宁波舟山近海三维潮汐潮流数值模拟
陈书录熊伟;刘必劲;孙昭晨;梁书秀;张亦飞
【摘 要】利用FVCOM模型对宁波舟山近海的潮汐潮流进行了三维数值模拟,并对其水动力特性作了相应分析.FVCOM模型采用非结构化三角形网格,很好地解决了精确拟合宁波舟山岛的复杂岸线的问题.基于计算区域内的海床性质,采用Koutitas公式对FVCOM模型的中海底摩阻系数的计算进行了改进.通过计算域内多个潮位站和海流站的实测资料验证表明,改进的摩阻系数计算公式是合理的,流场的计算结果与实测符合良好,可以用于三维污染物扩散和泥沙输移计算.%By means of FVCOM model,the tide and tidal currents in the seas adjacent to Ningbo and Zhoushan were simulated.Furthermore,the dynamic characteristics of tide were analyzed.The grid system of FVCOM model was unstructured triangle mesh,which solved the accurate fitting of complex of Ningbo and Zhoushan shoreline.Based on the property of seabed in the calculation zone, Koutitas formula was used to instead of the original calculation method of drag coefficient in FVCOM.Comparing the computed values with those tidal observatories, the improved formula proved to be reasonable and the two values are in good agreement.The computed model can be used for 3D pollutant concentration and sediment transport calculation.
【期刊名称】《水道港口》
【年(卷),期】2011(032)006
【总页数】9页(P399-407)
【关键词】摩阻系数;潮汐;潮流;数值模拟;FVCOM模型
【作 者】熊伟;刘必劲;孙昭晨;梁书秀;张亦飞
【作者单位】大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,大连116023;大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,大连116023;国家海洋局杭州海洋工程勘测设计研究中心,杭州310012;大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,大连116023;大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,大连116023;国家海洋局杭州海洋工程勘测设计研究中心,杭州310012
【正文语种】中 文
【中图分类】P731.23;O242.1
Biography：XIONG Wei（1988-），male，master student.
宁波舟山及其近海水域岛屿密布，漕滩相间，深水航道众多，地形极其复杂。由北往南的海湾主要有杭州湾、象山港和三门湾，这些都是强潮海湾且湾内有大面积的浅滩。宁波舟山岛内的主要深水航道有金塘水道、册子水道、螺头水道、佛渡水道等。
国内学者对于杭州湾及浙江近海的潮流特性和数值模拟做了一定的研究。曹德明等［1-2］用有限差分法对杭州湾的潮汐、潮流进行了二维数值模拟；李身铎［3］采用垂向σ坐标下的三维数值模式模拟了杭州湾三维潮波运动；陈倩等［4］采用改进后的HAMSOM模式对浙江近海潮汐潮流进行了三维数值模拟；寿玮玮［5］采用ECOM模型对舟山岛附近海域水动力场进行了三维数值模拟。但是大多数采用矩形网格和调和常数来模拟该区域内的流场，由于矩形网格不能很好地拟合这一区域的复杂岸线，加之采用调和常数进行潮流数值模拟，潮位和潮流的计算结果缺乏一定的精度，而且重要的是没有详细的讨论这一区域的
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海底摩阻系数的计算及其对水动力场的影响。采用基于有限体积法的三维FVCOM模型，利用宁波市海洋环境检测中心2009年对该区域进行的枯水期和丰水期水文调查实测资料，建立了宁波舟山及其近海的三维水动力模型，发现海底摩阻系数对这一区域的水动力场影响较大，并采用Koutitas公式计算这一区域的海底摩阻系数，经验证计算值与实测值符合良好。
FVCOM模型的全称是非结构网格的有限体积法海洋模式。该模型采用非结构化的三角形网格，能够精确的拟合复杂曲率的岸界；采用有限体积法，能够在整个计算区域内更好的保证了各物理量的守恒。该模型采用垂向静压假定，垂直方向采用σ坐标变换，使垂向沿水深的分层更趋合理。σ坐标下的连续性方程、动量方程和温盐方程如式（1）～式（5）
式（1）～式（3）分别是连续性方程、x方向的动量方程和y方向的动量方程，式（4）、式（5）分别是温度和盐度方程。其中u，v，ω分别是σ坐标系下的水平速度和垂向速度。σ取值从海底处-1到海表面处0。此模型采用新的MY-2.5湍流闭合模型求解垂向湍流黏滞系数和扩散系数。具体的湍动能扩散方程和详细描述见文献［6］，具体的数值离散格式详见文献［7］，这里不再一一赘述。
1.2.1 自由表面条件
运动学边界条件
动力学边界条件
式中：τsx，τsy分别为风应力矢量在x和y方向上的分量。
amazing things温盐边界条件
式中：Qn（x，y，t）为表面静热通量；SW（x，y，0，t）为在海表面处短波辐射通量；cp为海水比热系数。
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1.2.2 海底条件林木林地权属争议处理办法
运动学边界条件
动力学边界条件
式中：τbx，τby分别为底摩擦应力在x和y方向上的分量。
温盐边界条件
1.2.3 侧边界条件
侧边界可分为岸边界与开边界两种。
（1）岸边界：海岸线或沿岸建筑物即为不透水的岸边界，水质点沿岸线切向自由滑移，其边界条件为
安持人物琐忆 pdf式中：n为岸边界的法向量。
（2）开边界：FVCOM模型中有2种开边界条件，即采用调和常数或实时水位，本模型中采用实测潮位资料作为开边界。
由于杭州湾涨落潮流受到宁波舟山岛的影响，并考虑已有实测潮位资料的站点位置，确定计算范围的开边界为北起芦潮港，往东至嵊山，然后转向西南，延伸至渔山列岛，最后与三门湾健跳相连；另外，将余姚和澉浦相连作为杭州湾内另一开边界。模型经纬度范围为120.902°E～122.800°E，28.885°N～30.855°N，计算范围如图1所示。网格数量为165 450，节点总数为86 659。网格步长最大3 500 m，最小为150 m，计算网格如图2所示。
本模型计算中垂向均匀分5层，时间步长取为1.0 s。考虑了研究区域内2009年枯水期（2月25日～3月11日）和丰水期（6月21日～7月5日）各15 d的潮位变化，开边界上的潮位根据主要潮位测站的实测潮位资料进行线性插值得到，所有测站的潮位高程基准面和水深基准面统一采用国家85高程。由于缺乏温度盐度的实测资料，本文中温度盐度不予计算。
2.2.1 海底摩阻系数的设置与讨论
在研究中发现这一区域的水动力场对海底摩阻系数甚为敏感，特在此做详细讨论。FVCOM模型中采用的海底摩阻系数计算表达式为
式中：k为卡门常数，一般取为0.4；zab为最底部水层的厚度；zo为海床糙率高度，其值的大小主要与床面泥沙的粒径、级配和床面几何形状有关。因此，Cd应该是与水深和底质类型有关的一个参数。由式（14）计算出的Cd≥0.002 5，而对于淤泥质海床，其zo一般很小，摩阻系数远小于0.002 5，在这种情况下，式（14）中取max值计算Cd并不合适。
在模拟过程中，针对杭州湾内1#测流站局部区域做了0.002 5和0.000 8两种摩阻系数下水动力的计算，将计算结果与实测流速大小进行了比较分析（图3）。由图3可以看出，摩阻
系数取为0.002 5时计算流速与实测值比较明显偏小，摩阻系数取为0.000 8更为合适。同理，对象山县外海至象山港内做了0.002 5和0.001 0两种摩阻系数下水动力计算，将象山港内乌沙山站的计算潮位值与实测值比较（图4）。由图4可以看出，摩阻系数的选取对象山港这一区域的潮位过程曲线的影响也较大，当Cd=0.002 5时象山港内乌沙山站的计算潮位较实测值滞后现象较为明显，而Cd=0.001 0时，滞后现象并不存在。
因此，对于淤泥质海岸，其海底摩阻系数一般很小且对水动力场的准确模拟有着很大影响，选取计算公式时应慎重。对多种摩阻计算公式的模拟结果进行比较，选取对数形式的摩阻系数计算式（Koutitas，1988）
