基于sval波的小清河口附近海域的水動(dòng)力和輸沙率模擬

基于sval波的小清河口附近海域的水動(dòng)力和輸沙率模擬

近幾十年來，許多專家和科學(xué)家對(duì)河口灣的沉積物運(yùn)輸能力進(jìn)行了研究。朱建榮等人應(yīng)用改進(jìn)的生態(tài)模型結(jié)合沉積物運(yùn)輸模型，研究了最大渾濁帶形成的動(dòng)力機(jī)制。陸永軍等人在波浪流共同作用下，利用二維沉積物數(shù)學(xué)模型研究了渤海灣曹英店的開發(fā)方案。王家生等人在應(yīng)用水槽試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究了粘土顆粒的運(yùn)動(dòng)特征、水流條件和沉積物含量對(duì)粘性粘土顆粒運(yùn)動(dòng)的影響。目前,泥沙輸運(yùn)的數(shù)學(xué)模擬方法已廣泛應(yīng)用于許多河流、海岸地區(qū)。模型多采用二維方法,而河口與海岸環(huán)境中的泥沙輸運(yùn)具有明顯的空間三維特性,很有必要發(fā)展和完善海岸河口三維水沙數(shù)學(xué)模型。Wang將三維水動(dòng)力學(xué)模型的控制方程用普遍張量的形式表示,并復(fù)演了美國Galveston海灣的三維流動(dòng)和鹽度分布;Blaas等,利用RMOS三維模式模擬美國Californian南部沙洲的泥沙輸運(yùn);假冬冬等,將粘性河岸崩塌模擬力學(xué)方法與水沙模型相結(jié)合,構(gòu)建了考慮河岸變形的三維水沙數(shù)值模型。本文針對(duì)目前大風(fēng)浪天氣現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料不足,泥沙數(shù)學(xué)模型多使用二維模型等局限,立足于大量的實(shí)測(cè)資料,利用改進(jìn)的ECOMSED三維模型,定量研究大風(fēng)浪影響下萊州灣西岸小清河口海域泥沙輸運(yùn)變化特征,并在此基礎(chǔ)上,探討其對(duì)河口攔門沙演化的影響。1在渤海的應(yīng)用ECOMSED模型是基于POM模型發(fā)展起來,適用于淺水環(huán)境,如河流、海灣、河口和近岸,是一個(gè)比較穩(wěn)定而可靠的水力學(xué)-泥沙輸運(yùn)模型,可以較為真實(shí)地模擬環(huán)流、溫度鹽度、粘性與非粘性泥沙的輸運(yùn)、沉積與再懸浮。該模型已經(jīng)在許多河口海岸地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用和驗(yàn)證。ECOMSED模型計(jì)算海域泥沙輸運(yùn)的第一步,是模擬海區(qū)的水動(dòng)力環(huán)境。研究區(qū)域的海水以潮流的運(yùn)動(dòng)為主,利用ECOMSED模型的水動(dòng)力模塊,通過大小網(wǎng)格嵌套來模擬研究區(qū)域的潮汐潮流運(yùn)動(dòng)。大區(qū)為整個(gè)渤海,小區(qū)為小清河口附近海區(qū)。波浪模擬時(shí),考慮到ECOMSED自身波浪模塊不能計(jì)算空間變化的風(fēng)場(chǎng)、波浪折射和波浪破碎效應(yīng),這里采用SWAN模型的計(jì)算結(jié)果作為波浪參數(shù)在每一步輸入到ECOMSED模型。已有研究者采用SWAN模型在渤海進(jìn)行風(fēng)浪模擬,結(jié)果顯示SWAN模擬風(fēng)浪符合觀測(cè)實(shí)際。鑒于此,本文不再進(jìn)行SWAN適用性的驗(yàn)證。泥沙輸運(yùn)計(jì)算采用SED模塊模擬,主要模擬粘性和非粘性泥沙的再懸浮、沉積和輸運(yùn)。粘性泥沙包括細(xì)顆粒沉積物和粒徑小于75μm的部分;非粘性泥沙,主要是細(xì)砂,粒徑在75~500μm范圍。底床屏蔽的影響也被引入非粘性泥沙的輸運(yùn)模擬。萊州灣西岸小清河口附近地區(qū)(圖1)為典型的粉砂淤泥質(zhì)海岸,潮灘坡度平緩,平均比降1/2000。海底地形平緩,水深一般在7m以內(nèi)。底質(zhì)屬粉砂質(zhì),中值粒徑大都在3~7Φ之間,其活動(dòng)性在小清河口北側(cè)水域較強(qiáng),活動(dòng)性百分比范圍為50%~70%,其它海區(qū)活動(dòng)性相對(duì)較弱,多數(shù)在10%~30%之間。該區(qū)常風(fēng)向?yàn)镾E、SSE和S,出現(xiàn)頻率29.8%,但風(fēng)速較小,強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镹E,最大風(fēng)速28m/s。波浪參數(shù)計(jì)算時(shí),根據(jù)研究區(qū)常年的風(fēng)速變化特征,選取45°(NE)和22.5°(NNE)風(fēng)向的定常風(fēng)(風(fēng)向定義為來風(fēng)方向,北向?yàn)?°,順時(shí)針為正)。其中22.5°對(duì)應(yīng)的定常風(fēng),對(duì)研究區(qū)來說風(fēng)區(qū)最長,波浪成長比較充分;而45°對(duì)應(yīng)的定常風(fēng),其引起的NE向波浪是研究區(qū)的主浪向和強(qiáng)浪向波浪。懸浮體及底質(zhì)參數(shù)采用2007年冬季實(shí)測(cè)結(jié)果,站位見圖1。水深采用2007年實(shí)測(cè)值插值到模型網(wǎng)格。2模擬結(jié)果對(duì)比模擬結(jié)果的檢驗(yàn)包括水動(dòng)力和輸沙率檢驗(yàn)等。首先,將ECOMSED模型計(jì)算的主要分潮調(diào)和常數(shù)與渤海19個(gè)驗(yàn)潮站(包括石油平臺(tái))的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果的絕對(duì)值平均誤差為:K1分潮的振幅為2.48cm,遲角為4.02°;M2分潮的振幅為4.47cm,遲角為3.45°。這與實(shí)測(cè)情況一致。從而保證大區(qū)的結(jié)果能夠?yàn)樾^(qū)的數(shù)值模型提供可靠的開邊界條件。根據(jù)大區(qū)模擬的結(jié)果給出小區(qū)的開邊界條件,從而模擬小區(qū)的流場(chǎng)。從模擬結(jié)果中摘取相應(yīng)數(shù)值與多船同步潮流觀測(cè)(站位分布見圖1)資料進(jìn)行比較,檢驗(yàn)?zāi)Ｊ浇Y(jié)果。比較發(fā)現(xiàn)模擬潮流結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合很好(圖2、圖3)。由水動(dòng)力檢驗(yàn)情況可看出,本模型能夠較好地模擬實(shí)際流場(chǎng)。輸沙率采用如下方法計(jì)算,先將計(jì)算的垂向平均流速的EW分量和NS分量分別乘以每層懸浮體濃度,并對(duì)整個(gè)水柱積分,然后再將輸沙率的EW分量和NS分量合成為輸沙率矢量。輸沙率的驗(yàn)證采用V3站的流速和懸浮體濃度數(shù)據(jù)。對(duì)比發(fā)現(xiàn),計(jì)算值與實(shí)測(cè)值處于同一數(shù)量級(jí)并具有相似的變化趨勢(shì)(圖4),說明本模型可以滿足輸沙強(qiáng)度數(shù)值模擬的需求。3結(jié)果與討論3.1浮體濃度和底床沖淤變化為了說明大風(fēng)浪對(duì)泥沙輸運(yùn)及海底泥沙活動(dòng)的影響,將對(duì)一般天氣(風(fēng)速取為5m/s)和大風(fēng)浪天氣下懸浮體濃度變化和底床沖淤變化進(jìn)行對(duì)比分析。在懸浮體和底床沖淤計(jì)算中,分別選取了對(duì)其影響最大的定常風(fēng)向,風(fēng)速參數(shù)選取參照歷史氣象資料。(1)懸浮體濃度分布根據(jù)海區(qū)特征,結(jié)合羊角溝氣象站常年的風(fēng)速變化情況,本文的模擬選取22.5°(NNE)的風(fēng)向,大風(fēng)風(fēng)速取為12m/s。一般天氣下,海域表層懸浮體濃度分布(圖5(a))呈現(xiàn)明顯的北高、南低和河口近岸低、離岸高的特點(diǎn)。河口近岸海域表層懸浮體濃度均小于40g/m3。大風(fēng)浪作用下海區(qū)泥沙懸運(yùn)作用非常明顯(圖5(b)),懸浮體濃度分布與風(fēng)前(圖5(a))有較大差異,總的趨勢(shì)為近岸懸浮體濃度增大,而離岸較遠(yuǎn)海域懸浮體濃度基本未變。小清河口近岸海域表層懸浮體濃度增加顯著,特別在小清河口主泓道以北區(qū)域,懸浮體含量最大值將近400g/m3,大約是無風(fēng)時(shí)的10倍。(2)般天氣沖淤特征底床沖淤速率由計(jì)算末時(shí)刻底床厚度減去初時(shí)刻底床厚度,再除以時(shí)間間隔得到。由于模型穩(wěn)定后只模擬了1個(gè)月的底床變化,將根據(jù)此模擬結(jié)果作為一般天氣下的底床沖淤變化。在模擬大風(fēng)天氣底床沖淤變化時(shí),參照該區(qū)極端天氣氣象特征,風(fēng)參數(shù)選取45°(NE)的風(fēng)向,風(fēng)速取為25m/s?？紤]到誤差等因素影響,均將沖淤變化在-1~1mm之間的區(qū)域視為沖淤平衡的穩(wěn)定區(qū)。一般天氣下海區(qū)月底床沖淤變化特征為(圖6(a)):穩(wěn)定區(qū)范圍廣闊,面積占研究區(qū)80%以上,主要分布在離岸較遠(yuǎn)的海域。沖淤區(qū)范圍較小,主要分布在小清河口兩側(cè)近岸海域。其中,小清河口北側(cè)海域有一較強(qiáng)侵蝕區(qū),沖刷速率在2.5~10cm/a之間;淤積區(qū)主要分布在小清河口門主泓道兩側(cè)的近岸區(qū)域,淤積幅度一般在2.5~10cm/a之間。其間分布?jí)K狀強(qiáng)淤積帶,最大年淤積量約為25cm;大風(fēng)浪天氣下海區(qū)底床沖淤變化特征為(圖6(b)):離岸區(qū)受風(fēng)影響較小,仍保持沖淤平衡的穩(wěn)定狀態(tài);近岸區(qū)對(duì)風(fēng)影響敏感,底床沖淤變化劇烈。沖刷區(qū)廣泛分布在離河口較遠(yuǎn)的近岸海域,淤積區(qū)只存在于河口口門兩側(cè)近岸海域。沖淤速率一般在2~10cm/d之間。相比一般天氣,大風(fēng)浪對(duì)近岸海域底床沖淤變化影響劇烈。沖淤區(qū)分布格局變化不大,但沖刷區(qū)范圍和沖淤速率急劇增大。大風(fēng)期1d的底床沖淤量甚至達(dá)到了一般天氣下1年的沖淤量?？梢?風(fēng)暴潮等大風(fēng)浪天氣成為底床沖淤變化的一個(gè)重要影響因素。3.2坡向南運(yùn)移作用小清河口攔門沙為-1m水深的淺水帶。在統(tǒng)一坐標(biāo)系和深度基準(zhǔn)下,對(duì)1985年和2007年水深數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析,提取-1m等深線,以追蹤攔門沙演化特征(圖7)。1985~2007年河口北側(cè)攔門沙不斷向東偏南生長發(fā)育,攔門沙前緣向東偏南推進(jìn)約1.5km,年均推進(jìn)速率0.068km/a。分析其原因,一般天氣下,該區(qū)泥沙來源不豐富,主要為區(qū)域泥沙懸浮再搬運(yùn)。泥沙在潮流作用下做離岸-向岸的往復(fù)運(yùn)動(dòng),落潮流速大于漲潮流速,泥沙向東運(yùn)移,其成為攔門沙向東生長演化的部分驅(qū)動(dòng)力;大風(fēng)浪影響下,海域泥沙迅速起運(yùn),加之岸灘侵蝕物質(zhì)及黃河泥沙南下等共同作用,底床沖淤變化劇烈。北向大風(fēng)作用下,海域泥沙以向南運(yùn)移為主,部分泥沙在北側(cè)攔門沙處淤積,促使該處沙體向南淤積發(fā)育。大風(fēng)期該處底床淤積量1d可達(dá)10cm,幾乎為平時(shí)1年的淤積幅度。由此可認(rèn)為,大風(fēng)浪對(duì)河口北側(cè)攔門沙的推進(jìn)演化起重要作用。4底床沖淤變化數(shù)值模擬結(jié)果表明:(1)大風(fēng)浪天氣主要影響該區(qū)近岸泥沙輸運(yùn),離岸較遠(yuǎn)區(qū)受其影響較小。(2)大風(fēng)浪影響下,近岸表層懸浮體濃度