秦皇島西港水體交換數(shù)值模擬研究

許婷，韓志遠，溫春鵬（.交通運輸部天津水運工程科學研究所，工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津　300456；2.天津大學環(huán)境科學與工程學院，天津　300072）

秦皇島西港水體交換數(shù)值模擬研究

許婷1，2，韓志遠1，溫春鵬1
（1.交通運輸部天津水運工程科學研究所，工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456；2.天津大學環(huán)境科學與工程學院，天津300072）

摘要：結(jié)合秦皇島海域最新水動力條件，依據(jù)現(xiàn)場水文測驗資料，以溶解態(tài)的保守物質(zhì)作為港內(nèi)示蹤劑，建立對流-擴散的海水交換數(shù)學模型。通過模擬對流-擴散過程研究秦皇島西港區(qū)水體交換現(xiàn)狀，結(jié)果表明，秦皇島西港區(qū)水體交換能力平面分布極不均勻，距離口門越近潮流進出越通暢，水體交換能力相應(yīng)越強，反之則越弱。連續(xù)潮作用30 d后，西港各區(qū)域水體交換率30%～95%不等，不同區(qū)域水交換率差異顯著。若將西港作為整體考慮，連續(xù)潮作用30 d后平均交換率約為78%，造成西港水域區(qū)域性水交換率差異較大的原因是西港水交換控制機制的區(qū)域性差異較大。

關(guān)鍵詞：秦皇島西港；潮流；對流-擴散；水體交換；濃度示蹤

1　問題的提出

秦皇島西港是一座具有百年歷史的港口，是我國最早的開埠口岸之一。它始建于19世紀初，是我國近代早期的貨運碼頭，也是秦皇島市“立港建市”的歷史發(fā)源地。目前，它是世界上年吞吐量最大的煤炭輸出碼頭之一。隨著近年來秦皇島港沿岸的進一步開發(fā)，日益迫切的港內(nèi)水域環(huán)境保護需要了解發(fā)生在工程海域系統(tǒng)中許多生物過程和化學過程的物理背景，港內(nèi)水體交換能力的了解對于港內(nèi)水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境的研究都具有重要意義。

目前國內(nèi)外對秦皇島西港水體交換能力的研究鮮見報道，有必要基于目前最新的邊界條件，對秦皇島西港水體交換強度和港內(nèi)海水自我凈化能力進行重新認識。

近岸海域水體交換研究中，數(shù)學模型是目前最常用的研究手段，國內(nèi)外學者相繼開發(fā)了箱式模型、質(zhì)點追蹤模型、對流擴散模型和CART等多種不同的數(shù)學模型。例如：胡建宇運用箱式模型對羅源灣的海水半交換期進行了計算[1]。Thompson等在質(zhì)點追蹤模型的基礎(chǔ)上考慮了紊流擴散的作用，從而描述流場的非均勻特性[2]。羅鋒等采用EFDC對流擴散模式對樂清灣水交換進行研究，得到了樂清灣水交換的三維過程及水交換的時空變換特征[3]。Hong等應(yīng)用CART模型對Baltimore港進行了研究[4]。

本文結(jié)合秦皇島海域最新水動力環(huán)境，通過以溶解態(tài)的保守物質(zhì)作為港內(nèi)示蹤劑，建立對流-擴散型的水交換數(shù)學模型，通過模擬對流-擴散過程研究秦皇島西港水體交換能力。

2　秦皇島海域地形特點與水動力環(huán)境

2.1秦皇島海域地形特點

秦皇島海域岸線受金山咀、秦皇島角、老龍頭和環(huán)海寺地咀等基巖岬角控制，整體呈ENE—WSW向，僅金山咀至湯河口岸線呈NNE—S向。沿岸潮間帶內(nèi)主要為砂質(zhì)沉積物，海岸性質(zhì)為岬灣沙質(zhì)海岸。2011年2—3月，根據(jù)研究需要，組織了一次大規(guī)模水文測驗，在秦皇島海域布設(shè)了2個臨時潮位站，同時布設(shè)了9條水文垂線，于大、小潮期間，各連續(xù)27 h測量流速、流向、含沙量、水溫、鹽度，為掌握秦皇島海域潮汐潮流特性提供了可靠的數(shù)據(jù)。秦皇島海域形勢及觀測點布置見圖1。

圖1　秦皇島海域形勢和觀測點布置圖Fig.1　Sketch of topography and station locations in Qinhuangdao sea area

2.2潮汐特性

研究海域受以秦皇島附近為中心的旋轉(zhuǎn)潮波控制，靠近半日潮無潮點。據(jù)2011年2—3月工程區(qū)附近潮位觀測資料做調(diào)和分析[5]，潮性系數(shù)（HK1+HO1）/HM2均大于4，說明該海域?qū)僖?guī)則日潮區(qū)。但其實測HK1值介于0.27耀0.30 m之間，小于遼東灣北部半日潮海區(qū)葫蘆島附近HK1值（0.37 m），因此該半日潮是入射波與反射波疊加的結(jié)果，決定了本海域日潮潮汐和半日潮流的異常特征。由于本海域靠近無潮點，整體潮差較小。據(jù)2011年2—3月實測潮位資料統(tǒng)計結(jié)果顯示，金山咀和西港區(qū)站的潮差均較小，最大潮差分別為1.4 m和1.49 m，平均潮差均為0.73 m。大潮期間各站均表現(xiàn)為明顯的一漲一落日潮特征，小潮時半日潮特征明顯增強。

2.3潮流特性

秦皇島海域潮流屬非正規(guī)半日淺海潮流，潮流基本呈順岸往復流運動，漲潮流向基本為WSW向，落潮流向基本為ENE向，主流向與岸線或等深線基本平行。根據(jù)2011年2—3月工程區(qū)附近海域9條水文垂線觀測分析結(jié)果，各垂線流速整體較小，漲、落潮差異較小，且大、小潮差異也不很明顯。各垂線漲潮平均流速介于0.05耀0.17 m/s之間，漲潮最大流速介于0.14耀0.34 m/s之間，落潮平均流速介于0.03耀0.19 m/s之間，落潮最大流速介于0.10耀0.27 m/s之間。在平面分布上，湯河口附近的V7站及靠近岸邊V1站的水深最小，其流速也最小，兩站漲、落潮平均流速均小于0.10 m/s，漲、落潮最大流速均小于0.20 m/s；其余各垂線離岸距離較遠水深也較大，漲、落潮平均流速均大于0.10 m/s，漲、落潮最大流速基本都大于0.20 m/s。各垂線流速在垂線分布上變化不大，呈表層流速大、底部小的變化特征。漲潮流速表、底層平均比值在1.38左右，落潮流速表、底層平均比值在1.25左右。各垂線漲、落潮流平均歷時分別為5 h 59 min和6 h 13 min，大潮分別為6 h 和6 h 16 min；小潮分別為5 h 59 min和6 h 07 min。

3　二維潮流及對流擴散模型的建立

潮流計算采用Mike系列軟件中的三角形網(wǎng)格水動力模塊（FM模塊）。該軟件由丹麥水工所開發(fā)，可以應(yīng)用于海洋、海岸、河口區(qū)域的二、三維水動力計算。FM模塊采用三角形網(wǎng)格，在處理潮流動邊界、復雜工程建筑物邊界等方面具有強大的功能，在國內(nèi)外許多工程項目研究中得到了廣泛應(yīng)用。

在控制方程的求解過程中使用有限體積法進行離散，采用三角形網(wǎng)格；時間積分采用顯式歐拉格式；在計算中采用干濕網(wǎng)格方法對淺灘進行考慮[6]。

對水體交換程度的模擬采用示蹤劑法，即在水域內(nèi)部設(shè)置溶解態(tài)無降解守恒物質(zhì)，并考察其在潮流動力作用下的濃度擴散情況。示蹤劑輸運采用基于歐拉物質(zhì)輸運的對流擴散方程形式[7]。

3.1潮位和潮流的驗證

根據(jù)2011年2—3月的水文測驗資料進行驗證，由實測與計算結(jié)果的比較可見，測站的計算與實測潮位、流速、流向在連續(xù)的變化過程中都比較接近[5]，驗證結(jié)果符合交通運輸部《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》的要求，模型驗證是成功的，可用于秦皇島西港水體交換計算。

3.2港池內(nèi)網(wǎng)格獨立性驗證

對于瞬態(tài)數(shù)值模擬，需要確定計算所用的網(wǎng)格數(shù)量與計算獲得的結(jié)果之間無關(guān)聯(lián)性，也就是要進行網(wǎng)格獨立性（無關(guān)性）驗證。本文比較關(guān)注的是溶解態(tài)保守物質(zhì)示蹤劑對流擴散現(xiàn)象，而對流擴散現(xiàn)象與示蹤劑濃度密切相關(guān)，因此取港池內(nèi)示蹤劑濃度變化進行網(wǎng)格獨立性驗證。在港內(nèi)選取3個點，距離口門分別為800 m、1 400 m、2 100 m（具體位置如圖1所示），然后比較其不同網(wǎng)格數(shù)下（網(wǎng)格數(shù)23 407、28 964、34 759、39 623）港內(nèi)水體交換15 d后3個代表點A點、B點、C點的示蹤劑濃度值。

從圖2可以看出，當網(wǎng)格數(shù)從23 407增至39 623時，隨著網(wǎng)格數(shù)的增加，3個代表點的濃度值變化很小，說明模型網(wǎng)格數(shù)量對計算結(jié)果影響很小，可認為2萬的網(wǎng)格數(shù)量已經(jīng)達到與網(wǎng)格數(shù)無關(guān)了，因此選取23 407的網(wǎng)格數(shù)量作為最終計算網(wǎng)格數(shù)，以提高計算效率。

圖2　網(wǎng)格無關(guān)性驗證結(jié)果圖Fig.2　Verification of grid independent

3.3流場特征

由上述的潮流特性分析可見，秦皇島海域天然水流動力較弱。加之秦皇島海域順岸往復流運動特征，水流運動方向與西港口門平行，港內(nèi)水體與外海之間更不易經(jīng)由口門進行充分交換。秦皇島海域漲急流場分布見圖3。

4　濃度示蹤劑方法研究水體交換

目前對水體交換常用的數(shù)值模擬手段是基于歐拉法的示蹤劑濃度統(tǒng)計，其原理為在研究水域內(nèi)設(shè)置溶解性的守恒物質(zhì)，該物質(zhì)將隨水體攜帶，且無降解。因此，守恒物質(zhì)的對流與擴散直接反映了水體的運動形式。

圖3　秦皇島海域漲急流場分布圖Fig.3　Flow field at flood and ebb fast tide

基于以上考慮，本研究于秦皇島西港區(qū)內(nèi)布置初始濃度為1的守恒性物質(zhì)，其余以外水域物質(zhì)濃度設(shè)置為0。為充分了解各工程方案實施后的水體交換情況，本次模擬時段采用連續(xù)潮作用半個月。由于采用守恒物質(zhì)，衰減系數(shù)取F=0，點源濃度設(shè)置S=0。物質(zhì)擴散系數(shù)取為與水流紊動黏性系數(shù)相等，即滓T=1.0。經(jīng)一定的時間過程后，自港內(nèi)擴散至港外的物質(zhì)總量占港內(nèi)初始物質(zhì)總量的百分比即為水體交換率，統(tǒng)計計算表達式見式（1）。

式中：EX為水體交換率；C為物質(zhì)濃度；D為總水深；i為統(tǒng)計域內(nèi)的節(jié)點編號；N為統(tǒng)計域內(nèi)的節(jié)點總數(shù)；j為時刻編號。

為方便分析，將秦皇島西港區(qū)內(nèi)水域分為若干區(qū)域，并對各區(qū)域水體交換情況分別進行了統(tǒng)計。圖4示意了秦皇島西港區(qū)內(nèi)水體交換率統(tǒng)計區(qū)域具體劃分，表1給出了西港區(qū)內(nèi)水體交換率分區(qū)統(tǒng)計結(jié)果，圖5給出了秦皇島西港區(qū)內(nèi)水體交換30 d后示蹤物質(zhì)濃度。

圖4　秦皇島西港區(qū)內(nèi)水體交換率統(tǒng)計區(qū)域劃分Fig.4　Regional division of the water exchange rate in theQinhuangdao West Port area

表1　秦皇島西港區(qū)內(nèi)水體交換率分區(qū)統(tǒng)計Table 1　Divisional statistics on the water exchange rate inthe Qinhuangdao West Port area

圖5　秦皇島西港區(qū)內(nèi)水交換30 d后示蹤物質(zhì)濃度Fig.5　Tracer concentration after water exchange in 30 days in the Qinhuangdao West Port area

總體來說，秦皇島西港區(qū)內(nèi)水體交換能力平面分布極不均勻，距離口門越近潮流進出越通暢，水體交換能力相應(yīng)越強，反之則越弱；位于西港區(qū)口門處的G區(qū)水體交換能力最強，1 d后水體交換率即可達到80%以上，水體交換30 d后，交換率為95%；靠近口門附近的H區(qū)、I區(qū)水體交換能力其次，1 d后水體交換率近50%以上，水體交換30 d后，交換率分別為94%和93%；西港區(qū)內(nèi)的A區(qū)、C區(qū)、D區(qū)、F區(qū)水體交換15 d后，交換率分別為82%、83%、83%、84%；西港區(qū)內(nèi)的E區(qū)、J區(qū)水體交換30 d后，交換率分別為77%和54%；西港區(qū)內(nèi)的B區(qū)水體交換能力比較弱，水體交換30 d后，交換率僅30%；若將整個秦皇島西港區(qū)內(nèi)的水域作為一個整體考慮，連續(xù)潮作用30 d后平均交換率約為78%。

從統(tǒng)計結(jié)果可知，秦皇島西港不同區(qū)域水交換能力差異較大，其原因是西港水交換控制機制的區(qū)域性變化較大。秦皇島西港內(nèi)示蹤物質(zhì)僅能通過口門這個唯一通道被口門以外的新鮮海水置換出去。外海天然流場呈順岸往復流運動特征，與口門平行，不利于港內(nèi)水體與外海新鮮海水的交換，其中靠近口門附近的港內(nèi)水域由于與外海直接連通，外海順岸的往復流經(jīng)由口門前沿時會直接灌入，產(chǎn)生水體交換，并會在口門附近形成一定的回流區(qū)，而靠近港內(nèi)側(cè)水域的水體交換僅能靠口門處輻散進來的新鮮水體進行置換，由于港內(nèi)流速極低，小于0.05 m/s，因此水體交換速率緩慢。靠口門越近的區(qū)域，示蹤物質(zhì)越容易被外界的落潮流帶出港外，與外界海水混合的機率越大，水交換速率越快，水交換能力越強，而越靠港內(nèi)側(cè)的區(qū)域，其示蹤物質(zhì)運移到口門的行程越長，加之越靠港內(nèi)側(cè)水動力強度越弱，示蹤物質(zhì)在隨潮流的往復運動中縱向混合無法充分開展，潮混合能力較口門附近處水域小得多。因此，越靠港內(nèi)側(cè)，與港外新鮮海水摻混的機率越小，水交換速率越慢，水交換能力越差。

據(jù)秦皇島海洋站多年風資料統(tǒng)計結(jié)果，工程區(qū)附近常風向為W向，出現(xiàn)頻率約為10.37%，其次為WSW向，出現(xiàn)頻率約為9.39%。強風向為ENE向，出現(xiàn)頻率約為7.31%。1耀3級風出現(xiàn)頻率為80.69%，4耀5級風的出現(xiàn)頻率為17.74%，大于6級風出現(xiàn)頻率僅為1.64%。可見，秦皇島西港區(qū)所在海域1 a內(nèi)80%以上天數(shù)為1耀3級風，風力很小，而秦皇島西港天然水深超過-10 m，水深較深，不易形成風生流現(xiàn)象，因此，可以忽略風生流現(xiàn)象對秦皇島西港水體交換的影響。

5　結(jié)語

本文首先分析了秦皇島海域最新水動力條件，然后基于最新實測資料對潮位和潮流進行驗證，最后建立秦皇島海域潮波運動及可溶性物質(zhì)的對流-擴散數(shù)學模型，對秦皇島西港區(qū)水體交換現(xiàn)狀開展數(shù)值模擬研究，主要結(jié)論有：

1）秦皇島海域?qū)籴禐诚嚅g的沙質(zhì)海岸，基本呈ENE—WSW走向，近岸水下地形坡度較陡，西港海域靠近半日潮無潮點，潮差較小，潮流動力較弱，屬半日潮流，總體呈順岸往復運動。

2）秦皇島西港區(qū)水體交換能力平面分布極不均勻，距離口門越近潮流進出越通暢，水體交換能力相應(yīng)越強，反之則越弱。連續(xù)潮作用30 d后，西港各區(qū)域水體交換率30%～95%不等，不同區(qū)域水交換率差異顯著。若將西港作為整體考慮，連續(xù)潮作用30 d后平均交換率約為78%。

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E-mail：xuting1228@163.com

中圖分類號：U652.3；P731.2

文獻標志碼：A

文章編號：2095-7874（2016）01-0010-05

doi：10.7640/zggwjs201601003

收稿日期：2015-08-05

基金項目：國家自然科學基金資助項目（51209111）；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目（Tks150210）

作者簡介：許婷（1985— ），女，山東菏澤市人，博士研究生，助理研究員，主要從事海岸河口水動力泥沙及水環(huán)境數(shù)值模擬研究。

Numerical simulation of water exchange capability in Qinhuangdao West Port

XU Ting1,2,HAN Zhi-yuan1,WEN Chun-peng1
（1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,M.O.T.,Key Laboratory of Engineering Sediment of Ministry of Communications,Tianjin 300456,China;2.School ofEnvironmental Science&Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072）

Abstract：By combining the latest hydrodynamic conditions of sea areas in Qinhuangdao,and based on the observed hydrological data,with dissolved conservative material as a tracer in harbor,we set up a seawater exchange mathematical model of convection-diffusion.A research was made onto the current exchange situation of water resources in Qinhuangdao West Port through the simulation of the convection-diffusion process.The results show that the horizontal distribution is extremely uneven for the exchange capacity of water resources in Qinhuangdao West Port.Closer distance from the entrance and more unobstructed inlet&out of tide will result in stronger exchange capacity of water resources.Conversely,the exchange capacity is weaker.After the tide action for 30 consecutive days,the exchange rate of water varies from 30%～95%in various areas in West Port.The exchange rate has significant difference in different areas.If West Port is considered as a whole,the average exchange rate is approximately 78%after the tide action for 30 consecutive days.The reason for relatively great difference in regional exchange rate in West Port is comparatively large regional difference in the exchange control mechanism in West Port.

Key words：Qinhuangdao West Port;current;convection-diffusion;water exchange;concentration tracer