山東威海濱海新城北部海域潮流數(shù)值模擬研究

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運動，并以分層流速流向?qū)崪y資料對模型進行驗證。結(jié)果表明，研究區(qū)潮流場流速和流向數(shù)值模擬結(jié)果與實測資料變化基本一致。

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： U652.3 ????文獻標識碼： 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，西與煙臺市接壤，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［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向為主，落潮流向以SE向為主。本文通過2021年10月23日—10月24日潮流實測數(shù)據(jù)進行研究區(qū)的潮流數(shù)值模擬研究。

1 潮流模型簡介

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運動，MIKE21FM模型是由丹麥水力研究所開發(fā)［5］，用于對河流、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)格剖分計算域［7］；采用標準Galerkin有限元法進行水平空間離散，在時間上采用顯式迎風(fēng)差分格式離散動量方程與輸運方程［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：開邊界采用《渤、黃、東海海洋圖集——水文分冊》中4個主要分潮（K1、O1、M2、S2）的潮汐調(diào)和常數(shù)進行預(yù)報［9］。

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

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

2 計算域和網(wǎng)格設(shè)置

2.1 計算域設(shè)置

本項目所建立的海域數(shù)學(xué)模型計算域范圍見圖1［11］。模擬采用三角網(wǎng)格，用動邊界的方法對干、濕網(wǎng)格進行處理［12］。整個模擬區(qū)域內(nèi)由10672個節(jié)點和20411個三角單元組成，最小空間步長約為20m。計算海域數(shù)值模擬網(wǎng)格分布見圖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 計算時間步長和底床糙率

模型計算時間步長根據(jù)CFL條件進行動態(tài)調(diào)整，確保模型計算穩(wěn)定進行［14］，最小時間步長1s。底床糙率通過曼寧系數(shù)進行控制［15］，曼寧系數(shù)n取32～55m1/3/s。

2.4 水平渦動粘滯系數(shù)

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

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

3 模型驗證

為評估潮流模型的準確性，在計算域內(nèi)選取2個潮位觀測站位和6個潮流觀測站位的觀測資料對潮流模型進行驗證。

其中，潮位觀測資料來源于國家海洋科學(xué)數(shù)據(jù)中心公布的威海和成山角2個站位的實測潮汐數(shù)據(jù)；潮流觀測資料為實測，觀測時間為2021年10月23日12：00～24日13：00（農(nóng)歷九月十八—十九，大潮期）。驗證點位置見圖3、表1。

根據(jù)潮流觀測資料，各站位的平均流速為0.275～0.455m/s。從各站實測海流資料中，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、2號、3號和6號站位實測海流表現(xiàn)為較強的往復(fù)性流動（圖4、圖5）［19］，海流主流向均為偏NW—SE向，其中偏NW向為漲潮流向，偏SE向為落潮流向，4號和5號受近岸地形影響，隨漲落潮的往復(fù)性流動不是很明顯。

6個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號站的垂向平均流速最大，1號站的垂向平均流速最低。漲潮流以NW向為主，最大漲潮流速位于5號站，可達1.518m/s；落潮流以SE向為主，最大落潮流速也于5號站，最高達1.710m/s。

3.1 潮位驗證

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

3.2 潮流驗證

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

以上潮位和潮流驗證結(jié)果表明，潮流場模擬結(jié)果與實測結(jié)果的潮位高度、漲落潮趨勢、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、漲急時刻潮流場分布圖。從圖中可以看出，計算海域整體基本為NW—SE方向的往復(fù)流。

漲潮時，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。

落潮時潮流方向與漲潮時相反，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。

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

潮流場模擬結(jié)果受岸線地形和水深條件、觀測資料的準確性和細致程度等因素影響，同時受資料限制，本研究未考慮海表面風(fēng)場對表層潮流的影響。在后續(xù)研究中可通過獲取更為細致的水深地形條件、更為準確的觀測資料，并在此基礎(chǔ)上進行模型的優(yōu)化，可進一步提升模擬結(jié)果的準確性和可靠性。

5 結(jié)論

采用MIKE21FM平面二維數(shù)值模型對威海市東部濱海新城北部海域建立了數(shù)值模型，對水動力環(huán)境進行了細致研究，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向為主，落潮流向以SE向為主，且離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，水體垂向混合強烈。

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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