福建省環(huán)境科學(xué)研究院 郭素銘

?

EFDC模型在水動力環(huán)境影響評價中的應(yīng)用

福建省環(huán)境科學(xué)研究院 郭素銘

運(yùn)用EFDC模型在擬建的福建東山華浮碼頭進(jìn)行模型構(gòu)建，通過東山大澳漁港的3個站位實測潮位潮流數(shù)據(jù)驗證模型模擬結(jié)果，表明模擬結(jié)果可信；進(jìn)一步模擬福建東山華浮碼頭建設(shè)前后，碼頭所在海域及周邊海域的潮流流向和流速的變化情況，模擬結(jié)果顯示，福建東山華浮碼頭的建設(shè)對所在海域水動力環(huán)境的影響較小，也體現(xiàn)了該模型對東山灣海域的適用性。

福建東山華浮碼頭 EFDC 水動力 模擬

福建東山灣海洋環(huán)境自然資源非常豐富，地理位置優(yōu)越，是天然的旅游勝地。但是，隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，越來越多的碼頭出現(xiàn)在東山灣海岸，改變了東山灣海岸的岸線分布情況，對航道的正常通行產(chǎn)生了影響，也改變了局部的沖淤環(huán)境，造成局部水域泥沙淤積嚴(yán)重，失去原使用功能。因此，通過模型對碼頭建設(shè)前后水動力環(huán)境的模擬，可以較好地掌握工程建設(shè)前后水動力環(huán)境可能產(chǎn)生的變化，從而采取相應(yīng)的措施，從海洋環(huán)境保護(hù)角度對工程可行性做出明確結(jié)論，為管理部門決策、建設(shè)單位海洋環(huán)境管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

東山縣是福建省第二大島，位于廈、漳、泉閩南三角經(jīng)濟(jì)區(qū)的南端，東瀕臺灣海峽，西臨詔安灣與詔安一水之隔；康美鎮(zhèn)地處東山縣東北部，東接銅陵鎮(zhèn)，西連樟塘鎮(zhèn)，地理位置優(yōu)越。

擬建東山華浮碼頭位于東山縣康美鎮(zhèn)城垵村東北側(cè)，地處東山港區(qū)城垵作業(yè)區(qū)，其地理坐標(biāo)為東經(jīng)117°30′、北緯23°44′。東北向與廈門經(jīng)濟(jì)特區(qū)毗鄰，南與廣東省汕頭市接壤，東瀕臺灣海峽，與臺灣省隔海相望；水路離廈門77海里、距汕頭73海里、距廣州332海里，陸路距東山縣城約10km，距漳州市約160km，規(guī)劃的廈深鐵路東山鐵路支線的終點站緊鄰港區(qū)，水陸交通十分方便。具體地理位置見圖1。

2 模型簡介

環(huán)境流體動力學(xué)模型，簡稱EFDC模型(Environmental Fluid Dynamics Computer Code)是由美國Virginia海洋研究所的Hamrick等根據(jù)多個數(shù)學(xué)模型集成開發(fā)研制的綜合模型，現(xiàn)在是美國環(huán)保署(EPA)推薦使用的模型。該模型是一個多任務(wù)、高集成的環(huán)境流體動力學(xué)模塊式計算程序包，用于模擬水系統(tǒng)一維、二維和三維流場、物質(zhì)輸送（包括溫、鹽、非粘性和粘性泥沙的輸送）、生態(tài)過程及淡水入流。其模擬范圍為：河口、河流、湖泊、水庫、濕地以及自近岸到陸架的海域?？梢酝瑫r考慮風(fēng)、浪、潮、徑流的影響，并可同步布設(shè)水工建筑物。該模型到目前為止已經(jīng)用于幾十個海域的相關(guān)計算，得到廣泛的應(yīng)用[1-10]，被譽(yù)為21世紀(jì)最有發(fā)展前途的環(huán)境流體動力學(xué)模型。采用該數(shù)學(xué)模型對本工程海域潮流場進(jìn)行模擬計算，計算中采用水平方向上的變笛卡爾正交坐標(biāo)與垂直方向上的Sigma坐標(biāo)相結(jié)合以及三維數(shù)學(xué)模型二維化的方法。

圖1 擬建東山華浮碼頭地理位置圖

動力學(xué)方程是基于三維水動力學(xué)方程組，在水平方向上采用曲線正交坐標(biāo)變化和在垂直方向上采用Sigma坐標(biāo)變換得到的，經(jīng)過兩種變換后的流體動力學(xué)方程組分別為：

式(1)～(6)中u和v分別為坐標(biāo)x和y方向上的水平速度分量；mx和my為水平坐標(biāo)變換因子；經(jīng)坐標(biāo)變換后垂直方向z方向的速度w與坐標(biāo)變換前的垂直速度w*間的關(guān)系為：

H = h＋δ為總水深；p為壓力；動量方程(1)和(2)中，f為Coriolis系數(shù)，Av為垂直紊動粘性系數(shù)；Qu和Qv為動量源匯項；QS和QT為溫鹽源匯項；ρ為海水密度；S為海水鹽度；T為海水溫度；b為浮力；連續(xù)方程(4)是在區(qū)間(0，1)對z積分并用垂直邊界條件當(dāng)z = (0，1)時，w = 0，運(yùn)動邊界條件和方程(7)以得到深度積分連續(xù)方程(5)。

給出垂向紊動和擴(kuò)散系數(shù)，方程(1)～(8)則給出了一個求解變量u，v，w，p，S，T和ζ的封閉的系統(tǒng)。紊動粘性和擴(kuò)散系數(shù)采用的是Mellor和Yamada(1982)模型，模型相關(guān)的參數(shù)由下式確定：

以上各式中，q為紊動強(qiáng)度，l為紊動長度，Rq為Richardson數(shù)，v和b是穩(wěn)定函數(shù)，以分別確定穩(wěn)定和非穩(wěn)定垂向密度分層環(huán)境的垂直混合或輸送的增減。

紊動強(qiáng)度和混合長度由下列方程確定：

式中B1、E1、E2和E3均為經(jīng)驗常數(shù)；Qq和Ql為附加源匯項；例如子網(wǎng)格水平擴(kuò)散；垂直耗散系數(shù)Aq一般取與垂直紊動粘性系數(shù)Av相等；上述式中m = mxmy。

式(1)～(8)與Mellor和Yamada(1982)紊動模型(10)～(13)一起及適當(dāng)?shù)某踹呏禇l件給出了一個求解u，v，w，p，S，T，ρ和ζ的封閉的系統(tǒng)。

動力學(xué)方程采用有限體積法和有限差分結(jié)合的方法來求解，水平方向采用交錯網(wǎng)格離散。數(shù)值解分為沿水深積分長波重力波的外模式和與垂直流結(jié)構(gòu)相聯(lián)系的內(nèi)模式求解。

3 模型構(gòu)建

3.1 模型模擬邊界

計算區(qū)域包括整個東山灣，見圖2，海岸線主要采用岸線修測成果，并結(jié)合歷史海圖和遙感圖確定；采用變迪卡爾正交網(wǎng)格，工程附近網(wǎng)格最密50m×50m，最大網(wǎng)格間距為200m×200m，水平網(wǎng)格數(shù)為224×189，總網(wǎng)格數(shù)24139；設(shè)東和南兩個開邊界，用實測潮位數(shù)據(jù)驅(qū)動，由于實測潮流潮位數(shù)據(jù)的時間為1月，故不考慮漳江的徑流；垂向分為1層，計算時間步長1s；由于該海區(qū)潮差較大，采用動邊界。

圖2 東山灣網(wǎng)格圖

3.2 模擬運(yùn)算過程及檢驗

模擬采用零初始條件，為了保證計算的穩(wěn)定性，強(qiáng)迫的邊界潮位從零開始逐步增加，經(jīng)過兩個潮周期后達(dá)到正常變化，第三個潮周期后形成穩(wěn)定的潮波，選擇大潮周期計算結(jié)果做分析。利用東山大澳中心漁港3個站位實測潮位潮流數(shù)據(jù)作為對比，結(jié)果見圖3～圖6，從驗證結(jié)果看，潮位和流速驗證較好，比較準(zhǔn)確地反映了潮汐特征，可以認(rèn)為模擬結(jié)果是可信的。

圖3 潮位驗證曲線

圖4 A站位流速流向驗證曲線

圖5 B 站位流速流向驗證曲線

圖6 C 站位流速流向驗證曲線

4 水動力變化模擬結(jié)果

4.1 流場變化

工程前后數(shù)學(xué)模型陸地邊界：考慮到大澳中心漁港已經(jīng)批建，而且據(jù)了解，對面島附近的漁港防波堤正在建設(shè)中，故把中心漁港防波堤等填海區(qū)加入原始海岸線邊界，作為工 程前陸地邊界，然后進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的模擬計算；工程后既包括本工程填海區(qū)，又包括東側(cè)臨近的已批未建的旗濱碼頭填海區(qū)，作為工程后的陸地邊界進(jìn)行數(shù)值模擬；對工程前后的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較分析。工程附近海域工程實施前后海域的大潮漲急、落急的流場見圖7～圖10。

圖7 工程前附近海域漲急流場圖

圖8 工程附近海域工程后漲急流場圖

圖9 工程前附近海域落急流場圖

圖10 工程后附近海域落急流場圖

從圖7～圖10可以看出，工程附近海域工程施工后的潮流場趨勢仍與工程前相同，工程附近流態(tài)略有變化。本工程的填?；疚挥跒┩恐?，水深較淺，本身流速較小。工程后，本工程對潮流有阻擋和挑流作用，漲潮時，潮流從旗濱碼頭和本工程東側(cè)連線往北流動，到達(dá)本工程碼頭后，沿著本工程的東北側(cè)填海區(qū)延線往西北流動，在本工程北端往西流動；另有一小股漲潮流沿著旗濱碼頭前緣外西北流動，然后往西流入旗濱碼頭北側(cè)與本工程形成的呈“凹入”地形的灘涂中，流速較?。宦涑?，潮流趨勢相反。

4.2 流速變化

為了進(jìn)一步分析工程實施前后流速的變化規(guī)律，選擇了工程附近36個試驗點（位置見圖11），進(jìn)行工程前后流速比較，結(jié)果見表1。

圖11 工程前后模擬流速比較點位置圖

表1 工程前后試驗點流速比較表（單位m/s）

根據(jù)表1和圖7～圖10中對試驗點進(jìn)行工程前后流速的比較分析，可以看出：工程實施前，漲潮時，一部分漲潮流先往西流入工程西南側(cè)的小澳中，然后受地形影響往西北流出，到達(dá)小澳北端的突出角后轉(zhuǎn)往西流動；落潮時相反，小澳內(nèi)潮水匯入落潮流，流速較小。

工程實施后，流速變化的點主要有14、15、19、20、21、22、25。14點位于本工程與旗濱碼頭形成的凹入地形中，流速變化率最大，工程后該處的流速明顯減小，漲潮減少為60%，落潮減少為67%；根據(jù)前面的分析，漲、落潮流流向變化也很大，漲落潮流從凹入地形口出入。15點位于本工程西側(cè)，由于受工程挑流的影響，漲、落潮最大減少變化量都為0.07m/s。19、25點位于旗濱玻璃廠東側(cè)，受填海區(qū)阻擋的作用，漲落潮的流速都有所減小。點20、21、22漲潮時，由于工程的挑流束窄作用，流速變大，落潮時20點由于工程的挑流作用及填海區(qū)匯入20點潮水量的減少，流速變小，21、22在落潮時由于束窄作用流速略微變大。本工程的建設(shè)對工程西側(cè)的潮流基本沒有影響，1~13試驗點流速變化最大僅為0.01m/s。工程對北側(cè)較遠(yuǎn)的點17、18、23、24、29、30、35、36也基本沒有影響，流速變化最大也僅為0.01m/s。東側(cè)較遠(yuǎn)處的26、27、28、31、32、33、34變化很小，流速變化均小于等于0.01m/s。

總之，本工程填海會使碼頭前沿極小段航道區(qū)垂直潮流方向靠碼頭一側(cè)潮流流速增大約0.04m/s，遠(yuǎn)離碼頭一側(cè)潮流流速減小約0.05m/s，對航道區(qū)其他區(qū)域的潮流流速基本沒有影響；會使旗濱碼頭附近潮流流速有所減小，減小約0.01m/s左右；對工程附近其他碼頭及整個東山灣的潮流流速沒有影響。

5 結(jié)論

EFDC模型對于東山灣海域具有較強(qiáng)的適用性，模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確，預(yù)測值與實測值的擬合程度較好。模擬結(jié)果顯示，東山華浮碼頭的建設(shè)對所在海域水動力環(huán)境影響較小。該模型有較大的應(yīng)用和推廣價值，還可以對未來發(fā)展進(jìn)行定量的預(yù)測研究，為實際的決策過程提供科學(xué)依據(jù)。

[1] 王翠,孫英蘭,張學(xué)慶.基于EFDC模型的膠州灣三維潮流數(shù)值模擬[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2008,38(5):833-840.

[2] Jin K R.Hamrick J H.Todd T Application of three-dimensional hydrodynamic model for Lake Okeechobee 2000.

[3] Jin K R.Hamrick J H.Todd T Application of three-dimensional hydrodynamic model for Lake Okeechobee 2000.

[4] 陳異暉.基于EFDC模型的滇池水質(zhì)模擬[J].云南環(huán)境科學(xué),2005,24(4):28 – 30.

[5] Lewis C Linker.Gary W Shenk.Robin L Dennis.Jeffry S.Sweeney Cross-Media Models of the Chesapeake Baywatershed and AirshedJ 2000(1-4)

[6] 姜恒志,沈永明,汪守東.甌江口三維潮流和鹽度數(shù)值模擬研究[J].水動力學(xué)研究與進(jìn)展A輯,2009,24(1):63 – 70.

[7] JI Z G.MORTON M R.HAMRICKJM Three-dimensional hydrodynamic and water quality modeling in a reservoir 2004

[8] JIN K R.JI Z G.JAMES R T Three-dimensional water quality and SAV modeling of a large shallow lake 2008,(1).

[9] JI Z G.HU G D.SHEN J Three-dimensional modeling of hydrodynamic processes in the St.Lucie Estuary 2007,(1-2).

[10] 李瑞杰,諸裕良,鄭金海.虎門太平水道航道整治工程潮流數(shù)模計算[J].水運(yùn)工程,2003,(3):38 – 42.