舟山特定海域三維水流數(shù)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(xué)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(xué)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(fù)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(nèi)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(nèi)外模式分裂技術(shù)三維水流數(shù)學(xué)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(yīng)用到杭州灣的三維水流數(shù)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(jié)果與實測數(shù)據(jù)符合。

現(xiàn)有分析多數(shù)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(wǎng)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(wǎng)格尺寸（每格長度為1 m）對計算區(qū)域進行劃分，采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場數(shù)據(jù)測試兩種方法相結(jié)合，對舟山特定海域流速進行模擬，以建立該海域模型。

1 網(wǎng)格劃分與實測數(shù)據(jù)獲取

本研究數(shù)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(tǒng)輔助工作以確定ADCP經(jīng)、緯度。所得流速原始數(shù)據(jù)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(yīng)），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(nèi)的所有測量點的流速取均值，得到該海域速度數(shù)據(jù)：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(shù)據(jù)

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(shù)

2 計算與結(jié)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(shè)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(shè)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(biāo)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(biāo)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(xiàn)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(jié)果與李身鐸等［7-8］模擬結(jié)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(biāo)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(xiàn)于螺頭水道東段和穿山半島北側(cè)，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(chǎn)生強度及大小不等的回流，這一現(xiàn)象與許雪峰等［9］的研究結(jié)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(fù)雜，但相對于螺頭水道流速要小得多。

圖5 退潮時流速標(biāo)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(jié)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(xiàn)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(xiàn)在寧波穿山半島長柄嘴的北側(cè)和螺頭水道東段的出口邊界處，該數(shù)據(jù)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(zhì)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(dǎo)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(shù)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(fēng)力、波動等外界因素的影響，計算結(jié)果仍存在一定的誤差。

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）：

［1］壽瑋瑋.舟山群島附近海域水動力特征及其對物質(zhì)輸運的影響分析［D］.青島：中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)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(xué)學(xué)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(xiàn)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(shù)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(shù)值模擬［J］.海洋地質(zhì)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(shù)值模擬［J］.海洋學(xué)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(shù)值模擬［J］.華東師范大學(xué)學(xué)報，2001（3）：74-84.

［9］許雪峰，施偉勇，孫志林，等.穿山半島北側(cè)近岸“回流”現(xiàn)象的二維數(shù)值模擬［J］.海洋學(xué)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(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，2009.