胶州湾口潮汐潮流的数值模拟

胶州湾口潮汐潮流的数值模拟

海湾的潮量是可接受潮汐的体积。这是半封闭海湾生存能力的重要指标。其大小直接影响海湾和海陆之间的交换强度和污染物的迁移量，从而限制了海湾自净能力和环境质量。这对维护好的海湾环境非常重要。纳潮量的变化直接影响海湾的潮流特性,关系海湾潮汐汊道的盛衰,影响港区航道的维持,还可能破坏水动力条件与海湾形态之间的动态平衡,使海湾槽滩形态随之进行调整。由于在港口设计的前期水文调查工作中也大多需要进行纳潮量的计算,因此,采用合理有效的办法准确计算纳潮量,对全面了解海湾水文条件、指导港口设计都有非常重要的意义。本研究将湾口走航的实测数据和数值模拟结果相结合,计算胶州湾纳潮量,提出1种计算海湾纳潮量的新方法,可供计算海湾纳潮量时参考。1测量数据的计算1.1s1和s1纳潮量传统的纳潮量的计算方法,多通过以下公式表示,即T=[(S1+S2)H]/2。其中:T为纳潮量;S1和S2分别为高潮和低潮时的海湾面积;H为平均潮差。通过遥感图像、海图等方法,可获取S1和S2的值,再利用平均潮差H计算纳潮量。然而,由于S1和S2的获取受到很多因素的影响,如潮间带面积的取舍、复杂岸线海湾面积的计算等,因此,不同方法计算的纳潮量相差可以达到总纳潮量的15%。1.2走航断面流量船载ADCP的走航观测,于2006年9月和10月在胶州湾外口(团岛—薛家岛断面)的大潮和小潮时进行。大约每走航观测30m获取1组ADCP数据,每个航程得到100个左右的剖面数据,每次均连续观测25h。走航观测示意,见图1。走航观测得到航线上每个剖面不同深度(取样间隔设为1m)的流速和流向,在每一点上,取流速在走航断面法线方向上的分量作为这个点的流速。不同深度的流速和这一层的深度相乘,再把各层的数据相加,得到这个点位置上的线流量。对于相邻的2个观测点,先计算出2点的线流量,再计算出2点在走航断面的投影距离,并将2个线流量相加乘以投影距离除以2,即可得到通过这段投影的流量。按以上方法计算出每个投影截面的流量,再相加,即可得到通过整个走航断面的流量。由于胶州湾较窄,20min可以跑完整个航程,因此,近似认为每次测得的数据是在同一时刻。走航观测大约每h可以往返1趟,可计算得到2个总流量的数据。连续观测25h,一共得到大约50个总流量的数据。对这50个数据进行插值,可得到连续25h任意时刻的流量。1.3流量测试根据插值得出的任意时刻流量,可以计算出每个潮期向胶州湾内流入的水量和向湾外流出的水量,即纳潮量。在每个潮期观测过程中,可以计算得到3个纳潮量的值。4个观测期所计算的纳潮量值,见表1。薛家岛断面大小潮实测值曲线,见图2和图3。图2和图3中,虚线表示薛家岛验潮站观测水位,对应右侧坐标,实线表示由实测数据计算的流量,对应左侧坐标。从图2和图3可看出,与薛家岛潮位站的潮位记录相比较,流量实测值同水位具有非常好的一致性,即潮水向湾内流时水位升高,当潮水由向湾内流转向湾外流时,水位上升到最高,并开始降低;潮水向湾外流时水位降低,当水位降到最低点时,也是潮水由向湾外流转向湾内流的时刻。落潮期间流量值出现1个抖动,经过对实测数据的分析发现,是由于流速减小而导致的这种现象。模式针对这种现象进行数值模拟,并计算纳潮量。2数值模拟计算2.1外模及边界条件采用较为成熟的POM模式,区域设定在东经120.05°—120.45°、北纬35.9°—36.3°范围内。采用直角网格,东西向划分为180个网格,南北向划分为220个网格,网格大小为200m×244m,垂向分为5层。模拟区域地形,如图4所示。模式的初始条件采用零初始条件(t=0,u=v=η=0),潮位和流速均为零。由于是潮流的计算,而且计算区域较小,因此,不考虑温度和盐度的变化所带来的斜压效应,S、T设为常数。不考虑风应力对海表面的影响(wusurf=wvsurf=0),底摩擦系数由POM的经验公式给出。外模水位边界条件,通过边界的强迫,由分潮的调和常数给出,水位强迫公式为:其中:i=1~n代表n个分潮;H为振幅;σ为角速度;g为迟角;f为交点因子;u为交点订正角;V0为初相角。V0取值与初时刻有关,f和u与模拟的时间段有关,调和常数H和g的值,可参考外海以往的模式计算值和经验值,并差值到边界的网格点上。选取1个边界水位较接近0的时刻作为初始值进行模拟,模式很快即可达到稳定。2.2数值实验2.2.1pom模式模拟根据渤、黄、东海潮汐的一种验潮站资料同化数值模式,选取M2,S2,N2,O1,K1等5个分潮作为水位边界,再将薛家岛验潮站35d的水位资料进行调和分析,作为水位边界的调整,使用POM模式进行模拟。模式运行15d的模拟结果,见图5—图7。图5—图7中,虚线表示模拟水位,对应右侧坐标,实线表示模拟流量,对应左侧坐标。由模拟结果与实测值相比发现,流量与水位的对应关系对应较好,即流量为正时,水位一直上升,流量为负时,水位一直降低;当流量由正转负时,也是水位达到最大值并开始降低的时刻,当流量由负转正时,也是水位达到最小值并开始上升的时刻。但是模拟的流量值,并未像实测值在落潮期间出现1个量值的抖动,而是1个连续的光滑的变化过程。2.2.2信噪比snr经过对实测值的重新计算,可确定存在1个流量减小的时间段,而流量减小的原因是流速的降低。对于实测值和模拟值的不同,又采用改变底摩擦、增加表面风应力进行模拟,由于结果并无明显变化。因此,增加分潮数进行模拟。其调和分析结果,见表2。信噪比(SNR,SignaltoNoiseRatio)的定义是放大器的输出信号的电压与同时输出的噪声电压的比,常常用分贝数表示。信噪比越大,说明混在信号里的噪声越小,声音回放的音质量越高,否则相反。这里的噪声指气象扰动引起的水位不规则变化。这说明信噪比越大的分潮的准确性越大。采用信噪比(SNR)大于1(表2中前24个分潮)的分潮作为水位边界模拟15d的结果,见图8—图10。图8和图10中,虚线表示模拟水位,对应右侧坐标,实线表示模拟流量,对应左侧坐标。对比图2和图3、图6和图7可以看出,采用24个分潮模拟非常好地再现了流量值的变化,在落潮期间流量抖动现象很明显,而5个分潮未能模拟出这些现象。涨落潮的潮时不等和流速(流量)不等现象,在24个分潮的模拟中效果也很明显。涨落潮中间时刻流场模拟示意,见图11和图12。3观测值和比对计算可得到对应观测时间的模拟值,正值表示向湾内流,负值表示向湾外流。将观测值和模拟值及其比值进行比较,其结果如表3所示。从表3可以发现,采用24分潮模拟值同实测值的比值较为恒定,而采用5分潮模拟值的比值相差较大。观测值和24个分潮的模拟值的比值在1.24~1.38,计算得到平均值为1.2985。计算模拟30d的每个潮汐过程的纳潮量,得到平均值为6.887亿m3,乘以1.2985,得到胶州湾纳潮量值为8.943亿m3。4纳潮量的模拟结果1)首次应用24个分潮模拟胶州湾纳潮量。通过与5个分潮模拟结果和实测数据的对比,水位和断面流量的模拟效果比5个分潮改进较多。潮位值的细微变化、涨落潮的潮时和流量不等现象及落潮期间流量的抖动,24个分潮模拟结果更接近实际。2)给出连续30d的通过胶州湾2个断面的流量,发现在纳潮量越大的时刻,落潮期间通过断面的流量抖动越明显,对通过外口断面的流和流量值有了系统的认识。3)给出胶州湾对应