基于岸线变化的普沈水道水动力响应分析

黄赛花， 卜瑜辉， 朱永威， 谢华伟, 聂会

(1.浙江水利水电学院，浙江 杭州 310018； 2.华北水利水电大学，河南 郑州 450046；3.浙江省农村水利水电资源配置与调控关键技术重点实验室,浙江 杭州 310018)

海域峡道的存在影响着近海航运事业的发展，对这些峡道进行研究至关重要。20世纪30年代，GREGORY J W[1]开展了关于多佛海峡潮汐水动力的研究分析。目前针对峡道的研究方法有很多，例如理论分析、实测数据分析、物理模型试验和数学模型等方法。随着电子计算机技术的迅速发展，数值模拟方法在海洋水动力研究方面的应用日趋广泛。例如：THIÉBAUT M等[2]基于MARS-3D建立了多佛海峡的三维水动力模型，得出多佛海峡潮流水动力最强的地方位于Cape Gris Nez以西；王道生等[3]通过FVCOM平台模拟分析了台湾海峡不规则海岸与峡道的水动力关系，并对台湾海峡的潮汐进行了分析；CUCCO Andrea等[4]数值模拟了墨西哥海峡与外部海域的水动力特性。

浙江舟山海岛数量在国内居首，海岛间峡道众多，目前国内学者对于舟山群岛峡道的研究已取得不少有价值的研究成果。蒋国俊等[5-6]从峡道水动力学角度探讨了舟山群岛峡道环境中的水动力及沉积特性。袁金雄等[7]建立舟山数学模型研究峡道潮流能的利用对峡道水动力的影响。任剑波等[8]研究了舟山岛北部灌门水道潮波特性。冯海防等[9]通过Delft 3D-Flow软件数值模拟了黄骅港附近海域的潮流场，研究在不同时期和工况下潮流场的主要变化。吴清松等[10]依据象山岗实测水文资料，建立了该海域潮流数值模型，探讨了峡道地形对于潮流变化的影响。

随着浙江舟山群岛新区建设的不断推进，东港新城逐渐成为舟山市新的政治经济中心，普沈水道正对东港新城，其重要性不断凸显。本文选取普沈水道为研究对象，基于1997年和2017年周边海岛岸线的变迁，探讨1997—2017年普沈水道水动力的变化特征，研究结果可为东港新区的规划提供参考。

1 研究区域概况

舟山群岛位于杭州湾口门外，其间岛屿和潮流峡道纵横交错，岸线逶迤曲折，如图1所示。普沈水道位于舟山岛、普陀岛、朱家尖岛三大岛屿之间，连接着普陀山和沈家门港。周边水道交错，其北接莲花洋、东通白沙水道、南连福利门水道与峙头洋。普沈水道总长8.6 km，峡道平均宽度约0.9 km(其中舟山岛与分水礁之间最窄处仅0.4 km)。普沈水道呈西南—东北走势，总体水深较浅，最深处位于普陀岛南部海域，水深仅25 m，最浅处位于朱家尖岛金钵盂山以北海域，水深不足4 m，水道南部和北部地形低于中部地形，总体地形似马鞍。

图1 普沈水道地理位置及附近海域岸线变化

普沈水道周边海域属非正规半日浅海潮，多年平均最高潮位为2.31 m，平均最低潮位为-1.96 m，最大潮差可达3.93 m；涨、落潮分别历时为5 h 40 min～5 h 57 min和6 h 28 min～6 h 45 min，落潮历时长；峡道潮流以往复流为主，海岛岸线突出地方存在旋转流。

图1中勾勒出了普沈水道周边各岛屿1997年和2017年的海岸线轮廓。从图1中可以看出，近20年来，普沈水道周围海岛岸线变化较大，其中海域西北侧舟山岛岸线变化最为显著，岸线向海域推进约1.2 km；水道南侧的朱家尖岛西南段岸线已向海域推进1.0 km左右，北侧局部岸线向海域迁移0.8 km；东北侧的普陀岛岸线变化相对较小。普沈水道及附近海域的围垦工程使得岸线形态更加平直规整，长度则明显缩短。

2 模型建立及模拟结果验证

本次模拟采用丹麦水力学所研制的平面二维数值模型MIKE 21FM来研究舟山海域的潮流场运动。

2.1 水动力控制方程

海域总水深计算式如下：

H=h+ξ。

(1)

连续性控制方程如下：

(2)

动量控制方程如下：

(3)

(4)

2.2 计算区域及网格

采用MIKE 21构建普沈水道模型,如图2所示，以乍浦为西边界、芦潮港和绿华山为北边界、石浦作为南边界、东部开敞海域为东边界，水深大于50 m。1997—2017年间，舟山群岛海域岸线复杂多变，采用非结构三角形网格剖分计算域，对普沈水道处进行网格加密，远离水道海域网格相对稀疏，不同尺度网格之间通过设置实现平缓过度。模型计算节点共15 274个，三角网格总数为28 944个，最小空间步长约为10 m。水陆边界处理采用“干湿”网格点法，把水深大于0.05 m处的边界视为湿边界，水深小于等于0.05 m处的边界视为干边界。根据潮位测站实测潮位值，运用差分器差分得到潮位值。采用全球潮汐模型进行调和分析，通过10个分潮位推算天文潮位。

图2 模型边界及网格分布

2.3 相关参数设置

2.3.1 计算时间步长和底床糙率

模型计算时间步长根据CFL条件进行动态调整，最小时间步长为0.01 s，最大时间步长为30 s。谢才系数、曼宁系数、粗糙高度均可表征底床糙率。本次研究选取曼宁系数来表征底床糙率，根据2006年9—10月份舟山海域实测潮位和流速水文数据开展模型率定验证，进行多次调试率定，取底床糙率为0.014。

2.3.2 水平涡黏系数和科氏力

采用考虑亚尺度网格效应的SMAGORINSKY J[11]公式计算水平涡黏系数，其值一般在0.25到1.00之间，经多次率定调试，取其值为0.28。科氏力取所在海域平均纬度，即φ=27.50°。

2.4 数学模型验证

实时同步测站点分布如图3所示，其中1#—3#为潮流测站点，螺门渔轮码头、沈家门小甘码头、朱家尖西岙码头和登步岛鸡冠码头为4个潮位测站点(测站点下文简称测点)。潮位、潮流特征测点和特征断面分布如图4所示。图5为模型潮流验证结果(2006年10月1日—2006年10月9日)，图6为各测点处大潮流速和流向验证结果(2006年9月23—24日)。

通过分析比较图5和图6中潮位和潮流的计算值与实测值，量化评价结果根据均方根误差、标准均方根误差、相关系数与预报能力来确定[12]。结果显示：4个潮位测点和3个潮流测点的计算值与实测值基本吻合，所建立的模型能较好反映舟山群岛周围海域的水动力情况。基于此验证结果，分别模拟了1997年和2017年海岸线条件下普沈水道的水动力过程。

图3 潮位和潮流验证测点分布

图4 潮位和潮流特征测点及特征断面分布

图5 各测点处潮位的验证结果

图6 各测点处的水流流速和流向的验证结果

3 结果讨论

3.1 潮位变化

普沈水道及附近海域近20年的岸线变化对其潮位的影响以辐射状向外逐渐减弱，且越靠近围垦工程区域的水动力变化越明显。为了更直观地分析岸线变化引起普沈水道高潮位变化的特征，本次共布设了39个特征测点，特征测点位置如图4所示。普沈水道及附近海域特征测点处大潮潮位变化情况见表1。

表1 普沈水道及附近海域特征测点大潮潮位变化

从表1中的统计结果来看：岸线变迁对普沈水道潮位变化影响相对较小；高潮位和低潮位整体下降0～2 cm，岸线变迁对普沈水道高潮位的影响要大于对低潮位的影响。东港新城处的岸线向海推移距离越远距东港新区较近的莲花洋海域潮位下降幅度越大；朱家尖岛和陆家峙岛之间岸线向海推移，束窄了普沈水道南部的潮流通道，导致此处的高潮位下降，但下降值不超过3 cm。

3.2 潮差变化

1997—2017年普沈水道附近海域潮差变化如图7所示。

图7 1997—2017年普沈水道附近海域的潮差变化

由图7知：岸线变迁造成普沈水道及其附近海域潮位变化的同时也会对潮差造成一定的影响；1997—2017年舟山海域的岸线变迁导致普沈水道及附近海域的潮差发生轻微改变；普沈水道潮差减小海域主要分布在陆家峙岛和朱家尖岛之间，东港新城北侧局部海域潮差减小。总的来说，岸线变化对该水道不同位置处的潮差影响表现略不相同：陆家峙岛以南的水域潮差略有增加，东侧水域的潮差减小；普沈水道中部潮差变化不大，北部潮差略微减小。

3.3 潮流变化

统计大潮周期内39个特征测点处的流速相对变化幅度，结果见表2。

从表2中的统计结果来看：1997—2017年，普沈水道周边海域岸线的改变造成普沈水道及附近海域的落急潮流流速以减小为主，流速变化大的海域主要分布在如下2个区域，即落急潮流变化最大的海域为舟山岛与朱家尖岛之间的海域和东港新城附近海域。朱家尖岛与陆家峙岛之间围垦导致穿过普沈水道南部的潮流通道束窄，岸线形态的变化导致束窄处水道的最大涨、落急流速出现时刻、整体流速分布发生改变，围垦工程也导致普沈水道南部潮流落急和涨急流速均增大。由于篇幅有限，文中只选取所布设特征测点处流速变化幅度最明显的测点F5和H4处的流速进行分析。

表2 普沈水道涨急和落急最大流速变化统计结果

图8为在F5和H4测点处测得的不同年份的流速、流向过程。

图8 F5和H4测点处的流速和流向变化过程

由图8可知：这两个测点处的潮流在各个年份的流向基本一致，但流速峰值明显下降。

图9为普沈水道附近海域潮流的落急、涨急流态，图10—11分别展示了普沈水道周边海域岸线变迁前后潮流的落急、涨急流速变化结果。由图9—11可知：围垦后普沈水道沿岸处的流速减小，中部流速略微增大；陆家峙岛西侧潮流的落急和涨急流速均下降，南侧的出现流速增大现象。整体来看，1997—2017年，普沈水道周边海域岸线变迁对普沈水道落急流速的影响大于对涨急流速的影响。

图9 1997年与2007年普沈水道附近海域的流场分布

图10 1997—2017年普沈水道落急流速变化

图11 1997—2017年普沈水道涨急流速变化

3.4 断面流量变化

近20年，舟山岛、朱家尖岛、普陀岛及其附近岛屿因围垦工程建设，造成普沈水道及附近海域的岸线变迁。为了研究岸线变迁对普沈水道断面潮流量的影响，分别选取南侧舟山—朱家尖断面(ZS—ZJJ)、东侧普陀—朱家尖断面(PT—ZJJ)、北侧舟山—普陀断面(ZS—PT)3个代表大断面进行统计研究。2017—1997年间不同断面的纳潮量见表3。

表3 各断面处的落潮与涨潮流量

研究表3发现：1997—2017年，这3个断面处的落潮与涨潮流量整体呈下降趋势，涨潮量减少比例约为落潮量的1.1～3.2倍；潮量减幅最大处位于南侧通道，涨、落潮流量分别减少802万m3和294万m3，减幅分别达到了4.25%和3.36%；潮量变化值最大处位于北侧通道，该处涨潮流量减少1 354万m3,减幅为2.22%，但该处落潮量变化并不算大，仅为315万m3；近20年来，海岛岸线变化使得普沈水道北侧涨、落潮潮差变化最大，达到了1 039万m3。

4 结论

普沈水道及附近海域变迁岸线分布范围广，岸线主要以“直代曲”造成长度缩短，自然岸线越来越多地被人工岸线取代。由数值模型模拟结果可知，1997—2017年普沈水道及附近岸线的变迁对普沈水道及其附近海域的水动力影响主要有以下几个方面：

1)岸线向海推移对普沈水道及附近海域的整体潮位影响不太显著，但东港围垦工程附近局部海域出现潮位下降现象，且潮位的变化幅度与围垦工程区域的距离成反比。

2)普沈水道及附近海域的岸线变迁导致东港新城北侧、陆家峙岛和朱家尖岛之间海域潮差有所减小。岸线变迁对潮流落急流速的影响大于对有涨急流速的影响，落急流速以减小为主，涨急流速有增大有减小。

3)普沈水道周边海域岸线的变迁一定程度上减少了断面的纳潮量，导致断面涨、落潮流量整体呈下降趋势。潮量减幅最大处位于水道南侧，潮量变化最大处位于北侧通道。