膠州灣口潮汐潮流的數(shù)值模擬

膠州灣口潮汐潮流的數(shù)值模擬

海灣的潮量是可接受潮汐的體積。這是半封閉海灣生存能力的重要指標。其大小直接影響海灣和海陸之間的交換強度和污染物的遷移量，從而限制了海灣自凈能力和環(huán)境質(zhì)量。這對維護好的海灣環(huán)境非常重要。納潮量的變化直接影響海灣的潮流特性,關系海灣潮汐汊道的盛衰,影響港區(qū)航道的維持,還可能破壞水動力條件與海灣形態(tài)之間的動態(tài)平衡,使海灣槽灘形態(tài)隨之進行調(diào)整。由于在港口設計的前期水文調(diào)查工作中也大多需要進行納潮量的計算,因此,采用合理有效的辦法準確計算納潮量,對全面了解海灣水文條件、指導港口設計都有非常重要的意義。本研究將灣口走航的實測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果相結(jié)合,計算膠州灣納潮量,提出1種計算海灣納潮量的新方法,可供計算海灣納潮量時參考。1測量數(shù)據(jù)的計算1.1s1和s1納潮量傳統(tǒng)的納潮量的計算方法,多通過以下公式表示,即T=[(S1+S2)H]/2。其中:T為納潮量;S1和S2分別為高潮和低潮時的海灣面積;H為平均潮差。通過遙感圖像、海圖等方法,可獲取S1和S2的值,再利用平均潮差H計算納潮量。然而,由于S1和S2的獲取受到很多因素的影響,如潮間帶面積的取舍、復雜岸線海灣面積的計算等,因此,不同方法計算的納潮量相差可以達到總納潮量的15%。1.2走航斷面流量船載ADCP的走航觀測,于2006年9月和10月在膠州灣外口(團島—薛家島斷面)的大潮和小潮時進行。大約每走航觀測30m獲取1組ADCP數(shù)據(jù),每個航程得到100個左右的剖面數(shù)據(jù),每次均連續(xù)觀測25h。走航觀測示意,見圖1。走航觀測得到航線上每個剖面不同深度(取樣間隔設為1m)的流速和流向,在每一點上,取流速在走航斷面法線方向上的分量作為這個點的流速。不同深度的流速和這一層的深度相乘,再把各層的數(shù)據(jù)相加,得到這個點位置上的線流量。對于相鄰的2個觀測點,先計算出2點的線流量,再計算出2點在走航斷面的投影距離,并將2個線流量相加乘以投影距離除以2,即可得到通過這段投影的流量。按以上方法計算出每個投影截面的流量,再相加,即可得到通過整個走航斷面的流量。由于膠州灣較窄,20min可以跑完整個航程,因此,近似認為每次測得的數(shù)據(jù)是在同一時刻。走航觀測大約每h可以往返1趟,可計算得到2個總流量的數(shù)據(jù)。連續(xù)觀測25h,一共得到大約50個總流量的數(shù)據(jù)。對這50個數(shù)據(jù)進行插值,可得到連續(xù)25h任意時刻的流量。1.3流量測試根據(jù)插值得出的任意時刻流量,可以計算出每個潮期向膠州灣內(nèi)流入的水量和向灣外流出的水量,即納潮量。在每個潮期觀測過程中,可以計算得到3個納潮量的值。4個觀測期所計算的納潮量值,見表1。薛家島斷面大小潮實測值曲線,見圖2和圖3。圖2和圖3中,虛線表示薛家島驗潮站觀測水位,對應右側(cè)坐標,實線表示由實測數(shù)據(jù)計算的流量,對應左側(cè)坐標。從圖2和圖3可看出,與薛家島潮位站的潮位記錄相比較,流量實測值同水位具有非常好的一致性,即潮水向灣內(nèi)流時水位升高,當潮水由向灣內(nèi)流轉(zhuǎn)向灣外流時,水位上升到最高,并開始降低;潮水向灣外流時水位降低,當水位降到最低點時,也是潮水由向灣外流轉(zhuǎn)向灣內(nèi)流的時刻。落潮期間流量值出現(xiàn)1個抖動,經(jīng)過對實測數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn),是由于流速減小而導致的這種現(xiàn)象。模式針對這種現(xiàn)象進行數(shù)值模擬,并計算納潮量。2數(shù)值模擬計算2.1外模及邊界條件采用較為成熟的POM模式,區(qū)域設定在東經(jīng)120.05°—120.45°、北緯35.9°—36.3°范圍內(nèi)。采用直角網(wǎng)格,東西向劃分為180個網(wǎng)格,南北向劃分為220個網(wǎng)格,網(wǎng)格大小為200m×244m,垂向分為5層。模擬區(qū)域地形,如圖4所示。模式的初始條件采用零初始條件(t=0,u=v=η=0),潮位和流速均為零。由于是潮流的計算,而且計算區(qū)域較小,因此,不考慮溫度和鹽度的變化所帶來的斜壓效應,S、T設為常數(shù)。不考慮風應力對海表面的影響(wusurf=wvsurf=0),底摩擦系數(shù)由POM的經(jīng)驗公式給出。外模水位邊界條件,通過邊界的強迫,由分潮的調(diào)和常數(shù)給出,水位強迫公式為:其中:i=1~n代表n個分潮;H為振幅;σ為角速度;g為遲角;f為交點因子;u為交點訂正角;V0為初相角。V0取值與初時刻有關,f和u與模擬的時間段有關,調(diào)和常數(shù)H和g的值,可參考外海以往的模式計算值和經(jīng)驗值,并差值到邊界的網(wǎng)格點上。選取1個邊界水位較接近0的時刻作為初始值進行模擬,模式很快即可達到穩(wěn)定。2.2數(shù)值實驗2.2.1pom模式模擬根據(jù)渤、黃、東海潮汐的一種驗潮站資料同化數(shù)值模式,選取M2,S2,N2,O1,K1等5個分潮作為水位邊界,再將薛家島驗潮站35d的水位資料進行調(diào)和分析,作為水位邊界的調(diào)整,使用POM模式進行模擬。模式運行15d的模擬結(jié)果,見圖5—圖7。圖5—圖7中,虛線表示模擬水位,對應右側(cè)坐標,實線表示模擬流量,對應左側(cè)坐標。由模擬結(jié)果與實測值相比發(fā)現(xiàn),流量與水位的對應關系對應較好,即流量為正時,水位一直上升,流量為負時,水位一直降低;當流量由正轉(zhuǎn)負時,也是水位達到最大值并開始降低的時刻,當流量由負轉(zhuǎn)正時,也是水位達到最小值并開始上升的時刻。但是模擬的流量值,并未像實測值在落潮期間出現(xiàn)1個量值的抖動,而是1個連續(xù)的光滑的變化過程。2.2.2信噪比snr經(jīng)過對實測值的重新計算,可確定存在1個流量減小的時間段,而流量減小的原因是流速的降低。對于實測值和模擬值的不同,又采用改變底摩擦、增加表面風應力進行模擬,由于結(jié)果并無明顯變化。因此,增加分潮數(shù)進行模擬。其調(diào)和分析結(jié)果,見表2。信噪比(SNR,SignaltoNoiseRatio)的定義是放大器的輸出信號的電壓與同時輸出的噪聲電壓的比,常常用分貝數(shù)表示。信噪比越大,說明混在信號里的噪聲越小,聲音回放的音質(zhì)量越高,否則相反。這里的噪聲指氣象擾動引起的水位不規(guī)則變化。這說明信噪比越大的分潮的準確性越大。采用信噪比(SNR)大于1(表2中前24個分潮)的分潮作為水位邊界模擬15d的結(jié)果,見圖8—圖10。圖8和圖10中,虛線表示模擬水位,對應右側(cè)坐標,實線表示模擬流量,對應左側(cè)坐標。對比圖2和圖3、圖6和圖7可以看出,采用24個分潮模擬非常好地再現(xiàn)了流量值的變化,在落潮期間流量抖動現(xiàn)象很明顯,而5個分潮未能模擬出這些現(xiàn)象。漲落潮的潮時不等和流速(流量)不等現(xiàn)象,在24個分潮的模擬中效果也很明顯。漲落潮中間時刻流場模擬示意,見圖11和圖12。3觀測值和比對計算可得到對應觀測時間的模擬值,正值表示向灣內(nèi)流,負值表示向灣外流。將觀測值和模擬值及其比值進行比較,其結(jié)果如表3所示。從表3可以發(fā)現(xiàn),采用24分潮模擬值同實測值的比值較為恒定,而采用5分潮模擬值的比值相差較大。觀測值和24個分潮的模擬值的比值在1.24~1.38,計算得到平均值為1.2985。計算模擬30d的每個潮汐過程的納潮量,得到平均值為6.887億m3,乘以1.2985,得到膠州灣納潮量值為8.943億m3。4納潮量的模擬結(jié)果1)首次應用24個分潮模擬膠州灣納潮量。通過與5個分潮模擬結(jié)果和實測數(shù)據(jù)的對比,水位和斷面流量的模擬效果比5個分潮改進較多。潮位值的細微變化、漲落潮的潮時和流量不等現(xiàn)象及落潮期間流量的抖動,24個分潮模擬結(jié)果更接近實際。2)給出連續(xù)30d的通過膠州灣2個斷面的流量,發(fā)現(xiàn)在納潮量越大的時刻,落潮期間通過斷面的流量抖動越明顯,對通過外口斷面的流和流量值有了系統(tǒng)的認識。3)給出膠州灣對應