海港納潮量預(yù)測有限元分析

欒明珠，楊佳歡

（煙臺仲伯企業(yè)管理咨詢有限公司，山東 煙臺，264000）

我國海岸線長，海岸線的生態(tài)環(huán)境極易受人類活動的影響。在沿海工程建設(shè)活動中，人類對地表土壤進行開挖、填埋，對地表水和地下水進行抽排、疏通等，均會對區(qū)域生態(tài)、地貌和水文等造成擾動；由于海洋水環(huán)境與陸地地下水鹽分、礦化度的不同，一些海港疏通完成后，潟湖水系不可避免受漲潮落潮影響，區(qū)域水文生態(tài)環(huán)境發(fā)生變化。為了分析潟湖水系受潮汐的影響程度，研究潟湖水量的潮流場變化規(guī)律，預(yù)測海港的納潮量顯得尤為重要。

國內(nèi)外學(xué)者針對海港納潮量的預(yù)測展開了相關(guān)研究，王璐等[1]基于MIKE21 水動力數(shù)值模型，對芝罘灣圍填海工程引起的4個特征年潮流場和納潮量進行了分析，指出地形對潮流流速具有明顯影響；李希彬等[2]利用FVCOM 海洋數(shù)值模型預(yù)測未來海岸工程建設(shè)后天津近海的水動力和水交換的變化，指出工程建設(shè)會延長水體半交換周期約10 d；陳志琦等[3]基于MIKE21 水動力數(shù)值模型，分析了羅源灣海域的Smagorinsky 系數(shù)、糙率和風(fēng)拖拽系數(shù)，研究了漲落潮時灣域內(nèi)的納潮量及潮汐流速?，F(xiàn)有研究均集中在漲潮和落潮的海域納潮量、水動力和水體流速變化，考慮大潮和小潮工況的納潮量預(yù)測較少，同時針對水系疏通引起納潮量變化和水域水動力和水體交換方面的研究鮮見報道。

榮成市地處山東半島最東端，三面環(huán)海。榮成市某地潟湖水系疏通工程面積約288.36萬m2，總水系疏通土方約219.81 萬m3，本文以該工程為背景，搭建生態(tài)修復(fù)工程的水動力數(shù)學(xué)模型，通過模型分別模擬大小潮兩個時期不同方案潟湖工程前后所容納的整體水量，分析潟湖進行水系疏通工程前后納潮量等參數(shù)的變化情況，對生態(tài)修復(fù)工程實施導(dǎo)致的特征值變化給出量化數(shù)值，為該區(qū)域生態(tài)修復(fù)工程提供技術(shù)支撐并提出相關(guān)的合理建議。

1 潮流水動力數(shù)學(xué)模型及工程海域有限元模型建立

1.1 潮流水動力數(shù)學(xué)模型

采用平面二維數(shù)值模型模擬工程海域的潮流場。該模型采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格剖分計算域，能較好地擬合陸邊界，設(shè)計靈活且可隨意控制網(wǎng)格疏密。潮流水動力的控制方程[3～4]

式中：t為時間；x、y為笛卡爾坐標(biāo)系空間坐標(biāo)；η為水面高程；d為水深；h為總水深，h=η+d；u、v為流速在x、y方向上的分量；f為科氏力；g為重力加速度；ρ為水體密度；ρ0為參考密度；pa為大氣壓強；sxx、sxy、syx、syy為輻射應(yīng)力分量；Txx、Txy、Tyx、Tyy為水平黏滯應(yīng)力；（τsx，τsy）和（τbx，τby）為水面和底床的切應(yīng)力在x、y方向上的分量；S為源匯項流量；us、vs為源匯項對應(yīng)的速度分量。

在二維淺水方程中流速是一個平均的概念，應(yīng)滿足

表面風(fēng)應(yīng)力可以表示為[5]

式中：ρa為大氣密度；cd為風(fēng)的拖曳力系數(shù)vw)為海面以上10 m處的風(fēng)速。

與表面應(yīng)力有關(guān)的摩阻流速為[6]

潮流模型底部應(yīng)力的計算一般采用二次形式，將底部應(yīng)力看作是速度的函數(shù)。底部切應(yīng)力根據(jù)牛頓摩擦定律其可定義為

式中：cf為拖曳力系數(shù)=(ub,vb)為底層流速。

與底部切應(yīng)力有關(guān)的摩阻流速為

式中：C為謝才系數(shù)；M為曼寧系數(shù)，可以通過底部粗糙度ks估算，M=25.4ks-0.1667。

1.2 工程海域有限元模型建立

海域數(shù)學(xué)模型采用大小模型嵌套的方式：大模型計算選取周邊海域100 km×88 km，小模型計算選擇某地潟湖及外海至雞鳴島部分海域。模型計算最小時間步長0.5 s 以保證運行穩(wěn)定。模擬采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格，工程建設(shè)前整個模擬區(qū)域內(nèi)由9 403 個節(jié)點和15 080 個三角單元組成；最小網(wǎng)格間距10 m。為了更好地對比工程建設(shè)前后的潮流場變化，海域網(wǎng)格保持一致。見圖1。

圖1 大模型計算域網(wǎng)格

為了解工程附近海域的潮流狀況，對網(wǎng)格進行小范圍嵌套處理，小范圍的工程總平面方案共4 種：方案一工程底標(biāo)高為-0.5 m，為滿足船舶吃水條件，對溝槽處進行水系疏通，溝槽處設(shè)計底標(biāo)高-1.0 m、寬度200 m，其他區(qū)域設(shè)計底標(biāo)高-0.5 m，邊坡比為1∶5；方案二水系疏通范圍為潟湖西側(cè)現(xiàn)有全部水域區(qū)域，總疏通面積約340萬m2，設(shè)計底標(biāo)高-2.5 m，邊坡比為1∶5；方案三水系疏通范圍為潟湖西側(cè)現(xiàn)有全部水域區(qū)域，總疏通面積約340 萬m2，設(shè)計底標(biāo)高-1.5 m，邊坡比為1∶5；方案四水系疏通范圍為潟湖西側(cè)現(xiàn)有全部水域區(qū)域，總疏通面積約340 萬m2，設(shè)計底標(biāo)高-1.0 m，邊坡比為1∶5。見圖2。

2 仿真計算結(jié)果分析

分別模擬大潮和小潮時段整個潟湖區(qū)域工程前后所容納的整體水量；潟湖內(nèi)高潮時總水量與低潮時總水量差即為納潮量。工程區(qū)所在海域潮位具有明顯的半日潮特性，屬于不規(guī)則半日潮類型，每天出現(xiàn)兩次高潮和兩次低潮且峰值均不相同，本次預(yù)測分析選擇大潮和小潮兩個典型潮期。見圖3。

2.1 方案一

大潮期間一個周期內(nèi)最大潮差1.0 m 左右，兩次高潮的潮差相差0.6 m 左右；高潮期間最大納潮量為3.65×106m3，低潮期間納潮量為1.13×106m3。小潮期間一個周期內(nèi)最大潮差0.7 m 左右，兩次高潮的潮差相差0.2 m 左右；高潮期間最大納潮量為2.15×106m3，低潮期間納潮量為9.32×105m3。見圖4和表1。

圖4 方案一大小潮期間潟湖潮位過程曲線

2.2 方案二

大潮期間一個周期內(nèi)最大潮差1 m 左右，兩次高潮的潮差相差0.6 m 左右；高潮期間最大納潮量為3.67×106m3，低潮期間納潮量為1.15×106m3。小潮期間一個周期內(nèi)最大潮差0.7 m 左右，兩次高潮的潮差相差0.2 m 左右；高潮期間最大納潮量為2.17×106m3，低潮期間納潮量為9.41×105m3。見圖5和表2。

表2 方案二施工后大小潮納潮量

圖5 方案二大小潮期間潟湖內(nèi)潮位過程曲線

2.3 方案三

大潮期間一個周期內(nèi)最大潮差0.8 m 左右，兩次高潮的潮差相差0.5 m 左右；高潮期間最大納潮量為3.76×106m3，低潮期間納潮量為1.17×106m3。小潮期間一個周期內(nèi)最大潮差0.6 m 左右，兩次高潮的潮差相差0.3 m 左右；高潮期間最大納潮量為2.24×106m3，低潮期間納潮量為9.74×105m3。見圖6和表3。

表3 方案三施工后大小潮納潮量

圖6 方案三大小潮期間潟湖內(nèi)潮位過程曲線

2.4 方案四

大潮期間一個周期內(nèi)最大潮差0.8 m 左右，兩次高潮的潮差相差0.5 m 左右；高潮期間最大納潮量為3.66×106m3，低潮期間納潮量為1.15×106m3。小潮期間一個周期內(nèi)最大潮差0.6 m 左右，兩次高潮的潮差相差0.25 m 左右；高潮期間最大納潮量為2.16×106m3，低潮期間納潮量為9.36×105m3。見圖7和表4。

圖7 方案四大小潮期間潟湖內(nèi)潮位過程曲線

3 結(jié)論

1）潟湖進行水系疏通后，各潮時總水量與納潮量均較為顯著的增大，各方案大潮納潮量均大于小潮納潮量。

2）整體上4 個方案實施后，潟湖內(nèi)總水量增量最大的是方案二，增量最小的是方案一，但納潮量與變化率各方案相差不大。

□■