舟山特定海域三維水流數值模擬研究*

秦華偉，蔡真，周紅偉，胡杭民

（1.杭州電子科技大學機械電子工程研究所，浙江杭州310018；2.國家海洋局第二海洋研究所海底科學重點實驗室，浙江杭州310012）

0 引言

舟山群島是我國第一大群島，附近海域西連杭州灣，北接長江口，東臨東海；水深地形多變、島嶼眾多，水動力條件復雜［1］。同時舟山海域也是全國著名的強潮海區(qū)，部分水道漲退潮流速度可達2 m/s～3 m/s，其中蘊含了豐富的潮流能，特別是金塘水道、龜山航門、西候門水道等均為全國潮流能能量密度最大的地區(qū)［2］。舟山群島海域沿岸有26處潮流能資源最佳區(qū)，8處資源較佳區(qū)，11處資源可利用區(qū)，在其海域內可裝機容量可達63 500 kW，年發(fā)電量達到1.17×109kWh［3］。故研究舟山海域的速度場特征，對解決舟山海域潮流能發(fā)電及其附近各類海洋環(huán)境都有著重要意義。

馬啟南［4］等建立了基于σ變換和內外模式分裂技術三維水流數學模型，對方程進行離散后，并對所建模型進行校驗，將該模型應用到杭州灣的三維水流數值模擬中，取得良好的效果；壽瑋瑋等［5］利用ECOM模型模擬了舟山群島附近海域流場和三維水動力的特征，模擬結果與實測數據符合。

現有分析多數為杭州灣或舟山群島大范圍海域，而缺少專門針對某一具體海域的研究成果。在大范圍海域計算中，常采用忽略某些小島或近似島嶼邊界線等方法，提高計算效率及簡化網格劃分的難度。而本研究詳細繪制每一座島嶼，同時采用更小的網格尺寸（每格長度為1 m）對計算區(qū)域進行劃分，采用數值模擬與現場數據測試兩種方法相結合，對舟山特定海域流速進行模擬，以建立該海域模型。

1 網格劃分與實測數據獲取

本研究數值模擬計算海域如圖1所示，該海域位于舟山島與寧波穿山半島之間。筆者共取5個潮流進出口，使其形成一個封閉的計算域，并進行網格劃分，在深度方向上采用均分層法將其分成16層。由于島嶼岸邊的深度減小，需要優(yōu)化邊界網格：對其進行細化拉伸處理，將所有邊界線向陸地方向拉伸5 m，水深為1 m，總共4個單元，并且使每個網格寬度均以1.2倍率進行縮小。

圖1 所研究區(qū)域地理位置及走航軌跡

本研究利用走航式ADCP，從定海港出發(fā)，按圖1線路航行，以獲取該剖面的實際流速，在ADCP進行流速測量的同時，利用GPS定位系統輔助工作以確定ADCP經、緯度。所得流速原始數據如圖2所示，圖中黑色曲線輪廓為測速軌跡（與圖1中走航軌跡相對應），其中軌跡上每一點的箭頭均代表ADCP在該點處所測得的速度矢量。通過對每個進出口范圍內的所有測量點的流速取均值，得到該海域速度數據：V1=1.07 m/s，V2=0.37 m/s，V3=0.28 m/s，V4=0.67 m/s，V5=0.52 m/s。

圖2 所采集到的實驗數據

本研究分別求出各入口和出口的湍動能κ、湍動耗散率ε、比耗散率，其大小如表1所示。

表1 各出入口參數

2 計算與結果分析

本研究的模擬采用k-ω模型，材料模型選用計算所得海水模型，其中海水密度由公式［6］得ρ=1 022.921 kg/m3，動力粘度μ=0.951×10-3Pa·s。計算環(huán)境壓力P=101 325 Pa，重力條件在z方向上設置為-9.8 m/s2。

漲潮時，取東邊1、2、3口為速度入口，西邊4、5口為壓力出口；退潮時，取西邊4、5口為速度進口，東邊1、2、3口為壓力出口，速度進口處均采用平均流速。設海表面、海岸邊界和海底面的粗糙度為0.05。

圖3 漲潮時流速標量云圖

圖4 漲潮時摘箬山南部放大流速矢量圖

漲潮過程中，水深0.5 m剖面上的流速標量云圖如圖3所示；摘箬山島南部海域流速矢量局部放大圖如圖4所示。從圖4中可以看出，漲潮時，水流從進口1、2、3流入，其中螺頭水道東段為主要進口，其流速和流量較大，速度約為1.0 m/s～1.2 m/s，且流向角度穩(wěn)定在261°～309°，流速發(fā)展充分，另一支流沿螺頭水道向西，流速約為1.2 m/s～2.0 m/s，流速相較之前略有增強；其中一支沿摘箬山島北上，流速約為0.4 m/s～1.0 m/s。該海域最高流速出現在摘箬山島和小貓山南部海域，流速約為1.6 m/s～2.0 m/s，該結果與李身鐸等［7-8］模擬結果接近。由于這兩處均處于螺頭水道主槽區(qū)邊緣，海底地形均為東邊高于西邊，潮水從東向西流入時，形成了流急特性，故流速較高。

退潮過程中，水深0.5 m剖面上的流速標量云圖如圖5所示；穿山半島最東段流速矢量局部放大圖如圖6所示。從圖6中可以看出，退潮時，水流從4、5口流入，螺頭水道西段為主要入口，流量較大，速度可達0.8 m/s～1.2 m/s，且流向角度基本在86°～118°，最高流速出現于螺頭水道東段和穿山半島北側，約為1.5 m/s～2.1 m/s。由于長柄嘴為穿山半島北部的一個岬角，其海底坡度較陡，在退潮時，海水自西向東流入至岬角時，水流的速度有所增大，同時在該處產生強度及大小不等的回流，這一現象與許雪峰等［9］的研究結果一致。在摘箬山島和大盤峙島，以及東岠島和長峙島之間的群島區(qū)域水道眾多，潮流流向狀況復雜，但相對于螺頭水道流速要小得多。

圖5 退潮時流速標量云圖

圖6 退潮時寧波穿山半島北部放大速度矢量圖

3 結束語

（1）通過本次模擬計算可知，漲潮時的最高流速1.6 m/s～2.1 m/s出現在摘箬山島和小貓山南部海域，退潮時的最高流速1.5 m/s～2.1 m/s出現在寧波穿山半島長柄嘴的北側和螺頭水道東段的出口邊界處，該數據與實測值相符，本次模擬所得的模型精度符合要求，可用于工程實踐中。

（2）通過模型獲得舟山海域的定點流速，可用于潮流能計算。對模型進行進一步修改后，可用于該海域水動力特性的模擬以及海水潮汐流中物質移動擴散的計算，對開發(fā)港口、維護航道及建造海洋建筑物有指導作用［10］。

（3）在ADCP走航試驗中，由于各點流速均不是在同一時刻采集的，不能保證同時性，但由于每個出、入口的流速點測量時間較近，故本研究在數值模擬過程中對出、入口速度進行了平均處理。

（4）由于本次模擬并沒有考慮風力、波動等外界因素的影響，計算結果仍存在一定的誤差。

（

）：

［1］壽瑋瑋.舟山群島附近海域水動力特征及其對物質輸運的影響分析［D］.青島：中國海洋大學海洋地球科學學院，2009.

［2］王智峰，周良明，張弓賁，等.舟山海域特定水道潮流能估算［J］.中國海洋大學學報，2010，40（8）：27-33.

［3］王兆忠，李偉朝，王定元.舟山群島新能源開發(fā)利用現狀和前景［J］.可再生能源，2009，27（4）：112-114.

［4］馬啟南，陳永平，張金善，等.杭州灣的三維水流數值模擬［J］.海洋工程，2001，19（4）：58-66.

［5］壽瑋瑋，吳建政，胡日軍，等.舟山群島附近海域三維水動力數值模擬［J］.海洋地質動態(tài)，2009，25（11）：1-9.

［6］CHEN C T，MILLERO F J.The equation of state of seawater determined from sound speeds［J］.Journal of Marine Research，1978，36（4）：657-691..

［7］李身鐸，胡輝，黃麗萍，等.杭州灣M-2潮的數值模擬［J］.海洋學報，1986，8（2）：232-241.

［8］楊隴慧，朱建榮，朱首賢.長江口杭州灣及鄰近海區(qū)潮汐潮流場三維數值模擬［J］.華東師范大學學報，2001（3）：74-84.

［9］許雪峰，施偉勇，孫志林，等.穿山半島北側近岸“回流”現象的二維數值模擬［J］.海洋學研究，2011（1）：84-89.

［10］胡日軍.舟山群島海域泥沙運移及動力機制分析［D］.青島：中國海洋大學海洋地球科學學院，2009.