基于ECOMSED模型的湛江灣水道三維潮流數(shù)值模擬

趙婉璐 , 郝瑞霞

(1.太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院, 山西 太原 030024; 2.山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 山西 運(yùn)城 044004)

濱海地區(qū)近岸近海工程建設(shè)會(huì)在不同程度上影響原有工程區(qū)的水動(dòng)力特性, 勢(shì)必也會(huì)對(duì)該工程海域的自然生態(tài)環(huán)境造成一定的影響。因此, 合理預(yù)報(bào)工程建筑物對(duì)潮流運(yùn)動(dòng)特性的影響尤為重要。采用數(shù)值模擬方法對(duì)待開發(fā)區(qū)域內(nèi)的海洋水動(dòng)力進(jìn)行研究是一個(gè)經(jīng)濟(jì)、有效的手段。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值求解技術(shù)的限制, 工程中常采用平面二維模型對(duì)潮流進(jìn)行數(shù)值模擬[1-2], 這難以體現(xiàn)天然水體的三維特性。近年來(lái), 隨著工程實(shí)踐對(duì)數(shù)值模擬要求的提高, 以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展, 越來(lái)越多的工程采用三維數(shù)值模擬進(jìn)行研究[3-5], 趙群[4]根據(jù)黃驊港外航道淤積問(wèn)題的具體情況, 采用風(fēng)浪模型SWAN (Simulation WAve Nearshore)和三維海洋紊流模式ECOMSED(Estuarine, Coastal and Ocean Modeling System with Sediments)對(duì)黃驊港海域的波浪、潮流、泥沙進(jìn)行了模擬, 指出波浪是造成黃驊港外航道泥沙淤積的主要?jiǎng)恿σ蛩?。郝瑞霞等[5]針對(duì)冷卻水工程的實(shí)際問(wèn)題, 對(duì)有橫向來(lái)流條件下的表面湍浮力射流進(jìn)行了三維的數(shù)值模擬, 成功地預(yù)測(cè)了由溫度引起的分層流現(xiàn)象, 拓寬了湍流模型在該領(lǐng)域的應(yīng)用。本文利用ECOMSED水動(dòng)力模式對(duì)湛江灣上游水道的潮流進(jìn)行數(shù)值模擬, 并用原體觀測(cè)資料進(jìn)行驗(yàn)證。

1 三維潮流數(shù)值模型及計(jì)算方法

1.1 ECOMSED簡(jiǎn)介

ECOMSED[6]模型是由 Blumhberg, Mellor等在POM和ECOM模型的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一個(gè)較為成熟的淺海三維水動(dòng)力學(xué)模型。該模型適用于河口及近岸的海洋模擬, 可以綜合考慮潮流, 徑流, 風(fēng)力等水文氣象因素作用下的水流, 鹽度, 溫度及泥沙等物理量的時(shí)空分布。模型采用模態(tài)分離技術(shù), 外模態(tài)用于計(jì)算水平對(duì)流和擴(kuò)散的二維變量, 內(nèi)模態(tài)考慮垂向分層, 用于計(jì)算密度場(chǎng)為主因的三維變量, 從而有效地提高計(jì)算速度。ECOMSED模型在水平方向上采用 Arakawa C交錯(cuò)網(wǎng)格, 加密網(wǎng)格以更好地?cái)M合岸線邊界; 在垂直方向上采用σ坐標(biāo)系統(tǒng), 能夠提高淺海海底地形的處理能力。本次模擬即是用水動(dòng)力模塊來(lái)模擬湛江灣灣頂水域的潮流運(yùn)動(dòng)。

1.2 控制方程

連續(xù)性方程:

雷諾時(shí)均動(dòng)量方程:

其中,為水平對(duì)流速度,W為垂向速度。U為水平x軸向速度,V為水平y(tǒng)軸向速度;ρ0為基準(zhǔn)密度,ρ為計(jì)算液體的密度;KM為垂向湍流摻混系數(shù), 其大小決定速度的垂直分布;Fx和Fy為湍流擴(kuò)散項(xiàng),f為科氏參數(shù)。

采用靜力學(xué)假設(shè)和 Boussinesq近似下的深度壓強(qiáng)方程:

邊界條件:

運(yùn)動(dòng)學(xué)邊界條件遵循

在自由水面η(x,y)

在水底H(x,y)

動(dòng)力學(xué)邊界條件要求邊界層的切應(yīng)力應(yīng)為速度梯度的函數(shù)。其中的(τox,τoy) 為自由表面摩擦力, (τbx,τby)為底面摩擦力。其他各參數(shù)基本意義詳見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。

2 計(jì)算細(xì)節(jié)

計(jì)算區(qū)域?yàn)檎拷瓰碁稠斚忌降绞T之間的狹長(zhǎng)水道, 地理坐標(biāo)為 110°23′~110°29′E, 21°10′~21°24′N(圖1), 整個(gè)水域面積60 km2, 受潮汐汊道發(fā)育影響, 水道地形南深北淺, 縱深相差達(dá)20 m。上游石門橋處海面突然束窄, 為了滿足分辨率, 水平網(wǎng)格尺寸為 60m×60m。計(jì)算全域平面共有200×400個(gè)網(wǎng)格, 垂向采用σ坐標(biāo)分為6層, 較好地反映了模擬區(qū)域岸線及地形變化。

計(jì)算水域地形采用1∶40000的湛江港海圖, 經(jīng)數(shù)字化獲得網(wǎng)格水深后利用內(nèi)插方法進(jìn)行計(jì)算。模型以石門和霞山兩側(cè)作為整個(gè)模型的控制邊界, 采用典型中潮時(shí)期的逐時(shí)潮位作為水流控制邊界條件,潮位資料由珠江委水文水資源勘測(cè)中心提供。在冷啟動(dòng)模式下采用運(yùn)行了 3個(gè)周期后的潮流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)確定模型的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)為: 最小底摩擦系數(shù)BFRIC為0.0025; 底粗糙系數(shù)ZOB為0.02 m; 水平對(duì)流擴(kuò)散參數(shù)HORCON取0.1; 垂向紊動(dòng)參數(shù)UMOL取1×10–6m2/s。內(nèi)模時(shí)間步長(zhǎng)為10 s,外模步長(zhǎng)為1 s。

圖1 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格示意圖Fig.1 Computational domain and grid view

3 計(jì)算成果分析

本文對(duì)2002年8月21日12:00~8月22日13:00 (中潮)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬計(jì)算。在冷啟動(dòng)模式下, 將中潮期1個(gè)周期內(nèi)的湛江邊界的實(shí)測(cè)潮位值重復(fù)為6個(gè)周期的潮位系列進(jìn)行潮流模擬, 所建模型的潮流場(chǎng)在運(yùn)行3個(gè)潮周期后趨于穩(wěn)定, 選擇第5個(gè)周期的潮流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。并與計(jì)算域內(nèi)3個(gè)全潮觀測(cè)點(diǎn)(V1~V3)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。3個(gè)潮流測(cè)點(diǎn)V1~V3見(jiàn)圖1。

3.1 潮位計(jì)算結(jié)果

石門橋下游附近設(shè)有一個(gè)潮位測(cè)站(圖1), 圖2為模型計(jì)算潮位與該測(cè)站實(shí)測(cè)潮位的對(duì)比圖。從圖中可以看出二者基本吻合, 同時(shí)可以看出, 本海域一天中出現(xiàn)兩次高潮和兩次低潮, 半日周期相鄰兩潮期的高潮或低潮高度明顯不相等, 且漲潮時(shí)間與落潮時(shí)間也不相等, 表現(xiàn)出典型的不規(guī)則半日潮性質(zhì)。

3.2 潮流計(jì)算結(jié)果

湛江灣頂水道內(nèi)的潮流特性主要受到外海潮流的動(dòng)力作用, 具體到本模擬區(qū)域, 模型中海潮的漲落模擬主要受到邊界點(diǎn)的潮位控制。

圖2 潮位驗(yàn)證Fig.2 Verification of tidal level

圖3~圖5為V1~V3測(cè)站在計(jì)算時(shí)段內(nèi)模擬的流速、流向與實(shí)測(cè)值的比較, 從圖中可以看出計(jì)算潮流與實(shí)測(cè)潮流有良好的一致性, 表層、0.6H(H為測(cè)點(diǎn)水深)、底層流速與流向大小均較為接近。同時(shí)可以看出, 平均漲潮流速小于落潮流速, 漲潮平均歷時(shí)大于落潮平均歷時(shí), 同一時(shí)刻, 表層流速大于底層流速, 表明模擬結(jié)果能夠較好地反映湛江灣頂水道的潮流特性。

圖3 V1測(cè)站的流速、流向?qū)崪y(cè)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.3 Current speed and current direction comparison between observation and model at V1

圖4 V2測(cè)站的流速、流向?qū)崪y(cè)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.4 Current speed and current direction comparison between observation and model at V2

圖5 V3測(cè)站的流速、流向?qū)崪y(cè)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.5 Current speed and current direction comparison between observation and model at V3

圖6是中潮漲急時(shí)海流的深度平均流場(chǎng), 由流場(chǎng)圖可以看出, 模擬海域的潮流流向受岸線和深槽走向控制, 多為南北向或近似為南北向。

圖6 中潮期漲急時(shí)流場(chǎng)圖Fig.6 Current field of the maximum flood of the medium tide

4 結(jié)論

本文采用 ECOMSED數(shù)值模型, 建立湛江灣頂海域的三維潮流數(shù)值模擬, 通過(guò)與原體資料的對(duì)比分析, 潮流場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果與觀測(cè)資料吻合良好, 計(jì)算出的潮流結(jié)果能夠體現(xiàn)本研究海域的實(shí)際潮流狀況。本次數(shù)值模擬說(shuō)明, ECOMSED模型可以很好地復(fù)演湛江灣上游海域的潮流運(yùn)動(dòng)情況。運(yùn)用該模型對(duì)本流域內(nèi)的溫度變化、鹽度分布及泥沙運(yùn)動(dòng)情況的模擬效果是否滿足要求有待進(jìn)一步的研究。

[1]吳江航, 韓慶書.計(jì)算流體力學(xué)、方法和應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社, 1988: 1-3.

[2]曾平, 段杰輝, 黃柱崇, 等.二維流冰消融數(shù)學(xué)模型[J].水利學(xué)報(bào), 1997, 5: 15-22.

[3]吳水波, 尹翠芳, 張乾, 等.近海三維數(shù)值模型簡(jiǎn)介[J].污染防治技術(shù), 2010, 23(5): 17-29.

[4]趙群.基于SWAN和ECOMSED模式的大風(fēng)作用下黃驊港波浪、潮流、泥沙的三維數(shù)值模擬[J].泥沙研究,2007, 4: 17-26.

[5]郝瑞霞, 周力行, 陳惠泉.冷卻水工程中湍浮力射流的三維數(shù)值模擬[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展(A輯), 1999,14(4): 484-492.

[6]HydroQual Inc.A Primer for ECOMSED (version 1.3)[R].NJ: HydroQual, Inc., 2002.