南黄海辐射沙脊群海域三维水动力数值模拟*

2020-11-09林伟波陈晓燕

水运工程 2020年9期

林伟波，陈晓燕

(江苏省海涂研究中心，江苏南京 210036)

南黄海辐射沙脊群分布于江苏中部海岸带外侧、黄海南部陆架海域，大体上以弶港为顶点、以黄沙洋为主轴，自岸呈褶扇状向海辐射，由9条沙脊和分隔沙脊的潮流通道组成[1]。潮流以正规半日潮流为主，潮流日不等现象在近岸和深水道中较明显，是形成和维持辐射沙脊群的主要动力[2]。朱玉荣等[3]、诸裕良等[4]采用二维潮流数学模型，分析辐射沙脊群海域动力特征，揭示了沙脊群形成与潮流的内在联系。但以上研究都是基于二维平面水动力模型，不能很好地体现辐射沙脊群海域复杂地形条件下三维水动力特性。本文基于已被国内外学者大量应用的无规则网格的有限体积海岸海洋模型(FVCOM)[5-10]，构建了辐射沙脊群海域三维潮流模型，分析其水动力特征，该模型可用于模拟复杂地形条件下海洋动力环境，可为进一步研究本海域的泥沙和污染物运动提供准确的动力条件[11]。

1 模型计算区域与设置

1.1 模型范围和参数设置

模型的计算域范围为120°24′E～122°05′E，32°10′N～34°06′ N，南、北边界分别为启东沿岸、废黄河口。模型水深和网格分布如图1所示，包含11 117个网格单元、5 705个网格节点，网格分辨率最小500 m，开边界网格分辨率5 km。模型内模态时间为30 s，外模时间为6 s，垂向分为6层，采用σ坐标。模型计算基面为85国家高程基准，最小底部拖曳力系数为0.001 6，海底粗糙高度值为0.001 2 m，垂直涡黏系数背景值为10-6m2s。模型从2014-07-10T00:00:00开始计算，共计算14 d，开边界以“东中国海潮波模型”预报的潮位作为驱动力。

图1 计算区域的水深分布与计算网格

1.2 模型验证

运用Wilmott[12]提出的预测能力系数skill来验证模型的计算精度，计算公式为：

(1)

大丰港、斗龙港和洋口港3个潮位测站的模拟对比过程见图2。可看出，潮位变化趋势较为吻合，潮位预测能力系数大于0.97。V1、V6站实测海流和计算值对比见图3、4(站位分布见图5)，其中V1测站流速预测能力系数达到0.97，流向预测能力系数达到0.98；V6测站表层和底层流速预测能力系数都达到了0.95，表层和底层流向预测能力系数都达到了0.92。总体上看，模型的计算结果与实测数据吻合良好，能较好地体现研究海域的潮汐潮流分布特征。

图2 计算潮位与实测潮位对比

图3 大小潮期间V1测站潮流模拟过程

图4 大小潮期间V6测站潮流模拟过程

2 结果与分析

2.1 潮流场特征分析

大潮和小潮的实测平均流速矢量图见图5，V1、V2、V3测站的流向基本均为沿岸线方向的南北往复流，V4、V5、V6测站流向受地形影响，呈现旋转流趋势，其中以V4测站最为明显。潮流速从北往南逐渐减小，大潮时V1的最大涨、落潮流速分别为2.55、1.68 ms，而V4的最大涨、落潮流速只有1.09、1.25 ms。小潮时期流速明显减小，V1的最大涨、落潮流速为1.61、1.21 ms，而V4的最大涨、落潮流速为0.57、0.63 ms。

图5 垂线平均流速矢量图

图6a)、图7a)为大、小潮涨急流场分布，此时潮位已近平均海平面，全海域呈涨潮势，南、北两股潮流向弶港辐聚，弶港以北海区的涨潮势略强于南海区，北海区近岸以由北往南的沿岸流为主，涨潮流向各条沙脊的滩顶聚涌，其中低滩的沙脊已被潮水淹没，岸滩尚有滩面水流。从流速大小分布来看，西洋深槽流速较大，大潮流速达到1.6 ms，小潮涨急流速在1.2 ms左右；其他的深槽大潮流速达到1.2～1.4 ms，小潮涨急流速在1.0～1.2 ms，滩面流速在0.5 ms左右。图6b)、图7b)为大、小潮落急流场分布，已有少许岸滩出露，各深槽流速较大而集中，流向与深槽走向十分一致，沙脊背对潮流矢量影响显著，流向基本与深槽成斜交的归槽趋势。深槽的大潮落急流速达到1.2～1.5 ms，小潮落急流速在1.0～1.2 ms。

图6 大潮表层流场分布

图7 小潮表层流场分布

2.2 余流场特征

由模型计算的潮流结果，通过欧拉余流的定义公式[13]计算得到欧拉余流场，见图8、9。大潮时期弶港以北海域表层和底层余流方向都是从南向北的沿岸流，近深槽余流大都指向深槽，南部海域的近岸余流有逆时针的旋转流。表层余流较底层余流大，表层最大余流速度超过0.4 ms，底层余流速度明显减小，苏北浅滩余流速度在0.1 ms左右。小潮时期，表层余流速度为0.04～0.12 ms，底层余流速度为0.02～0.08 ms，南部海域的近岸有逆时针的旋转流。