潮流數學模型計算方法及工程應用

李 超

(中核華電河北核電有限公司，河北 滄州 061000)

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潮流數學模型計算方法及工程應用

李 超

(中核華電河北核電有限公司，河北 滄州 061000)

介紹了潮流數學模型的建立方法，并以黃驊港海域為例，結合附近海域的氣象條件，通過該模型，模擬計算了潮流運動規律，對黃驊港地區海工工程建設及航運安全具有重要的意義。

黃驊港，潮流數學模型，氣象條件，運動規律

黃驊港海域是粉砂質海岸，潮流運動對泥沙的活動性具有至關重要的影響，加之黃驊港海域灘緩水淺，波浪破碎區寬闊。因此，建立潮流數學模型，研究潮流運動規律對黃驊港地區的工程項目建設以及航運安全具有十分重要的意義。文章描述了建立潮流數學模型的方法，結合當地氣象條件，確定了黃驊港海域的潮流運動規律，希望能夠為相關海工工程項目提供參考。

1 建立潮流數學模型

潮流數學模型的計算采用Mike21系列軟件中的水動力模塊(FM模塊)，FM模塊是由丹麥水工所開發，可應用于海岸區域的水動力模擬計算，其模擬計算結果在國際和國內均具有較高的承認度。

水動力模塊的控制方程[1]采用二維淺水方程組，并將紊流作用以渦粘系數的形式參數化，其基本方程形式如式(1)所示:

(1)

(2)

其中，cf為拖曳力系數，可由Chezy系數C或Manning系數M計算，見式(3),式(4)，取Manning系數M=60。

(3)

(4)

(5)

為了較好的描述各種渦的形成，水平渦粘性系數E采用Smagorinsky亞網格尺度模型求解，即渦粘系數取為：

(6)

其中，Cs為可調系數，取為0.28;A為網格面積；Sij與速度梯度相關，即：

(7)

2 氣象條件

根據現場實測數據及歷史資料的整理與分析，黃驊港附近海域的氣象條件為：1)海域潮汐屬不規則半日潮，平均潮差2.04 m，潮流屬規則半日潮型，漲潮偏西，落潮偏東，潮段平均流速在0.25 m/s～0.42 m/s之間。2)海域全年以E,SW風最多，S,NE風次之，強風向主要來自NE向～E向，風況受季節變化較為明顯，其中夏、冬兩季大風出現的次數較低，春、秋季節大風出現頻率較高。本區常浪向為ENE向,E向和N向，強浪向為ENE和N向，波浪以風浪為主，少有涌浪，大風天實測波浪與風況具有良好的對應性，呈現風起即興，風衰即減。

3 計算范圍

為擬合岸線和航道、堤線等建筑物的邊界，應選用無結構三角形網格對大范圍計算區域進行分解；為適應波浪、潮流泥沙數學模型不同模擬的需求[2]，大范圍數學模型需包括整個渤海，局部模型范圍北起曹妃甸，南至東營，東西距離約130 km，南北距離約120 km。大范圍潮流模型邊界由中國海域潮汐模型提供，局部模型邊界條件由大模型提供，最大空間步長可達2 000 m，最小網格僅為10 m，局部模型共72 138個網格節點，能夠保證充足的網格分辨率，圖1為局部模型網格剖分示意圖。

4 潮位與潮流驗證

根據2014年3月～4月黃驊港實測的大、中、小潮全潮水文測驗數據對上述潮流數學模型進行驗證。

結果表明，測點的驗證結果基本符合《海岸與河口潮流泥沙模擬技術規程》要求(潮位誤差0.1m；潮段平均流速誤差率10%，往復流潮段平均流向誤差10°，旋轉流潮段平均流向誤差15°)。因此，總體來看，二維潮流數學模型在數值和相位上均與原型具有很好的相似性，可用于對潮流平面運動規律的模擬中，其預測結果具有良好的可信度。

5 潮流運動規律

根據2014年黃驊港實測數據，結合潮流數學模型，圖2,圖3給出了黃驊港大范圍海域漲、落急流場矢量圖，圖4中繪制了大潮全潮平均流速等值線。

6 結語

根據潮流數學模型計算結果，經分析，該海域潮流具有如下特征：

1)黃驊海域位于渤海灣的中部，整體潮流運動較為平順，漲潮時，外海水體自東向西流向近岸，在潮波傳至近岸的過程中，漲潮流向西南方向發生偏轉，落潮流基本呈現反向流動。由于黃驊港海域建設有多道潛堤，該處存在明顯的潛堤越流和堤頭繞流，港池內部流速普遍較低。

2)從流速量值角度，海域外海全潮平均流速在0.3 m/s～0.6 m/s左右，近岸流速基本不足0.2 m/s，黃驊港潛堤附近流速稍大，局部平均流速可達0.8 m/s以上，港池里段平均流速幾乎不足0.1 m/s，向外逐漸增加，但基本介于0.05 m/s～0.3 m/s之間。

[1] 侯慶志.曹妃甸海域圍填海工程動力地貌環境遙感分析[J].水利水運工程學報,2013(3):1-6.

[2] 姚珊珊.施工期懸沙擴散對電廠取水影響的數值模擬研究[J].水道港口,2014(2)：117-124.

On calculation method of tidal current numeric model and its engineering application

Li Chao

(CNNPCHDHebeiNuclearPowerCo.,Ltd,Cangzhou061000,China)

The paper introduces the establishment methods for the tidal current numeric model and undertakes the simulation calculation of the tidal current movement law by combining with the near offshore meteorological conditions by taking Huanghua Port as the example, so it is meaningful for the ocean engineering construction and harbor safety of Huanghua base.

Huanghua Port, tidal current numeric model, meteorological condition, movement law

1009-6825(2017)14-0227-02

2017-02-27

李 超(1983- )，男，工程師

TV131

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