山东威海滨海新城北部海域潮流数值模拟研究

王玉莲 张坤 王振兴 高兴 王嫚

摘要： 山东省威海市滨海新城作为威海市的新行政中心，是威海市着力打造的宜居、宜业、宜游、宜学的现代化卓越新城。本文采用MIKE21FM平面二维数值模型研究威海市滨海新城北部海域的潮流场运动，并以分层流速流向实测资料对模型进行验证。结果表明，研究区潮流场流速和流向数值模拟结果与实测资料变化基本一致。

关键词： 潮流；MIKE21FM；数值模拟；滨海新城；山东威海

中图分类号： U652.3     文献标识码： A    doi：10.12128/j.issn.1672 6979.2023.03.014

引文格式： 王玉莲，张坤，王振兴，等.山东威海滨海新城北部海域潮流数值模拟研究［J］.山东国土资源，2023，39（3）：96 101. WANG Yulian， ZHANG Kun， WANG Zhenxing， et al. Numerical Simulation of Tidal in Northern Sea Area  in Binhaixincheng in Eastern Weihai City［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（3）：96 101.

0 引言

威海市地处山东半岛最东端，北、南、东三面濒临黄海，北与辽东半岛相对，西与烟台市接壤，东与朝鲜半岛相望［1 2］。该区地处中纬度，属于北温带季风型大陆性气候，四季变化和季风进退都较明显，与同纬度的内陆地区相比，具有雨水丰富、年温适中、气候温和的特点［3］。威海市东部滨海新城作为威海市的新行政中心，是威海市着力打造的宜居、宜业、宜游、宜学的现代化卓越新城。

研究区位于威海市滨海新城北部海域，潮汐类型主要以不正规半日潮为主，仅在成山角东北海域出现一小范围的全日潮区域。海流主流向均为偏NW—SE向，其中涨潮流向以NW向为主，落潮流向以SE向为主。本文通过2021年10月23日—10月24日潮流实测数据进行研究区的潮流数值模拟研究。

1 潮流模型简介

采用MIKE21FM平面二维数值模型［4］研究威海市东部滨海新城北部海域潮流场运动，MIKE21FM模型是由丹麦水力研究所开发［5］，用于对河流、湖泊、河口、海湾、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙等的模拟［6］，在国内外都得到了广泛应用。模型采用非结构三角网格剖分计算域［7］；采用标准Galerkin有限元法进行水平空间离散，在时间上采用显式迎风差分格式离散动量方程与输运方程［8］。

1.1 模型控制方程

质量守恒方程：   ?ζ ?t + ? ?x （hu）+ ? ?y （hv）=0

动量方程：

?u ?t +u ?u ?x +ν ?u ?y - ? ?x （εx ?u ?x ）- ? ?y （εy ?u ?y ）-fv+ gu u2+ν2  CZ2H =-g ?ζ ?x

?ν ?t +u ?ν ?x +ν ?ν ?y - ? ?x （εx ?ν ?x ）- ? ?y （εy ?ν ?y ）+fu+ gν u2+ν2  CZ2H =-g ?ζ ?x

式中： ζ—水位；h—静水深；H—总水深，H=h+ζ；u—x向垂向平均流速；ν—y方向垂向平均流速；g—重力加速度；f—科氏力参数（f=2ω sin φ，φ为计算海域所处地理纬度）；CZ—谢才系数，CZ= 1 n H 1 6 ，n—曼宁系数；εx、εy—x、y方向水平涡动粘滞系数。

1.2 定解条件

初始条件：   ζ（x，y，t）｜t=t0=ζ（x，y，t0）=0 u（x，y，t）｜t=t0=ν（x，y，t）｜t=t0=0

边界条件：开边界采用《渤、黄、东海海洋图集——水文分册》中4个主要分潮（K1、O1、M2、S2）的潮汐调和常数进行预报［9］。

潮位预报方程为：  η（t）=∑ N i=1 Ai（t）αi cos （ωit+fi+Fi（t））

式中： η（t）—水位，ωi—第i个分潮的潮汐角频率，αi和fi分别为第i个分潮的振幅和迟角，Ai（t）和Fi（t）则分别为第i个分潮的振幅和迟角修正因子［10］。

2 计算域和网格设置

2.1 计算域设置

本项目所建立的海域数学模型计算域范围见图1［11］。模拟采用三角网格，用动边界的方法对干、湿网格进行处理［12］。整个模拟区域内由10672个节点和20411个三角单元组成，最小空间步长约为20m。计算海域数值模拟网格分布见图2。

2.2 水深和岸界

水深选取前人制作的海图资料［13］。岸界采用以上海图中岸界和附近海域最新遥感影像资料。

2.3 计算时间步长和底床糙率

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［14］，最小时间步长1s。底床糙率通过曼宁系数进行控制［15］，曼宁系数n取32～55m1/3/s。

2.4 水平涡动粘滞系数

采用考虑亚尺度网格效应的Smagorinsky（1963）公式计算水平涡粘系数［16］，表达式如下：  A=cs2l2 2SijSij

式中： cs—常數；l—特征混合长度［17］；Sij为网格变形率，由Sij= 1 2 （ ?ui ?xj + ?uj ?xi ）（i，j=1，2）计算得到［18］。

3 模型验证

为评估潮流模型的准确性，在计算域内选取2个潮位观测站位和6个潮流观测站位的观测资料对潮流模型进行验证。

其中，潮位观测资料来源于国家海洋科学数据中心公布的威海和成山角2个站位的实测潮汐数据；潮流观测资料为实测，观测时间为2021年10月23日12：00～24日13：00（农历九月十八—十九，大潮期）。验证点位置见图3、表1。

根据潮流观测资料，各站位的平均流速为0.275～0.455m/s。从各站实测海流资料中，提取了大潮期间各站各层及各站垂向平均的涨、落潮流向平均流速、流向和涨、落潮流的最大流速、流向（表2），1号、2号、3号和6号站位实测海流表现为较强的往复性流动（图4、图5）［19］，海流主流向均为偏NW—SE向，其中偏NW向为涨潮流向，偏SE向为落潮流向，4号和5号受近岸地形影响，随涨落潮的往复性流动不是很明显。

6个站位水体在整体上呈垂向分布，表底层水体垂向差异较小，垂向混合较为均匀。6号站的垂向平均流速最大，1号站的垂向平均流速最低。涨潮流以NW向为主，最大涨潮流速位于5号站，可达1.518m/s；落潮流以SE向为主，最大落潮流速也于5号站，最高达1.710m/s。

3.1 潮位验证

图3为威海站和成山角站2个站位的潮位验证曲线。可以看出，模拟得到的潮汐涨潮历时、落潮历时与实测结果基本一致，且高潮时刻和低潮时刻与实测结果的相位差不超过1小时；潮位模拟结果和实测结果的最大绝对误差在20cm以内。潮位模拟结果和实测结果总体吻合较好，数值模拟结果可信。

3.2 潮流验证

图4（a）—图4（f）分别是威海北部海域海流观测点1号—6号站位流速、流向模拟值与实测值比较图。可以看出，除5号站位以外，与实测结果相比，各站位潮流流速的最大误差基本小于0.2m/s，涨潮过程、落潮过程、转流时刻的相位误差均小于1h，流速和流向数值模拟结果与实测资料相比基本一致［20］，吻合较好。5号站大部分时刻的实测值较凌乱，导致该站位模拟结果吻合度一般。

以上潮位和潮流验证结果表明，潮流场模拟结果与实测结果的潮位高度、涨落潮趋势、涨落潮流速均较为一致，模拟结果可靠，能够较好地反映研究海域的潮流状况［21 22］。

4 潮流计算结果分析

图5为研究海域大潮期高潮、落急、低潮、涨急时刻潮流场分布图。从图中可以看出，计算海域整体基本为NW—SE方向的往复流。

涨潮时，潮流自成山头以东海域流入，沿SE—NW方向流经研究海域，并向NW方向流出，沿岸海域基本为自E向W的顺岸流。成山头附近最大流速可达0.9～1.1m/s，研究区域内离岸海域最大流速范围基本在0.3～0.8m/s，沿岸海域流速较小，基本小于0.2m/s。

落潮时潮流方向与涨潮时相反，沿NW—SE方向流经研究海域，并向SE方向往成山头以东流出，沿岸海域基本为自W向E的顺岸流。成山头附近最大流速可达0.9～1.2m/s，研究区域内离岸海域最大流速范围基本在0.36～0.85m/s，沿岸海域流速较小，基本小于0.2m/s。

高潮时和低潮时潮流处于转向时刻，流速很小，普遍小于0.15m/s。

潮流场模拟结果受岸线地形和水深条件、观测资料的准确性和细致程度等因素影响，同时受资料限制，本研究未考虑海表面风场对表层潮流的影响。在后续研究中可通过获取更为细致的水深地形条件、更为准确的观测资料，并在此基础上进行模型的优化，可进一步提升模拟结果的准确性和可靠性。

5 结论

采用MIKE21FM平面二维数值模型对威海市东部滨海新城北部海域建立了数值模型，对水动力环境进行了细致研究，得出以下结论：

（1）威海滨海新城北部海域潮汐类型主要以不正规半日潮为主，仅在成山角东北海域出现一小范围的全日潮区域。

（2）研究区海流主流向均为偏NW—SE向，其中涨潮流向以NW向为主，落潮流向以SE向为主，且离岸海域涨潮期间和落潮期间的流速大小基本一致。

（3）研究区海域表底层水体垂向差异较小，水体垂向混合强烈。

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Numerical Simulation of Tidal in Northern Sea Area    in Binhaixincheng in Eastern Weihai City

WANG Yulian1， ZHANG Kun2， WANG Zhenxing3， GAO Guang4， WANG Man1

（1.No.6 Geological Brigade of Shandong Provincal Bureau of Geology and Mineral Resources， Shandong Weihai 264209， China; 2.Qingdao Zhonghaichangyang Environmental Technology Limited Corporation，Shandong Qingdao 266100，China; 3.Lu'nan Geo engineering Exploration Institute， Shandong Ji'ning 272100， China; 4.Weihai Marine and Fishery Monitoring and Disaster Reduction Center， Shandong Weihai 264209， China）

Abstract：  As the new administrative center of Weihai city， Binhaixincheng in eastern coastal area is a modern and excellent new city which is strived to build. It is suitable for living， working， traveling and learning. In this paper， the two dimensional MIKE21FM plane numerical model has been used to study the flow field movement in the northern sea area of Binhaixing in eastern Weihai city， and the stratified flow direction measured data have been used to verify the model. It is showed that the numerical simulation results of flow velocity and flow direction in the study area are basically consistent with the measured data.

Key words：  Tidal; MIKE21FM; numerical simulation; Binhaixincheng; eastern Weihai city