黃河三角洲區(qū)域的波流相互作用數值分析

張 敬, 楊利利, 谷學準, 梁丙臣

(1. 中國海洋大學 工程學院, 山東 青島 266100; 2. 海洋石油工程(青島)有限公司, 山東 青島 266520)

黃河三角洲區(qū)域的波流相互作用數值分析

張 敬1, 楊利利1, 谷學準2, 梁丙臣1

(1. 中國海洋大學 工程學院, 山東 青島 266100; 2. 海洋石油工程(青島)有限公司, 山東 青島 266520)

將三維水動力-生態(tài)模式COHERENS與第三代波浪模式SWAN結合起來, 采用該耦合模式數值計算了黃河三角洲的波浪特征波高與特征周期情況, 從而探討水流和波動水位對波浪特征波高和特征周期計算結果的影響?？偟恼f來特征波高、特征周期、流速的計算結果與觀測值吻合得較好, 說明了COHERENS模式和SWAN模式相結合而成的波流耦合模式能夠較好地計算黃河三角洲地區(qū)的流場與浪場情況。研究這些動力因素的機制和時空變化規(guī)律, 對于研究海岸、河口的泥沙運動, 海岸侵蝕的機理, 合理開發(fā)利用自然資源, 防止海洋災害具有十分重大的意義。

COHERENS模式; SWAN模式; 黃河三角洲; 波流耦合

黃河三角洲屬于典型的淺海區(qū)域, 波流相互作用顯著。因此有很多有關波流相互作用的研究且考慮波流耦合的數值模式也相應地發(fā)展起來。楊聯(lián)貴等[1]考慮了均勻剪切流場中強非線性界面, 揭示了波流之間的非線性相互作用和界面波解之間的非線性相互作用; Yin等[2]利用二維水動力與波浪耦合模式討論了波流相互作用對床面剪切應力的影響; Lin等[3]耦合了波浪模型和二維水動力模型并討論了波浪沿水深方向均勻分布的輻射應力對波高、水位的影響, 這些研究在很大程度上改善了海岸、河口地區(qū)流場與浪場計算的精度。作者將三維水動力生態(tài)模型COHERENS模式引入Donelan[4]提出的波浪依賴的拖曳力系數理論, 同時在底部邊界層考慮 Davis等[5]所提出的波流相互作用模式來考慮波浪對流場的影響[6,7], 同時又將水動力所得出的水位、水流場提供給第三代海浪產生模型 SWAN模式, 使得波浪模式中考慮了流場因素。耦合計算實現(xiàn)的方式考慮到波浪與潮流周期存在量級差, 采用目前比較可行的方式： 首先因為潮流周期比波浪周期大得多, 因此在計算波浪時可將某一時間段內的流場、水位場看作恒定值, 將水動力模式輸出的流場、水位場作為波浪場的輸入, 其次由于波浪的周期較小, 因此不關心波浪運動的瞬時變化而只考慮波浪場的作用,這樣波浪模式將在流場、水位場影響下計算所得的波浪相關參數輸出給流場計算模式。本文探討與分析波流聯(lián)合作用對波浪與水流計算的影響, 比較了在不同風速情況下波流耦合的效應, 以及水流和水位場對波浪的影響。

1 波、流數值模式設置

首先, 本文以渤海及北黃海地形數據為第一依托海域, 分別采用時空均勻的風速為10, 20 m/s的東北風以及大氣模式MM_5產生的以小時為分辨率的風場數據作為驅動風場, 模擬水流與波浪, 然后, 再將位于渤海西側的黃河三角洲濱海海域作為第二依托區(qū)域, 模擬該海域的波浪、水流場, 第二依托海域的地形為圖1。在第一海域波、流分別計算, 不考慮耦合影響, 正壓模式時間步長取30 s, 斜壓模式采用300 s時間步長, SWAN計算時間步長為600 s。水動力模式的水位與水流初始條件都取0。在正式模擬之前先模擬3 d的流場, 然后與波浪模式耦合, 以期獲得穩(wěn)定解。4個主要分潮K1, O1, M2, S2用以提供開邊界條件。在第二海域, 采用嵌入第一海域嵌套的方法,為第二海域提供了波浪與水流的開邊界條件。

在黃河三角洲海域, 風場采用位于118o49′23.59″ E, 38o11′46.15″N 處的 1999 年 11 月 24～27日期間的每小時實測風速。此外, 該位置在同一時期還觀測了流速、流向以及特征波高與特征周期,本節(jié)將首先利用這些流速、流向以及波浪參數資料進行模擬結果驗證, 從而保證后面進行波流耦合各個因素影響的分析時, 能夠保證其前提是正確的。本文探討波、流的相互作用影響, 主要是針對在第二海域的水流與波浪相互作用情況進行研究、分析。數值試驗的設置簡介如下：

在第一海域波、流分別計算, 不考慮耦合。4個主要分潮K1, O1, M2, S2用以提供開邊界條件。采用嵌入第一海域的方法為第二海域提供了波浪與水流的開邊界條件。試驗模式采用引入輻射應力、波浪依賴的表面風應力以及波浪影響下的底部剪切應力的COHERENS模式與波浪模式SWAN相結合。

圖1 2000年黃河三角洲水深地形圖Fig. 1 The topography of the Yellow River Delta in 2000

2 結果驗證及均勻風場情況下的波流相互作用影響分析

2.1 流速、流向以及特征波高、特征周期驗證

作者首先分別計算了具有波、流耦合情況和不具有波、流耦合情況下的流速、流向以及波浪特征波高與特征周期, 圖2為流速、流向的驗證結果, 從該圖中可知流速、流向計算結果都與觀測結果比較吻合。特征波高、特征周期的驗證圖 3顯示了波浪的計算結果也比較理想, 現(xiàn)有的差異可能來自于風場是利用一點的觀測資料代替整個三角洲海域風場資料、觀測儀器的誤差以及模擬計算網格點與觀測點不重合等因素所造成的。比較有無耦合效應兩種情況可見具有耦合效應的情況大大改善了波高和周期“高值”的計算結果, 這一點可參考該圖中模擬期間的前6 h以及25～30 h時間段, 在該時間段內, 考慮波、流耦合效應的波高與周期都比沒有考慮耦合效應的情況增加明顯, 且更為接近觀測結果。因此,波流耦合效應大大改善了較強波浪條件下的波浪計算結果, 工程項目的計算波浪應該考慮到波流耦合效應能夠產生更強的波浪條件, 因此考慮波流耦合的波浪計算尤為重要。為更好地說明波流耦合效應對不同風速以及不同水深的反應, 本文根據該海域的強風向東北風分別設計了10, 20 m/s以及西南風為10 m/s 3種不同風速條件下的數值模型試驗。

圖2 流速與流向驗證時程曲線Fig. 2 Time series of verification for velocity and derection

圖3 特征波高與特征周期驗證時程曲線Fig. 3 Time series of verification for significant wave height and period

2.2 均勻風場情況下的波、流相互作用

分別比較了在不同風速情況下波流耦合效應的影響。圖4, 圖5分別是東北風風速為10 m/s, 20 m/s情況下的特征波高和特征周期計算結果時程圖。這兩幅圖形都分別給出了水深為2.3, 7.0, 22.5 m計算結果, 根據這些圖形可知, 風速為10 m/s的情況下,波、流耦合僅對水深為2.3 m的波高和周期影響較為明顯, 其中考慮耦合效應的波高波動幅度增加, 使得波動的“波峰”值超過沒有考慮耦合效應的波高計算結果, 而周期雖呈現(xiàn)有大有小的波動變化, 不過總體來說考慮耦合效應的周期計算結果有明顯減小的趨勢。當水深達到7.0 m或更深時, 耦合效應對波高幾乎沒有影響, 但周期仍有明顯減小的趨勢。當風速進一步增加到 20 m/s時, 在各個水深(2.3, 7.0,22.5 m)處, 耦合效應無論對波高還是對周期都有明顯的作用, 使得2.3 m水深處的波高計算值的波動幅度增加非常明顯, 增加值甚至達到 0.5 m, 接近沒有考慮耦合效應的0.3倍, 而該處的耦合作用影響下的波浪周期則增減相間, 而且仍存在減小的趨勢。與10 m/s的風速不同, 20 m/s風速情況下的耦合效應也明顯增加了在7 m以及更深的22.5 m處的波高波動幅度, 只是增加程度較淺水區(qū)有所減小?？梢?0 m/s的風速能夠產生受海底影響較大的波浪。此外, 就耦合作用對波浪周期的影響而言, 隨著水深的增加,耦合作用仍如在淺水區(qū)一樣, 同樣使得周期減小,只是使得周期計算結果的波動幅度呈逐漸減小趨勢?？傮w來說, 耦合效應使得波高計算呈現(xiàn)大小變化的波動情況, 且明顯增加水深較淺處的波高“高值”的計算結果, 減小了水深較深處的波浪周期, 這一點說明水深較淺處, 波動的水位通過改變水深從而對波高起著非常重要的作用, 而水深較深處, 波動水位的影響減小, 但水流的存在總體來說卻仍使得波浪周期小于沒有考慮水流情況下的周期, 只是周期大小波動的幅度隨著水深的增加而減小。

圖4 東北風風速為10 m/s的特征波高、周期計算結果Fig. 4 Time series of significant wave height and period with northeast wind speed of 10m/s

圖5 東北風風速為20m/s的特征波高、周期計算結果Fig. 5 Time series of significant wave height and period with northeast wind speed of 20m/s

圖 6分別是只考慮水流和只考慮波動水位的波浪特征波高與周期計算結果。 圖6中顯示水深2.3 m時波動水位使得波高不再為常值, 而是呈現(xiàn)出增減相間的波動情況, 這與圖7的水位增減剛好對應。比較這兩個圖形可以發(fā)現(xiàn), 當水位增加時, 相應的特征波高也比不考慮水位情況有所增加。當水深增加到7 m以上時, 水位的波動對波高的影響減小, 但仍使得波浪周期呈現(xiàn)波動變化且總體來說有所減小。水流對周期影響也是如此, 水流的存在使得周期不再保持常值不變, 而是成為大小相間的波動情況,但是水流對波高影響卻相對較小, 只是在2.3 m水深的5～10h時間段內有很微弱的減小?？墒? 水流對周期的影響明顯, 使得周期在任何水深情況下都減小,只是周期的計算值變化幅度隨水深的增加而逐步變小, 甚至保持為常值不變。

圖6 東北風風速為10 m/s的特征波高、特征周期計算結果Fig. 6 Time series of significant wave height and period with northeast wind speed of 10m/s

圖7 東北風風速為10 m/s情況下的水位波動計算結果Fig. 7 Time series of water level fluctuation with northeast wind speed of 10 m/s

圖8 是西南風風速為10 m/s情況下的考慮波、流耦合作用和沒有考慮耦合作用的特征波高和特征周期計算結果, 圖9為只考慮水流、波動水位和沒有考慮任何兩者影響的特征波高和特征周期計算結果。比較圖9與圖7可見水深2.3 m處波高波動的增減變化與水位波動的增減變化也剛好對應, 也是水位增加時波高增加。再比較圖8與圖9可見, 波高的波動在兩圖中表現(xiàn)相似, 這也說明波高的改變主要受控于波動的水位。水流對波高的影響與東北風情況一樣, 也是影響很小, 不過水流對周期的影響與東北風情況剛好相反, 比較圖6與圖9可知水流影響下的周期計算結果波動(虛線所示)增減區(qū)間剛好相反。

圖8 西南風風速為10m/s的特征波高、周期計算結果Fig. 8 Time series of significant wave height and period with southwest wind speed of 10m/s

圖9 西南風風速為10 m/s的特征波高、周期計算結果Fig. 9 Time series of significant wave height and period with southwest wind speed of 10 m/s

為更好地展示說明水流和水位場對波浪的影響,本文給出了在10 m/s的東北風作用下, 分別單獨考慮水流和水位影響下與沒有考慮這兩種影響的波浪特征波高和特征周期差異分布圖(均為考慮水流或周期影響的特征波高、特征周期減去沒有考慮這兩種因素的結果)。圖10至圖11分別展示了分別只考慮水位和水流情況的特征波高差異分布圖。圖12為與以上兩圖(圖10至圖11)為同一時刻所對應的流場分布和水位波動圖。圖10顯示在該時刻水位波動使得三角洲沿岸北部和東部的近岸海域的特征波高增幅明顯, 尤其是在東北角近岸海域增幅超過0.15 m。但是,在離岸較深的海域大部分區(qū)域特征波高都沒有變化,只是在東部邊界和北部邊界附近有小部分海域特征波高值有所增加, 這可能是由于 SWAN模型邊界處理不很理想的影響所造成的。圖11則顯示除邊界附近、三角洲西南海灣內(北緯 37.6°)以及其他海岸附近等海域特征波高增加外, 其余海域都為減小區(qū)域。部分區(qū)域波高增加的原因筆者認為是由于受邊界影響或近岸復雜地形使得SWAN的繞射功能不強所引起的。特征周期則僅在三角洲西南海灣內(北緯37.6°)有小部分海域增加外, 其余海域均小于沒有考慮水流情況。這是由于在東北風作用下該海域受三角洲突出沙嘴的掩護使得波浪不能更好地傳播到該海域所致。從圖12流場分布和水位波動分布可以得出在水深較淺的區(qū)域水位變化為增加時, 該區(qū)域也表現(xiàn)為波高增加區(qū)域。

3 結論

圖10 水位波動引起的特征波高差異分布Fig. 10 Different significant wave height distribution induced by water level fluctuation

圖11 水流引起的特征波高差異分布圖Fig. 11 Different significant wave height distribution induced by water current

圖 12 某時刻流場分布和自由水面與基準面距離圖(與圖10～11時刻一致)Fig. 12 Current flied and distrbution of distance between surface level and base level (at the same time as fig 10～11)

本文從黃河三角洲的數值結果研究發(fā)現(xiàn), 通過COHERENS模型與第三代波浪模式SWAN的相結合計算所得的特征波高、特征周期、流速與實測結果較為吻合, 說明該模式能夠產生較為理想的結果。通過該模式數值分析可見變化的水流場和水位場的存在明顯改變了波浪場的特性, 在淺水區(qū)增加了特征波高“高值”的計算結果, 在深水區(qū)減小了波浪特征周期的計算值。這說明了, 淺水區(qū)主要受水深地形的影響, 使得波動水位場的作用變得更加顯著, 總體上對波高“高值”的計算結果起到了明顯的提升作用。深水區(qū)由于水深的增加而使得波動水位場的影響減弱, 但此時流速場則主要影響了波周期, 而對波高影響卻不明顯。

[1] 楊聯(lián)貴, 楊紅麗, 宋金寶, 等. 剪切流中界面波的二階 Stokes 波解[J]. 海洋科學, 2008, 32(8)： 58-63.

[2] Yin Baoshu, Yang Dezhou, Lin Xiang,et al. Effects of wave-current interactions on bottom stress and currents[J]. Journal of Hydrodynamics, Ser B, 2003,15(5)： 13-19.

[3] Lin Xiang, Yin Baoshu, Hou Yijun,et al. The effects of radiation stress on wave heights and sea level in the interaction of coupled wave-tide-surge in the coastal area[J]. Journal of Hydrodynamics, Ser B, 2003,15(1)： 97-102.

[4] Donelan M A, Dobson F W, Smith S D,et al. On the dependence of sea surface roughness on wave development[J]. Journal of Physical Oceanography, 1993,23： 2143-2149.

[5] Davies A M, Lawrence J. Examining the influence of wind and wind wave turbulence on tidal currents, using a three-dimensional hydrodynamic model including wave-current interaction[J]. Journal of Physical Oceanography, 1994, 24： 2441-2460.

[6] Liang Bingchen, Li Huajun, Dongyong Lee. Numerical study of wave effects on surface wind stress and surface mixing length by three-dimensional circulation modeling[J]. Journal of Hydrodynamics, Ser B, 2006,18(4)： 397-404.

[7] 李昌良, 梁丙臣, 謝媛媛. 榮喜近岸區(qū)波流耦合作用下的流場模擬[J].海洋科學, 2009, 7： 99-106.

Numerical analysis of mutual influence between wave and current in the Yellow River Delta

ZHANG Jing1, YANG Li-li1, GU Xue-zhun2, LIANG Bing-chen1
(1. Collegue of Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. Offshore Oil Engineering(Qingdao) Company, Limited, Qingdao 266520, China)

Jan., 30, 2009

COHERENS; SWAN; the Yellow Rive Delta; wave-current coupling

There are obvious functions of wave-current coupling in coastal and estuarine zones, so it is recommended strongly to account for such interaction when wave or current is simulated. In the present work,three-dimensional hydrodynamic model COHERENS is coupled with the third generation wave model SWAN. The obtained model by combining COHERENS and SWAN is named as COHERENS-SWAN and it is used to simulate wave and current in the Yellow River Delta. The effects of current and water level on wave are discussed. There are good agreements with measurement for significant wave height and significant wave period generally, which demonstrates the effectiveness of COHERENS-SWAN in the simulation of wave and current in the Yellow River Delta.

P731.22; P722.4; O242

A

1000-3096(2010)09-0064-06

2009-01-30;

2010-07-23

國家自然科學基金(50809065); 山東省自然科學青年基金(Q2007E05)

張敬(1983-), 女, 山東聊城人, 博士生, 主要從事海岸、河口區(qū)水動力研究, 電話： 13964229034, E-mail： zhangjing01107@163.com;梁丙臣, 通信作者, E-mail： liangbingchen6@yahoo.com.cn

(本文編輯： 劉珊珊)