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(biāo)。其大小直接影響海灣和海陸之間的交換強(qiáng)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(duì)維護(hù)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(guān)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(dòng)力條件與海灣形態(tài)之間的動(dòng)態(tài)平衡,使海灣槽灘形態(tài)隨之進(jìn)行調(diào)整。由于在港口設(shè)計(jì)的前期水文調(diào)查工作中也大多需要進(jìn)行納潮量的計(jì)算,因此,采用合理有效的辦法準(zhǔn)確計(jì)算納潮量,對(duì)全面了解海灣水文條件、指導(dǎo)港口設(shè)計(jì)都有非常重要的意義。本研究將灣口走航的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果相結(jié)合,計(jì)算膠州灣納潮量,提出1種計(jì)算海灣納潮量的新方法,可供計(jì)算海灣納潮量時(shí)參考。1測(cè)量數(shù)據(jù)的計(jì)算1.1s1和s1納潮量傳統(tǒng)的納潮量的計(jì)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(shí)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(jì)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(fù)雜岸線海灣面積的計(jì)算等,因此,不同方法計(jì)算的納潮量相差可以達(dá)到總納潮量的15%。1.2走航斷面流量船載ADCP的走航觀測(cè),于2006年9月和10月在膠州灣外口(團(tuán)島—薛家島斷面)的大潮和小潮時(shí)進(jìn)行。大約每走航觀測(cè)30m獲取1組ADCP數(shù)據(jù),每個(gè)航程得到100個(gè)左右的剖面數(shù)據(jù),每次均連續(xù)觀測(cè)25h。走航觀測(cè)示意,見圖1。走航觀測(cè)得到航線上每個(gè)剖面不同深度(取樣間隔設(shè)為1m)的流速和流向,在每一點(diǎn)上,取流速在走航斷面法線方向上的分量作為這個(gè)點(diǎn)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(gè)點(diǎn)位置上的線流量。對(duì)于相鄰的2個(gè)觀測(cè)點(diǎn),先計(jì)算出2點(diǎn)的線流量,再計(jì)算出2點(diǎn)在走航斷面的投影距離,并將2個(gè)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(jì)算出每個(gè)投影截面的流量,再相加,即可得到通過整個(gè)走航斷面的流量。由于膠州灣較窄,20min可以跑完整個(gè)航程,因此,近似認(rèn)為每次測(cè)得的數(shù)據(jù)是在同一時(shí)刻。走航觀測(cè)大約每h可以往返1趟,可計(jì)算得到2個(gè)總流量的數(shù)據(jù)。連續(xù)觀測(cè)25h,一共得到大約50個(gè)總流量的數(shù)據(jù)。對(duì)這50個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值,可得到連續(xù)25h任意時(shí)刻的流量。1.3流量測(cè)試根據(jù)插值得出的任意時(shí)刻流量,可以計(jì)算出每個(gè)潮期向膠州灣內(nèi)流入的水量和向?yàn)惩饬鞒龅乃?即納潮量。在每個(gè)潮期觀測(cè)過程中,可以計(jì)算得到3個(gè)納潮量的值。4個(gè)觀測(cè)期所計(jì)算的納潮量值,見表1。薛家島斷面大小潮實(shí)測(cè)值曲線,見圖2和圖3。圖2和圖3中,虛線表示薛家島驗(yàn)潮站觀測(cè)水位,對(duì)應(yīng)右側(cè)坐標(biāo),實(shí)線表示由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的流量,對(duì)應(yīng)左側(cè)坐標(biāo)。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(shí)測(cè)值同水位具有非常好的一致性,即潮水向?yàn)硟?nèi)流時(shí)水位升高,當(dāng)潮水由向?yàn)硟?nèi)流轉(zhuǎn)向?yàn)惩饬鲿r(shí),水位上升到最高,并開始降低;潮水向?yàn)惩饬鲿r(shí)水位降低,當(dāng)水位降到最低點(diǎn)時(shí),也是潮水由向?yàn)惩饬鬓D(zhuǎn)向?yàn)硟?nèi)流的時(shí)刻。落潮期間流量值出現(xiàn)1個(gè)抖動(dòng),經(jīng)過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn),是由于流速減小而導(dǎo)致的這種現(xiàn)象。模式針對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬,并計(jì)算納潮量。2數(shù)值模擬計(jì)算2.1外模及邊界條件采用較為成熟的POM模式,區(qū)域設(shè)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(gè)網(wǎng)格,南北向劃分為220個(gè)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(jì)算,而且計(jì)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(yīng),S、T設(shè)為常數(shù)。不考慮風(fēng)應(yīng)力對(duì)海表面的影響(wusurf=wvsurf=0),底摩擦系數(shù)由POM的經(jīng)驗(yàn)公式給出。外模水位邊界條件,通過邊界的強(qiáng)迫,由分潮的調(diào)和常數(shù)給出,水位強(qiáng)迫公式為:其中:i=1~n代表n個(gè)分潮;H為振幅;σ為角速度;g為遲角;f為交點(diǎn)因子;u為交點(diǎn)訂正角;V0為初相角。V0取值與初時(shí)刻有關(guān),f和u與模擬的時(shí)間段有關(guān),調(diào)和常數(shù)H和g的值,可參考外海以往的模式計(jì)算值和經(jīng)驗(yàn)值,并差值到邊界的網(wǎng)格點(diǎn)上。選取1個(gè)邊界水位較接近0的時(shí)刻作為初始值進(jìn)行模擬,模式很快即可達(dá)到穩(wěn)定。2.2數(shù)值實(shí)驗(yàn)2.2.1pom模式模擬根據(jù)渤、黃、東海潮汐的一種驗(yàn)潮站資料同化數(shù)值模式,選取M2,S2,N2,O1,K1等5個(gè)分潮作為水位邊界,再將薛家島驗(yàn)潮站35d的水位資料進(jìn)行調(diào)和分析,作為水位邊界的調(diào)整,使用POM模式進(jìn)行模擬。模式運(yùn)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(duì)應(yīng)右側(cè)坐標(biāo),實(shí)線表示模擬流量,對(duì)應(yīng)左側(cè)坐標(biāo)。由模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值相比發(fā)現(xiàn),流量與水位的對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)應(yīng)較好,即流量為正時(shí),水位一直上升,流量為負(fù)時(shí),水位一直降低;當(dāng)流量由正轉(zhuǎn)負(fù)時(shí),也是水位達(dá)到最大值并開始降低的時(shí)刻,當(dāng)流量由負(fù)轉(zhuǎn)正時(shí),也是水位達(dá)到最小值并開始上升的時(shí)刻。但是模擬的流量值,并未像實(shí)測(cè)值在落潮期間出現(xiàn)1個(gè)量值的抖動(dòng),而是1個(gè)連續(xù)的光滑的變化過程。2.2.2信噪比snr經(jīng)過對(duì)實(shí)測(cè)值的重新計(jì)算,可確定存在1個(gè)流量減小的時(shí)間段,而流量減小的原因是流速的降低。對(duì)于實(shí)測(cè)值和模擬值的不同,又采用改變底摩擦、增加表面風(fēng)應(yīng)力進(jìn)行模擬,由于結(jié)果并無明顯變化。因此,增加分潮數(shù)進(jìn)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(hào)的電壓與同時(shí)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(hào)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(dòng)引起的水位不規(guī)則變化。這說明信噪比越大的分潮的準(zhǔn)確性越大。采用信噪比(SNR)大于1(表2中前24個(gè)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(duì)應(yīng)右側(cè)坐標(biāo),實(shí)線表示模擬流量,對(duì)應(yīng)左側(cè)坐標(biāo)。對(duì)比圖2和圖3、圖6和圖7可以看出,采用24個(gè)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(dòng)現(xiàn)象很明顯,而5個(gè)分潮未能模擬出這些現(xiàn)象。漲落潮的潮時(shí)不等和流速(流量)不等現(xiàn)象,在24個(gè)分潮的模擬中效果也很明顯。漲落潮中間時(shí)刻流場(chǎng)模擬示意,見圖11和圖12。3觀測(cè)值和比對(duì)計(jì)算可得到對(duì)應(yīng)觀測(cè)時(shí)間的模擬值,正值表示向?yàn)硟?nèi)流,負(fù)值表示向?yàn)惩饬鳌⒂^測(cè)值和模擬值及其比值進(jìn)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(shí)測(cè)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(cè)值和24個(gè)分潮的模擬值的比值在1.24~1.38,計(jì)算得到平均值為1.2985。計(jì)算模擬30d的每個(gè)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(yīng)用24個(gè)分潮模擬膠州灣納潮量。通過與5個(gè)分潮模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比,水位和斷面流量的模擬效果比5個(gè)分潮改進(jìn)較多。潮位值的細(xì)微變化、漲落潮的潮時(shí)和流量不等現(xiàn)象及落潮期間流量的抖動(dòng),24個(gè)分潮模擬結(jié)果更接近實(shí)際。2)給出連續(xù)30d的通過膠州灣2個(gè)斷面的流量,發(fā)現(xiàn)在納潮量越大的時(shí)刻,落潮期間通過斷面的流量抖動(dòng)越明顯,對(duì)通過外口斷面的流和流量值有了系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。3)給出膠州灣對(duì)應(yīng)