中给定计算初始时刻的潮位和流速取0。

1.4 模型计算范围及网格划分

模型的计算范围及网格剖分如图1所示，模型计算范围包含整个平潭海域。模型开边界从万安村南侧连至塘屿岛，然后向东连接外海点1，再向北连接外海点2，最后向西连接至康宏码头。网格划分采用非均匀三角形网格划分，在工程区于采用局部加密的方法。区域划分单元数为22 467个，节点数为11 885个。

图1 模型计算范围及网格划分（单位：m）

2 潮流场验证

2.1 验潮资料的选取

为了验证建立的数值模型是否能够准确模拟大屿岛工程区域流场特征，利用实测资料与模拟结果进行了对比验证。实测资料来自《平潭大屿生态示范岛海洋工程水文测验技术报告》，测站位置如图2所示，共3个潮流站，测站坐标如表1所示。潮位观测时间为2016-09-05—2016-09-21，海流观测大潮期为2016-09-18T05：00—09-19T05：00（农历八月十八至农历八月十九）。