王玉蓮 張坤 王振興 高興 王嫚

摘要： 山東省威海市濱海新城作為威海市的新行政中心，是威海市著力打造的宜居、宜業(yè)、宜游、宜學(xué)的現(xiàn)代化卓越新城。本文采用MIKE21FM平面二維數(shù)值模型研究威海市濱海新城北部海域的潮流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，并以分層流速流向?qū)崪y(cè)資料對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，研究區(qū)潮流場(chǎng)流速和流向數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)資料變化基本一致。

關(guān)鍵詞： 潮流；MIKE21FM；數(shù)值模擬；濱海新城；山東威海

中圖分類號(hào)： U652.3 ????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ???doi：10.12128/j.issn.1672 6979.2023.03.014

引文格式： 王玉蓮，張坤，王振興，等.山東威海濱海新城北部海域潮流數(shù)值模擬研究［J］.山東國(guó)土資源，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

威海市地處山東半島最東端，北、南、東三面瀕臨黃海，北與遼東半島相對(duì)，西與煙臺(tái)市接壤，東與朝鮮半島相望［1 2］。該區(qū)地處中緯度，屬于北溫帶季風(fēng)型大陸性氣候，四季變化和季風(fēng)進(jìn)退都較明顯，與同緯度的內(nèi)陸地區(qū)相比，具有雨水豐富、年溫適中、氣候溫和的特點(diǎn)［3］。威海市東部濱海新城作為威海市的新行政中心，是威海市著力打造的宜居、宜業(yè)、宜游、宜學(xué)的現(xiàn)代化卓越新城。

研究區(qū)位于威海市濱海新城北部海域，潮汐類型主要以不正規(guī)半日潮為主，僅在成山角東北海域出現(xiàn)一小范圍的全日潮區(qū)域。海流主流向均為偏NW—SE向，其中漲潮流向以NW向?yàn)橹?，落潮流向以SE向?yàn)橹鳌１疚耐ㄟ^(guò)2021年10月23日—10月24日潮流實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究區(qū)的潮流數(shù)值模擬研究。

1 潮流模型簡(jiǎn)介

采用MIKE21FM平面二維數(shù)值模型［4］研究威海市東部濱海新城北部海域潮流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，MIKE21FM模型是由丹麥水力研究所開(kāi)發(fā)［5］，用于對(duì)河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙等的模擬［6］，在國(guó)內(nèi)外都得到了廣泛應(yīng)用。模型采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格剖分計(jì)算域［7］；采用標(biāo)準(zhǔn)Galerkin有限元法進(jìn)行水平空間離散，在時(shí)間上采用顯式迎風(fēng)差分格式離散動(dòng)量方程與輸運(yùn)方程［8］。

1.1 模型控制方程

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

動(dòng)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—靜水深；H—總水深，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—科氏力參數(shù)（f=2ω sin φ，φ為計(jì)算海域所處地理緯度）；CZ—謝才系數(shù)，CZ= 1 n H 1 6 ，n—曼寧系數(shù)；εx、εy—x、y方向水平渦動(dòng)粘滯系數(shù)。

1.2 定解條件

初始條件： ??ζ（x，y，t）｜t=t0=ζ（x，y，t0）=0 u（x，y，t）｜t=t0=ν（x，y，t）｜t=t0=0

邊界條件：開(kāi)邊界采用《渤、黃、東海海洋圖集——水文分冊(cè)》中4個(gè)主要分潮（K1、O1、M2、S2）的潮汐調(diào)和常數(shù)進(jìn)行預(yù)報(bào)［9］。

潮位預(yù)報(bào)方程為： ?η（t）=∑ N i=1 Ai（t）αi cos （ωit+fi+Fi（t））

式中： η（t）—水位，ωi—第i個(gè)分潮的潮汐角頻率，αi和fi分別為第i個(gè)分潮的振幅和遲角，Ai（t）和Fi（t）則分別為第i個(gè)分潮的振幅和遲角修正因子［10］。

2 計(jì)算域和網(wǎng)格設(shè)置

2.1 計(jì)算域設(shè)置

本項(xiàng)目所建立的海域數(shù)學(xué)模型計(jì)算域范圍見(jiàn)圖1［11］。模擬采用三角網(wǎng)格，用動(dòng)邊界的方法對(duì)干、濕網(wǎng)格進(jìn)行處理［12］。整個(gè)模擬區(qū)域內(nèi)由10672個(gè)節(jié)點(diǎn)和20411個(gè)三角單元組成，最小空間步長(zhǎng)約為20m。計(jì)算海域數(shù)值模擬網(wǎng)格分布見(jiàn)圖2。

2.2 水深和岸界

水深選取前人制作的海圖資料［13］。岸界采用以上海圖中岸界和附近海域最新遙感影像資料。

2.3 計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)和底床糙率

模型計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)根據(jù)CFL條件進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，確保模型計(jì)算穩(wěn)定進(jìn)行［14］，最小時(shí)間步長(zhǎng)1s。底床糙率通過(guò)曼寧系數(shù)進(jìn)行控制［15］，曼寧系數(shù)n取32～55m1/3/s。

2.4 水平渦動(dòng)粘滯系數(shù)

采用考慮亞尺度網(wǎng)格效應(yīng)的Smagorinsky（1963）公式計(jì)算水平渦粘系數(shù)［16］，表達(dá)式如下： ?A=cs2l2 2SijSij

式中： cs—常數(shù)；l—特征混合長(zhǎng)度［17］；Sij為網(wǎng)格變形率，由Sij= 1 2 （ ?ui ?xj + ?uj ?xi ）（i，j=1，2）計(jì)算得到［18］。

3 模型驗(yàn)證

為評(píng)估潮流模型的準(zhǔn)確性，在計(jì)算域內(nèi)選取2個(gè)潮位觀測(cè)站位和6個(gè)潮流觀測(cè)站位的觀測(cè)資料對(duì)潮流模型進(jìn)行驗(yàn)證。

其中，潮位觀測(cè)資料來(lái)源于國(guó)家海洋科學(xué)數(shù)據(jù)中心公布的威海和成山角2個(gè)站位的實(shí)測(cè)潮汐數(shù)據(jù)；潮流觀測(cè)資料為實(shí)測(cè)，觀測(cè)時(shí)間為2021年10月23日12：00～24日13：00（農(nóng)歷九月十八—十九，大潮期）。驗(yàn)證點(diǎn)位置見(jiàn)圖3、表1。

根據(jù)潮流觀測(cè)資料，各站位的平均流速為0.275～0.455m/s。從各站實(shí)測(cè)海流資料中，提取了大潮期間各站各層及各站垂向平均的漲、落潮流向平均流速、流向和漲、落潮流的最大流速、流向（表2），1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)和6號(hào)站位實(shí)測(cè)海流表現(xiàn)為較強(qiáng)的往復(fù)性流動(dòng)（圖4、圖5）［19］，海流主流向均為偏NW—SE向，其中偏NW向?yàn)闈q潮流向，偏SE向?yàn)槁涑绷飨颍?號(hào)和5號(hào)受近岸地形影響，隨漲落潮的往復(fù)性流動(dòng)不是很明顯。

6個(gè)站位水體在整體上呈垂向分布，表底層水體垂向差異較小，垂向混合較為均勻。6號(hào)站的垂向平均流速最大，1號(hào)站的垂向平均流速最低。漲潮流以NW向?yàn)橹?，最大漲潮流速位于5號(hào)站，可達(dá)1.518m/s；落潮流以SE向?yàn)橹鳎畲舐涑绷魉僖灿?號(hào)站，最高達(dá)1.710m/s。

3.1 潮位驗(yàn)證

圖3為威海站和成山角站2個(gè)站位的潮位驗(yàn)證曲線。可以看出，模擬得到的潮汐漲潮歷時(shí)、落潮歷時(shí)與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，且高潮時(shí)刻和低潮時(shí)刻與實(shí)測(cè)結(jié)果的相位差不超過(guò)1小時(shí)；潮位模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果的最大絕對(duì)誤差在20cm以內(nèi)。潮位模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果總體吻合較好，數(shù)值模擬結(jié)果可信。

3.2 潮流驗(yàn)證

圖4（a）—圖4（f）分別是威海北部海域海流觀測(cè)點(diǎn)1號(hào)—6號(hào)站位流速、流向模擬值與實(shí)測(cè)值比較圖。可以看出，除5號(hào)站位以外，與實(shí)測(cè)結(jié)果相比，各站位潮流流速的最大誤差基本小于0.2m/s，漲潮過(guò)程、落潮過(guò)程、轉(zhuǎn)流時(shí)刻的相位誤差均小于1h，流速和流向數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)資料相比基本一致［20］，吻合較好。5號(hào)站大部分時(shí)刻的實(shí)測(cè)值較凌亂，導(dǎo)致該站位模擬結(jié)果吻合度一般。

以上潮位和潮流驗(yàn)證結(jié)果表明，潮流場(chǎng)模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的潮位高度、漲落潮趨勢(shì)、漲落潮流速均較為一致，模擬結(jié)果可靠，能夠較好地反映研究海域的潮流狀況［21 22］。

4 潮流計(jì)算結(jié)果分析

圖5為研究海域大潮期高潮、落急、低潮、漲急時(shí)刻潮流場(chǎng)分布圖。從圖中可以看出，計(jì)算海域整體基本為NW—SE方向的往復(fù)流。

漲潮時(shí)，潮流自成山頭以東海域流入，沿SE—NW方向流經(jīng)研究海域，并向NW方向流出，沿岸海域基本為自E向W的順岸流。成山頭附近最大流速可達(dá)0.9～1.1m/s，研究區(qū)域內(nèi)離岸海域最大流速范圍基本在0.3～0.8m/s，沿岸海域流速較小，基本小于0.2m/s。

落潮時(shí)潮流方向與漲潮時(shí)相反，沿NW—SE方向流經(jīng)研究海域，并向SE方向往成山頭以東流出，沿岸海域基本為自W向E的順岸流。成山頭附近最大流速可達(dá)0.9～1.2m/s，研究區(qū)域內(nèi)離岸海域最大流速范圍基本在0.36～0.85m/s，沿岸海域流速較小，基本小于0.2m/s。

高潮時(shí)和低潮時(shí)潮流處于轉(zhuǎn)向時(shí)刻，流速很小，普遍小于0.15m/s。

潮流場(chǎng)模擬結(jié)果受岸線地形和水深條件、觀測(cè)資料的準(zhǔn)確性和細(xì)致程度等因素影響，同時(shí)受資料限制，本研究未考慮海表面風(fēng)場(chǎng)對(duì)表層潮流的影響。在后續(xù)研究中可通過(guò)獲取更為細(xì)致的水深地形條件、更為準(zhǔn)確的觀測(cè)資料，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行模型的優(yōu)化，可進(jìn)一步提升模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

5 結(jié)論

采用MIKE21FM平面二維數(shù)值模型對(duì)威海市東部濱海新城北部海域建立了數(shù)值模型，對(duì)水動(dòng)力環(huán)境進(jìn)行了細(xì)致研究，得出以下結(jié)論：

（1）威海濱海新城北部海域潮汐類型主要以不正規(guī)半日潮為主，僅在成山角東北海域出現(xiàn)一小范圍的全日潮區(qū)域。

（2）研究區(qū)海流主流向均為偏NW—SE向，其中漲潮流向以NW向?yàn)橹?，落潮流向以SE向?yàn)橹鳎译x岸海域漲潮期間和落潮期間的流速大小基本一致。

（3）研究區(qū)海域表底層水體垂向差異較小，水體垂向混合強(qiáng)烈。

參考文獻(xiàn)：

［1］ ?王武修，竇佩軍，王裕平.青島港外航道潮流場(chǎng)數(shù)值預(yù)報(bào)研究［J］.中外船舶科技，2021（1）：24 29.

［2］ ?袁星芳.威海市地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)［J］.山東國(guó)土資源，2021，37（3）：35 40.

［3］ ?王玉蓮，王振興，鐘振楠.威海市地下水防污性能評(píng)價(jià)［J］.山東國(guó)土資源，2014，30（2）：47 49，53.

［4］ ?王韜翔，徐家棟.污水尾水排放對(duì)地表水環(huán)境影響預(yù)測(cè)分析：以臺(tái)州某污水廠二期工程為例［J］.綠色科技，2020（12）：6.

［5］ ?曾凡.南寧青秀山蠟燭灣水系水動(dòng)力與水質(zhì)效應(yīng)模擬研究［D］.長(zhǎng)沙：中南林業(yè)科技大學(xué)，2015：1 20.

［6］ ?王靜.基于EFDC的胖頭泡蓄滯洪區(qū)洪水演進(jìn)模擬研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2017：1 15.

［7］ ?張盼.萊州灣西南部現(xiàn)代沉積環(huán)境研究［D］.青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2014：1 20.

［8］ ?馬強(qiáng).我國(guó)綠色船廠構(gòu)建研究［D］.大連：大連海事大學(xué)，2017：1 15.

［9］ ?王如云，李慧娟，蔣風(fēng)芝.一個(gè)簡(jiǎn)化的潮汐預(yù)報(bào)準(zhǔn)調(diào)和分析方法［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，37（5）：611 614.

［10］ ?何帥.茅尾海水質(zhì)數(shù)值模擬及環(huán)境容量研究［D］.青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2015：1 15.

［11］ ?呂立功.漳州LNG碼頭工程懸浮物影響預(yù)測(cè)研究［J］.船海工程，2014，43（5）：151 154.

［12］ ?蔡磊，王燕燕，朱宇新.天津港某液體化工碼頭船舶污染影響模擬研究［J］.港工技術(shù)，2021，58（2）：76 80.

［13］ ?張先鋒.靖海灣沉積動(dòng)力環(huán)境研究［D］.青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2013：1 20.

［14］ ?張立奎，吳建政，李巍然，等.萊州灣東北部人工島群建設(shè)對(duì)水動(dòng)力環(huán)境影響的數(shù)值研究.第二十三屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)研討會(huì)暨第十屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議文集［C］.北京：海洋出版社，2011：618 624.

［15］ ?岳英潔，賀志鵬，冷星，等.萊州灣芙蓉島西側(cè)人工魚(yú)礁建設(shè)對(duì)周邊海域潮流場(chǎng)和水交換的影響研究［J］.海洋漁業(yè)，2022，44（1）：9 17.

［16］ ?安永寧，楊鯤，王瑩，等.MIKE21模型在海洋工程研究中的應(yīng)用［J］.海岸工程，2013（3）：10.

［17］ ?陳維，毛晨浩，顧一凡，等.長(zhǎng)江口潮波對(duì)海平面上升的響應(yīng)研究［J］.中國(guó)航海，2022，45（1）：112 119.

［18］ ?朱永威.浙江海島地區(qū)灘涂圍墾資源環(huán)境效應(yīng)研究與分析［D］.鄭州：華北水利水電大學(xué)，2019.

［19］ ?胡甘霖.勝利埕島油田埕北256井區(qū)地形及地質(zhì)分析［C］.北京：中國(guó)石油學(xué)會(huì)，2013：1 20.

［20］ ?吳仁豪，蔡樹(shù)群，王盛安，等.大亞灣海域潮流和余流的三維數(shù)值模擬［J］.熱帶海洋學(xué)報(bào)，2007，26（3）：18 23.

［21］ ?趙洪波，王廣聚.田灣核電站海域潮流場(chǎng)數(shù)值模擬［J］.水道港口，2007，28（1）：5 9.

［22］ ?羅慶，劉麗紅，王雨蒙.MIKE21水動(dòng)力學(xué)模型應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.環(huán)境保護(hù)前沿，2020，10（4）：510 515.

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