浦壩港二維潮流數(shù)值模擬研究

吳松華，章哲華，姚炎明

(1.中交上航局航道建設(shè)有限公司，浙江 寧波 315200；2.浙江大學(xué)港口海岸與近海工程研究所，浙江 舟山 316021)

浦壩港位于浙江省三門縣東南部，港灣深入內(nèi)地.西起花橋鎮(zhèn)紅旗塘，上游羊峙港和花橋港兩支港匯合后，向東南流經(jīng)浬浦、小雄、沿赤、泗淋四個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，注入貓頭洋.東西長(zhǎng)19 km，南北寬約5 km，海域面積72 km2，陸岸線長(zhǎng)56 km.擴(kuò)塘山立于港口口門，將港口分割成南、北兩條水道.南側(cè)白帶門水道長(zhǎng)5.5 km，寬1.2～2 km，水深4～10 m，為出入浦壩港的主航道.北側(cè)牛頭門水道長(zhǎng)5.5 km，寬0.45～1.5 km，水深2.5～5 m，不宜大船通航.港灣兩側(cè)干出灘涂與潮間帶(海涂)54 km2.潮流方向與航道一致，牛頭門漲、落潮流速2.5節(jié)，白帶門漲潮流速1.8節(jié)、落潮流速3節(jié).

按照我國(guó)目前通用的劃分潮汐類型的標(biāo)準(zhǔn)，浦壩港海域潮振動(dòng)主要為外海潮波引起的協(xié)振潮，潮汐以半日潮為主，具有明顯港灣水域的潮汐特征[1].

浦壩港大橋位于浙江省臺(tái)州市三門縣東部浦壩港，東與牛頭門和白帶門水道相鄰并與擴(kuò)塘山島相望，具體位置(見圖1).

圖1 區(qū)域地理位置示意圖

浦壩港大橋建成后，附近海域的水動(dòng)力條件將發(fā)生改變，附近區(qū)域的泥沙運(yùn)移也會(huì)發(fā)生變化，動(dòng)態(tài)平衡后形成新的沖淤變化趨勢(shì)，進(jìn)一步導(dǎo)致附近水域海底地形的變化[2].因此，在項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)和海域使用論證中都需要對(duì)項(xiàng)目引起的水動(dòng)力及泥沙沖淤影響進(jìn)行預(yù)測(cè).為此，本文將對(duì)該水域的潮流結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，為工程環(huán)境影響評(píng)價(jià)和海域使用論證提供可靠依據(jù)[3].

浦壩港附近的三門灣、椒江口外島嶼、峽道眾多，大陸與海島邊界曲折，水下地形復(fù)雜，故采用恒定非均勻流的平面二維有限元數(shù)學(xué)模型.控制方程采用平面二維的淺水潮波運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)方程及相應(yīng)的初邊界條件[4-8].

1 控制方程及數(shù)值處理

1.1 控制方程

(1)

(2)

(3)

式中：z—潮位，m；

U,V—x,y方向上的垂線平均流速分量，m/s；

h—水深，m；t—時(shí)間，s；

f—柯氏系數(shù)，f=2wsinφ，其中w為地轉(zhuǎn)角速度，φ為緯度；

g—重力加速度，m/s2；

Ax、Ay—渦動(dòng)粘滯系數(shù)，m2/s.

1.2 離散處理

對(duì)式(1)～式(3)應(yīng)用加權(quán)余數(shù)法伽遼金逼近(其中二次項(xiàng)應(yīng)用分部積分)，且各時(shí)間導(dǎo)數(shù)取前差近似，整理后得到各變量的顯式數(shù)值解：

(4)

(5)

(6)

式(4)—(6)中：

λ，β，γ—三角形單元面積各個(gè)單元形參數(shù)；

Δt—時(shí)間步長(zhǎng)；

本模式具有一階精度，其穩(wěn)定條件為：

1.3 定解條件

初始條件：u(x,y,0)=v(x,y,0)=0

z(x,y,0)=z0

邊界條件(陸)：vn=0

邊界條件(水)：z(x0,y0,t)=z*(x0,y0,t)

其中：vn—陸邊界法線方向的速度分量；

z*(x0,y0,t)—水邊界上的潮位值.

2 計(jì)算網(wǎng)格

研究區(qū)域內(nèi)潮差較大，潮流強(qiáng)，是強(qiáng)潮海域之一.本次研究的數(shù)學(xué)模型在建立時(shí)確定的計(jì)算區(qū)域較大(見圖1).南邊界取在白沙-頭門-東磯島一線，東部邊界選在東磯-南田島一線，北邊界位于三門灣內(nèi)的貓頭山-高塘島一線.

計(jì)算區(qū)域固體邊界較復(fù)雜，為較好地模擬復(fù)雜的邊界條件，采用三角形網(wǎng)格進(jìn)行劃分計(jì)算[7]，整個(gè)計(jì)算區(qū)域共有23 365個(gè)三角形單元，12 210個(gè)節(jié)點(diǎn)(見圖2).為了能較準(zhǔn)確地描述浦壩港大橋橋墩附近水動(dòng)力條件，對(duì)工程附近網(wǎng)格作加密處理，以盡可能地提高計(jì)算精度[9-10]，工程附近網(wǎng)格布置(見圖3).計(jì)算最小空間步長(zhǎng)約25 m，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為2.0 s.

圖2 計(jì)算區(qū)域整體網(wǎng)格示意圖

圖3 工程附近局部網(wǎng)格圖

3 模型驗(yàn)證及模擬流場(chǎng)結(jié)果

3.1 模型驗(yàn)證

采用由11個(gè)分潮的潮汐調(diào)和常數(shù)預(yù)報(bào)所得的潮位作為模型開邊界條件[8-9]，在對(duì)工程附近實(shí)測(cè)潮位以及潮流進(jìn)行驗(yàn)證的過程中，同時(shí)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整.

本次選取1個(gè)潮位站進(jìn)行潮位驗(yàn)證，4個(gè)實(shí)測(cè)潮流點(diǎn)(PB15、PB16、PB17和PB18)進(jìn)行大、小潮潮流流速和流向驗(yàn)證(2006-02-13—02-14及2006-02-20—02-21，驗(yàn)證點(diǎn)具體位置見表1及圖1).圖4為潮位驗(yàn)證結(jié)果；圖5所示為流速流向驗(yàn)證結(jié)果(限于篇幅，僅列出大潮情況).

由圖4可見，全潮潮位模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)過程線吻合很好，相對(duì)誤差小于5%.從圖5可見，流速、流向模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)流速、流向過程線吻合較好，急流時(shí)的流速、轉(zhuǎn)流時(shí)間也與實(shí)測(cè)結(jié)果比較接近，相對(duì)誤差總體小于15%.

從上述潮汐潮流的驗(yàn)證結(jié)果來看，模型對(duì)于浦壩港實(shí)際的潮波運(yùn)動(dòng)及潮流流態(tài)的模擬良好，能夠較好地反映該水域的水動(dòng)力條件，可用于工程后流場(chǎng)變化和泥沙沖淤影響分析.

3.2 模擬流場(chǎng)結(jié)果

圖6～圖7為根據(jù)上述方法計(jì)算得到的計(jì)算區(qū)域大潮漲落急流流矢分布圖，工程附近漲落潮急流流矢分布(見圖8～圖9).

表1 流速潮位驗(yàn)證點(diǎn)坐標(biāo)

圖4 全潮潮位驗(yàn)證(2006-02-13-02-21)

圖5 大潮流速流向驗(yàn)證圖

圖6 計(jì)算區(qū)域全域大潮漲急流矢圖

圖7 計(jì)算區(qū)域全域大潮落急流矢圖

圖8 計(jì)算區(qū)域工程附近大潮漲急流矢圖

圖9 計(jì)算區(qū)域工程附近大潮落急流矢圖

計(jì)算區(qū)域內(nèi)大、小潮時(shí)的漲、落潮急流矢分布特征為：浦壩港港內(nèi)的水域呈狹長(zhǎng)分布，受兩側(cè)地形影響，水流呈現(xiàn)明顯的往復(fù)流特性；浦壩港口門附近，水面稍開闊，但水流仍受岸線影響，水流呈往復(fù)流特性；而在計(jì)算區(qū)域東部開闊的海域則呈現(xiàn)一定的旋轉(zhuǎn)流特性[9].漲潮時(shí)水流由東、南邊界流入，沿西北方向進(jìn)入浦壩港及三門灣.落潮時(shí)水流由西北向東南方向流出，從整個(gè)計(jì)算區(qū)域來看，最終的落潮流主要向東南方向流出.在港外比較開闊的海域，潮流逐漸呈現(xiàn)基本為順時(shí)針轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)流的特性.在漲落潮的交替過程中浦壩港及口外寬廣的灘涂隨之淹沒和出露.

浦壩港口外東南側(cè)海域島嶼眾多，由模擬的流場(chǎng)看，在島嶼掩護(hù)區(qū)流速很小，而在島嶼之間的峽道內(nèi)流速較大.大潮期間雀兒岙附近開闊海域的垂線平均流速也達(dá)到1.0 m/s以上.

由以上對(duì)于計(jì)算模擬流場(chǎng)結(jié)果的對(duì)比分析可知，計(jì)算區(qū)域的模擬流場(chǎng)結(jié)果與實(shí)際情況相符.

4 結(jié) 語(yǔ)

模型成功地模擬了計(jì)算區(qū)域的流場(chǎng)，誤差基本控制在合理范圍之內(nèi)，總體模擬結(jié)果能較好反映計(jì)算區(qū)域的水動(dòng)力條件，可用于分析后續(xù)工程引起的流場(chǎng)變化及泥沙沖淤變化的影響.

根據(jù)模型計(jì)算的結(jié)果，漲潮時(shí)水流由東、南邊界流入，沿西北方向進(jìn)入浦壩港及三門灣.落潮時(shí)水流由西北向東南方向流出，從整個(gè)計(jì)算區(qū)域來看，最終的落潮流主要向東南方向流出.浦壩港內(nèi)的狹長(zhǎng)水域內(nèi)，受兩側(cè)地形影響，水流呈現(xiàn)明顯的往復(fù)流特性；浦壩港口門附近，水面稍開闊，但水流仍受岸線影響，水流呈往復(fù)流特性；而在計(jì)算區(qū)域東部開闊的海域則呈現(xiàn)一定的旋轉(zhuǎn)流特性.