基于MIKE21模型的椒江口臺州灣在異常天氣下的泥沙輸運研究

張火明，邵力行，田中仁，管衛(wèi)兵

(1.中國計量大學(xué) 計量測試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018；2.衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學(xué)國家重點實驗室,浙江 杭州 310012)

河口以及附近的海灣是陸源性泥沙沉降及擴散的主要地區(qū),也是陸地海洋作用較為明顯的區(qū)域[1]。懸浮的泥沙是有機物的載體、海水營養(yǎng)鹽的成分，對污染物的循環(huán)和遷移起到了非常重要的作用[2]，并且也能夠表現(xiàn)出細顆粒沉積物輸運動態(tài)，從而反演水動力輸運過程[3]。正因為如此，懸浮泥沙的輸運特性以及時空變化規(guī)律對海洋的地質(zhì)探究具有深遠的意義。椒江口是山溪性的強潮流河口,地貌以濱海沉積為主,兩岸是粘性細顆粒泥沙組成的淤泥質(zhì)潮灘。粘性細顆粒泥沙會因為隨流輸運和絮凝沉降作用，引起港口淤塞、潮灘毀壞甚至是生態(tài)環(huán)境破壞等問題。異常天氣的影響更是在隨流輸運和絮凝沉降作用中扮演著重要角色。因此對椒江口展開異常天氣下河口環(huán)境泥沙輸運沉降特征的數(shù)值模擬研究具有極其深遠的意義。

對于椒江口泥沙的輸運研究，就有不少的學(xué)者進行了研究。畢敖洪、孫志林[4]論述了椒江河口的歷史塑造過程，揭示了椒江河口在不同潮型、季節(jié)及水文條件下的沖淤變化規(guī)律。池云飛[5]分析了臺州灣椒江十塘工程對周圍水動力的影響,預(yù)測了工程后一年內(nèi)和沖淤平衡后工程區(qū)泥沙沖淤強度和分布。戴瑋琦、陶建峰等[6]利用二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型結(jié)果對水沙關(guān)系推算的含沙量分布進行了驗證。郭聰[7]研究了椒江河口水沙運動與地形沖淤演變對圍海工程的響應(yīng)。江晨曦、趙新宇[8]等用Rouse公式估算了椒江口外海域的懸沙沉降速度。倪敏、蔣國俊[9]分析了補償整治工程對河口動力沉積因素的影響,探索了工程影響河段河床演變對工程的響應(yīng)。田中仁[10]等以椒江口-臺州灣實測資料為基礎(chǔ),模擬計算了椒江口-臺州灣常態(tài)下的泥沙輸運演進過程且率定后的計算模型對椒江口-臺州灣模擬具有良好的適用性。

本文旨在研究椒江口臺州灣區(qū)域在異常天氣下的泥沙輸運響應(yīng)規(guī)律，通過建立異常天氣下的椒江口臺州灣水動力模型和泥沙數(shù)值模型，以9711號臺風(fēng)作為異常天氣條件，分析了該條件下的椒江口臺州灣區(qū)域泥沙輸運情況。通過研究發(fā)現(xiàn)懸沙濃度變化的模擬值與實測值的變化趨勢擬合較好，在異常天氣下該區(qū)域含沙量值為正常天氣時的3～7倍(平均在4倍以上)；異常天氣最大渾濁帶的峰值與正常天氣下相比約多出6倍。正常天氣下泥沙移動至口外淺灘處就會沉積或者隨潮流向口內(nèi)運移，而異常天氣下泥沙被輸運至距離臺州灣更遠的區(qū)域。

1 研究對象及控制方程

椒江口臺州灣位于臺州市中部沿海，北鄰浦壩港、南接隘頑灣，因多臺風(fēng)、河口渾濁度高等特點廣泛而受到學(xué)者的關(guān)注。椒江口臺州灣位是一個開敞的河口灣，呈喇叭型向外延伸，海域內(nèi)有著諸多島嶼。該區(qū)域的主要潮型是不規(guī)則的半日潮，主要的泥沙輸運形式是河口區(qū)域的懸沙遷移。

本文選取的異常天氣條件是對該地區(qū)影響比較強烈并且觀測記錄詳盡的9711號臺風(fēng)，9711號臺風(fēng)概況如表1。

表1 9711號臺風(fēng)概況

椒江口復(fù)雜的地形和廣闊的水域會使模型邊界變得復(fù)雜，如果采用矩形網(wǎng)格進行離散會造成邊界模擬精度不高、計算量大等缺陷。因此本文采用MIKE21模型和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型進行數(shù)值仿真研究以保證模擬區(qū)域的精度。

1.1 基本控制方程

在笛卡爾直角坐標系下，根據(jù)靜壓和勢流假定，水動力控制方程表述如下，連續(xù)方程

(1)

式(1)中,ζ為水位,x、y為直角坐標系坐標，p、q分別為x與y方向垂線平均單寬流量。

泥沙模型控制方程如下：

(2)

Fs為泥沙源函數(shù)項：

(3)

模型中在波流共同作用下，底床切應(yīng)力表示為:

(4)

(5)

2 網(wǎng)格與模型驗證

本文在參考文獻[10]的基礎(chǔ)上對異常天氣下的模型進行驗證。采用MIKE Zero的網(wǎng)格創(chuàng)建器創(chuàng)建網(wǎng)格文件，地形由經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換而來，研究區(qū)域內(nèi)最大節(jié)點數(shù)選擇100 000，采用1999年臺州灣實測水下地形圖(如圖1(a))作為地形資料，通過經(jīng)緯度投影至軟件設(shè)定長寬并進行地形插值，插值后模型網(wǎng)格如圖1(b)。

模型的時間步長為180 s，共2 000步；床面阻力系數(shù)為31；采用Smagorinsky公式得到水平渦黏系數(shù)0.3；初始水位為1.2 m，流速為0 m/s；采用平均海平面作為計算基準面；選用開邊界條件，椒江上游邊界的控制條件采用如圖2所示的臺風(fēng)同期徑流數(shù)據(jù)；外海的邊界條件分別選取圖4所示的同時期門和大陳島在臺風(fēng)期間的潮位時序數(shù)據(jù)。另外還考慮了此時臺風(fēng)暴潮引起的增水如圖3。

圖2 9711號臺風(fēng)期間上游徑流參數(shù)

圖3 9711號臺風(fēng)期間椒江口區(qū)域風(fēng)暴潮

2.1 潮位響應(yīng)特征及驗證

圖4顯示了9711號臺風(fēng)登陸期間，海門站及大陳站點的潮位變化情況。通過與實測值比較分析，海門站最大誤差為0.43 m，大陳站最大誤差為0.24 m，模擬值與實測值在大陳站符合較好，從整體上看模擬值與實測值趨勢一致，說明本文的仿真能較好的反映該區(qū)域的潮位變化情況。本次臺風(fēng)期間，椒江口臺州灣潮位表現(xiàn)出高潮位很高，低潮位不低的特點。海門站的最高潮位可以到6.2 m，在河口外區(qū)域的大陳站也達到5.9 m；海門站最低潮位為1.05 m，大陳站為0.4 m。海門站異常臺風(fēng)期高潮位要比常態(tài)無臺風(fēng)時的高潮位高3.2 m，潮位差比常態(tài)時少0.17 m。

圖4 臺風(fēng)期各站點潮位驗證

2.2 潮流響應(yīng)特征

臺風(fēng)期間的潮流輸出位置點選擇了與常態(tài)相同的位置，獲取的各點流速流向數(shù)據(jù)如圖5所示。在白沙附近的t1監(jiān)測點，流速最大達到2.87 m/s，流向大部分集中在西北向與東北方向之間交替改變。在頭門西側(cè)的t2點流速較t1點稍低，最高為1.79 m/s，流向集中在北偏西與東偏南，且在各方向持續(xù)時間較長。位于河口外南側(cè)的t3點流速僅為1.37 m/s，流向上與t1點流向類似。從峰值數(shù)值上來看河口南側(cè)t3點臺風(fēng)期間流速增加了近6倍。

圖5 臺風(fēng)期各點潮流響應(yīng)曲線

3 異常天氣下的泥沙模型與分布響應(yīng)分析

3.1 泥沙模型參數(shù)

該水域的泥沙主要來自杭州灣輸出的南下泥沙以及海域來沙。區(qū)域內(nèi)的懸沙主要為淤泥質(zhì)粉沙，在隨河流輸出時容易發(fā)生絮凝沉降且沉速大。在考慮絮凝作用時不能直接給定沉速，但能夠由沉降系數(shù)計算得到實際沉速。沉速采用5×10-4m/s，經(jīng)過的率定床層設(shè)置為2層，分別為0.4 m的軟泥層和0.6 m的硬泥層。在上游海門站邊界分別設(shè)置0.4 kg/m3的泥沙源邊界模擬上游來沙，外海北部邊界0.8 kg/m3的邊界模擬臺州灣流域來沙，其他的參數(shù)設(shè)置情況如表2所示。

表2 泥沙模型參數(shù)設(shè)置

3.2 泥沙分布響應(yīng)分析

水面的風(fēng)應(yīng)力在臺風(fēng)期間會被不斷的增強，在其作用下水體流速也會隨之增大，這會增強水流對床面泥沙的沖刷作用，進而增加水體中的含沙量。圖6為臺風(fēng)登陸前的椒江口臺州灣含沙量響應(yīng)狀態(tài)?？傮w看來區(qū)域內(nèi)泥沙輸運為河口內(nèi)向海洋方向輸運，在徑流量持續(xù)增加時期河口喇叭口區(qū)域輸沙量顯著多于初期的綜合含沙量。頭門、江山等島嶼在東南方向來風(fēng)與逐漸增大的徑流量和流速疊加作用下，周圍泥沙含量會逐漸增大，床面泥沙起動力會增強。臺風(fēng)期椒江口臺州灣區(qū)域含沙量可為正常天氣時的3～7倍。在圖6中還可以看到臺風(fēng)期最大渾濁帶的變化情況，以北部白沙邊界為地理參考點，當(dāng)懸浮作用增強并逐漸超過沉降作用，急流時刻落潮流在地形影響下偏于東側(cè)，引起該側(cè)流速明顯增大，同時也導(dǎo)致東西側(cè)含沙量分布格局的逆轉(zhuǎn)，由西側(cè)高于東側(cè)轉(zhuǎn)而出現(xiàn)東側(cè)高于西側(cè)，這種狀態(tài)也是臺風(fēng)期較無臺風(fēng)時的一個明顯的區(qū)別。不僅在渾濁區(qū)域面積上有較大的增加，在最大渾濁帶含沙量上也有較大的區(qū)別，異常天氣有臺風(fēng)作用時該區(qū)域的泥沙含量相較常態(tài)時足有2倍之多，均值達到5 kg/m3以上，峰值更是高達7.6 kg/m3，這幾乎是常態(tài)無臺風(fēng)時的6倍以上。

圖6 臺風(fēng)登陸前泥沙分布圖

圖7展示了臺風(fēng)登陸時刻，椒江口臺州灣區(qū)域含沙量分布情況?？梢郧逦乜吹剑涌诩芭_州灣以北的含沙量在臺風(fēng)作用下會高于常態(tài)無臺風(fēng)時的含沙量。且從分布情況看，泥沙大多來自上游，因為椒江口臺州灣泥沙以中細砂為主，在上游主導(dǎo)的徑流挾沙下泄，大量的來沙在特大徑流量和落潮流的共同作用下，輸運至椒江口外，沉積于臺州灣內(nèi)，甚至輸運至區(qū)域內(nèi)各島嶼周圍。而無臺風(fēng)時上游泥沙在隨潮流輸運向椒江口臺州灣的過程中，一方面受到潮流的頂托作用，另一方面受椒江口地形作用，大量上游來輸沙僅運動到椒江口內(nèi)淺灘便發(fā)生沉積或隨潮流呈現(xiàn)顯著的往復(fù)運動。這也證明了臺風(fēng)對該區(qū)域泥沙輸運的巨大影響，會將泥沙沉積區(qū)由河口區(qū)域擴大至臺州灣區(qū)域。

圖7 臺風(fēng)登陸時刻含沙量分布圖

4 結(jié) 語

本文建立了異常天氣下的泥沙輸運數(shù)值模型；異常天氣臺風(fēng)狀態(tài)下含沙量分布通過計算基本達到了實測含沙量分布水平，懸沙量變化的模擬值與實測值的變化趨勢擬合較好，這也表明模型對臺州灣水域的懸沙過程能給予比較準確的模擬。與正常天氣下相比，異常天氣臺風(fēng)期時的椒江口臺州灣區(qū)域泥沙輸運總體呈現(xiàn)向海輸沙。這是由于上游區(qū)域受到臺風(fēng)引起的降雨增水影響嚴重，徑流量增強至常態(tài)下的上百倍，其裹挾著上游泥沙向海輸運。異常天氣臺風(fēng)期時椒江口臺州灣區(qū)域含沙量為正常天氣無臺風(fēng)時的3～7倍，平均在4倍以上。最大渾濁帶面積較正常狀態(tài)下增大，異常天氣最大渾濁帶的峰值與正常天氣下相比多出約6倍。正常天氣下泥沙大多移動至口外淺灘處便沉積或隨潮流向口內(nèi)運移，而異常天氣下泥沙會被輸運至離臺州灣更遠的區(qū)域。