泉州湾潮流场的数值模拟研究

杨 晨，刘 颖，路 宽

（1.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京 102249；2.中国水利水电科学研究院，水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心，北京 100038；3.国家海洋技术中心，天津 300112）

泉州湾潮流场的数值模拟研究

杨 晨1，刘 颖2，路 宽3

（1.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京 102249；2.中国水利水电科学研究院，
水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心，北京 100038；3.国家海洋技术中心，天津 300112）

本文建立了水深平均的二维潮流数学模型，并利用该模型对泉州湾潮流运动进行了数值模拟研究，模拟的潮位过程、流速与流向均与实测值吻合良好。模拟结果演示了湾口至湾顶潮差逐渐增大、潮位滞后、涨落潮历时变化的特性以及湾内的流速、流态分布特征，表明了湾内潮流为正规半日潮，主航道内流速大于周边地区，潮流较强区域位于鞋沙南北潮沟，南槽流速大于北槽，口门内潮流具有明显的往复流特性，口门外潮流具有一定的旋转流性质。

潮流；泉州湾；数值模拟；往复流；旋转流

泉州湾位于福建省东南沿海中部，湾口向东南敞开，北起惠安下洋村，南至石狮祥芝角，东临台湾海峡。口门宽8.9 km，口门中部有大、小坠岛，属于开敞式、基岩溺谷海湾，周边主要由花岗岩缓丘、红土台地和第四系海积－冲积平原组成，湾顶北部、南部分别有洛阳江和晋江汇入[1]。湾内岛礁众多，浅滩发育，大坠岛与秀涂之间的鞋沙将泉州湾分为南、北两条水道。泉州湾岸线曲折，总长度为80.18 km，海湾面积为128.18 km2，其中滩涂面积达80.42 km2，水域面积47.46 km2。根据崇武站潮位调和常数，泉州湾主要全日分潮与半日分潮振幅比值为0.27，小于0.5，属正规半日潮。

图1 泉州湾水文测验站位图

针对泉州湾的特点，本文建立了可以描述其内部潮流运动的二维数学模型，并利用国家海洋局厦门勘测设计研究院在2009年2月11日至3月13日期间测量的潮位过程数据[2]对模型进行了验证，模拟结果揭示了泉州湾内的潮流运动特性。本模型既可对泉州湾内的潮流预报提供一个有效工具，又可以对其他类似港湾内的潮流数值模拟提供了借鉴和参考。

1 数值模型

泉州湾内水深基本上在25 m以内，远小于港湾的水面宽度，也远小于潮波的波长。因此，研究泉州湾湾内潮波运动规律时，可假设压强沿水深方向满足静水压力的分布规律，流速沿水深方向变化不大，用非线性长波方程来描述港湾内的潮波运动具有足够的精度[3-4]。

潮流模型以x,y方向的单宽流量q1,q2和自由表面高程zw为待求变量，其水流流动的控制方程组为：

式中：x,y,t分别为空间直角坐标和时间坐标；zw为水位高程；zb为河床高程；H=zw-zb为总水深；q1=uH、q2=vH分别为x,y方向的单宽流量，u,v分别为x,y方向的垂直平均流速；ρ为水的密度；β为动量修正系数；Ω,g分别为科氏参数和重力加速度；n为曼宁系数；τsx,τsy分别为自由表面上所受的切应力在x,y方向上的分量，不考虑表面风力的作用时，可忽略此项；τbx,τby分别是海底摩擦力在x,y方向上的分量；vt为沿水深平均的涡动粘滞系数。

在本研究中，方程组的定解条件按以下方法给定：

初始条件：

边界条件：

（1）开边界处给定水位过程：

（2）固壁边界处法向流速为零：

2 结果分析

泉州湾为半封闭的港湾，湾内的潮流运动主要受控于外海的来流条件，因此计算区域开边界应能够反映外海的来流情况。本次研究的数学模型计算区域包括整个港湾，水位边界取在祥芝外至崇武一线，此处水面开阔，地形变化幅度较小。计算域控制面积约200 km2，开边界处给定的潮位过程由测量资料进行调和分析得到的天文分潮参数进行构建[5]。计算域用六节点三角形网格单元进行离散，可以方便地模拟边界形状和地形变化，全域共划分4 093个单元，8 518个节点，其中3 001个为角点，边长350～400 m；计算了2009年2月11日至3月13日潮流过程，典型的时间步长为6 min。

图2 各潮位站潮位过程计算值和实测值的比较

图2 是祥芝、石湖、蟳浦三个测站的潮位过程计算值与实测值在大中小潮期间的比较，可以看到两者吻合很好。由东（湾口）向西（湾内）分布的祥芝、石湖及蟳浦三个站的平均潮位分别为0.14 m，0.22 m和0.33 m。对比三个站的高、低潮位，由东（湾口）向西（湾内），最高潮位及平均高潮位逐渐增高，最低潮位和平均低潮位逐渐减小。最高潮位祥芝、石湖及蟳浦分别为3.15 m，3.36 m和3.57 m；最低潮位分别为-3.08 m，-2.85 m和-2.64 m。对比各站的潮差，由东（湾口）向西（湾内），最小潮差及平均潮差逐渐增高，最大潮差逐渐减小；最大潮差祥芝、石湖及蟳浦分别为5.89 m，5.78 m和5.63 m。3个站均为平均涨潮历时短于平均落潮历时，由东（湾口）向西（湾内）平均涨潮历时逐渐减短，平均落潮历时逐渐增长；石湖站的平均涨潮历时为5 h58 min，平均落潮历时为6 h 26 min。

泉州湾潮汐性质为正规半日潮，潮差呈现自湾口至湾顶沿程逐渐增大的趋势。一个月的潮汐结果显示，平均涨潮历时短于落潮历时，大潮潮差最大达到6 m；潮波从湾口向湾顶传播过程中，高潮位逐步递增，低潮位变化不大；沿程高低潮位出现的时间不完全同步，从湾口至湾顶高低潮位存在滞后现象；湾口涨潮历时大于落潮历时约30 min，向湾内涨、落潮历时趋于相等。

图3是1#～5#站流速流向过程计算值与测量值在大潮中潮和小潮期间的比较，可以看到计算值与测量值符合得很好。其中大潮发生在11日前后，计算从12日开始，图中计算值有段空白。以上测站都位于泉州湾口门内，从流向变化过程上可以看出潮流具有明显的往复流特性；主航道上2#站涨潮流向约310°～320°，落潮流向约120°～130°，5#站涨潮流向约270°～280°，落潮流向约90°～100°。主航道内流速大于周边地区，最大流速出现在5#站，实测为1.16 m/s，计算值为1.14 m/s；最小流速出现在远离主航道的4#站。计算结果还显示鞋沙南北潮沟是泉州湾海域潮流较强区域，南槽流速大于北槽，计算时间段内最大流速为1.2～1.3 m/s；口门外潮流流速相对于主航道小，具有旋转流的性质。

图3 流速流向过程比较

3 结论

本文建立了水深平均的二维潮流数学模型，并利用该模型对泉州湾潮流运动进行了数值模拟，模型预测的潮位、流速以及流向与实测值吻合良好。模拟的结果表明湾内潮流为正规半日潮，自湾口至湾顶，潮差逐渐增大，潮位存在滞后现象；高潮位逐步递增，低潮位变化不大；湾口涨潮历时大于落潮历时约30 min，向湾内涨、落潮历时趋于相等。主航道内流速大于周边地区，潮流较强区域位于鞋沙南北潮沟，南槽流速大于北槽；口门内潮流具有明显的往复流特性，口门外潮流具有一定的旋转流性质。

参考文献：

[1]陈培焕，佘小建，季荣耀.泉州湾滩槽演变及深水航道的回於研究[C]//第十三届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集，2007.

[2]泉州湾跨海通道工程可行性研究水文泥沙观测与分析报告[R].北京：国家海洋局第三海洋研究所，2009.

[3]陶建华.水波的数值模拟[M].天津:天津大学出版社,2005.

[4]何磊.海湾水交换数值模拟方法研究[D].天津:天津大学,2004.

[5]董礼先，苏纪兰.象山港潮波响应和变形研究II象山港潮波数值研究[J].海洋学报，1999，21(2):1-8.

Numerical study of tidal current field in the Quanzhou Bay

YANG Chen1，LIU Ying2，LU Kuan3
1.College of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Beijing 102249,China; 2.China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Research Center on Flood&Drought Disaster Reduction of the Ministry of Water Resources,Beijing 100038,China; 3.National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China

A depth-integrated numerical model was built to simulate the tidal current characteristics of the Quanzhou Bay in this paper.The simulated tidal process,velocity and flow direction were validated by the measured data.The computed results demonstrated the variation of tidal range,tidal level,tidal duration along the bay and the velocity distribution characteristics in the bay,and revealed that the tide in the bay was the semidiurnal tide,the velocity in the main channel was greater than that in the surrounding area,strong tidal area was located in the north and south sand shoes tidal creek,the velocity in the south channel was greater than that in the north channel,the tide flow in the mouth had obvious trend of reciprocating flow characteristics,whereas the tide flow outside the mouth had the characteristics of rotating flow.

tidal current;Quanzhou Bay;numerical model;alternating flow;rotating flow

P731.2

A

1003-2029（2017）03-0117-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.03.022

2017-05-09

中国石油大学（北京）科研基金资助项目（2462017BJB02，2462015YQ0213）

杨晨（1981-）男，博士，副教授，主要研究方向为水沙两相流的数值模拟。E-mail：yangchen@cup.edu.cn