韓樹宗，賈 寧

（中國(guó)海洋大學(xué)海洋環(huán)境學(xué)院，山東青島266100）

基于ECOMSED模式的興化灣三維潮流泥沙數(shù)值模擬研究＊

韓樹宗，賈 寧

（中國(guó)海洋大學(xué)海洋環(huán)境學(xué)院，山東青島266100）

通過(guò)三維ECOMSED模式，對(duì)興化灣內(nèi)的泥沙變化規(guī)律進(jìn)行了分析論證。模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值的對(duì)比分析表明，模擬結(jié)果較好，可以較準(zhǔn)確地描述興化灣的潮流泥沙特征。分析發(fā)現(xiàn)，興化灣大部分海域的含沙量很低，興化灣內(nèi)普遍呈現(xiàn)沖淤穩(wěn)定的狀態(tài)，海區(qū)的沖淤變化量維持在1個(gè)較小的水平，淤積主要集中在近岸淺灘區(qū)域，近岸年淤積變化量普遍呈增大趨勢(shì)。

興化灣；泥沙；ECOMSED

興化灣位于福建省中部沿海的莆田市和福清市境內(nèi)，地理范圍為119°06′28.26″E～119°30′56.82″E，25°15′49.56″N～25°36′01.03″N。北有福清灣，南鄰湄洲灣，是福建省最大的海灣。海灣東西長(zhǎng)28 km，南北寬23 km，總面積約622 km2，其深入內(nèi)陸，岬灣相間，島礁棋布。海灣略呈長(zhǎng)方形，主槽由西北朝向東南灣口，經(jīng)興化水道和南日水道與臺(tái)灣海峽相通。

對(duì)于興化灣的研究主要集中于國(guó)內(nèi)學(xué)者。李孟國(guó)等［1－2］基于不規(guī)則三角形網(wǎng)格有限差分法的二維潮流數(shù)學(xué)模型，模擬了興化灣潮流場(chǎng)；使用潮流數(shù)學(xué)模型、波浪數(shù)學(xué)模型等多種手段對(duì)興化灣的水文泥沙特征進(jìn)行了分析研究。柯文榮等［3－5］調(diào)查研究了興化灣的潮汐、泥沙、水下地形特征，通過(guò)不規(guī)則三角形網(wǎng)格的二維潮流數(shù)學(xué)模型模擬了興化灣的潮流情況，并著重分析了雞蛋島和野馬嶼附近的挑流現(xiàn)象。高勁松、周良明［6］通過(guò)三維ECOMSED模式，采用更為精細(xì)的網(wǎng)格對(duì)興化灣的潮流特征進(jìn)行模擬。

對(duì)于興化灣的泥沙數(shù)值模擬研究應(yīng)用較多的是平面二維模型。實(shí)際上泥沙運(yùn)動(dòng)是1種復(fù)雜的三維運(yùn)動(dòng)，泥沙的啟動(dòng)、推移和懸浮、沉降與潮流等水動(dòng)力因素密切相關(guān)。興化灣潮差大，潮流動(dòng)力強(qiáng)，泥沙來(lái)源主要為局部淺灘泥沙的再搬運(yùn)，泥沙在波浪作用下難于啟動(dòng)運(yùn)移，且南日群島對(duì)外海的波浪有一定的阻擋作用［2］，波浪作用不顯著。本文采用三維ECOMSED水動(dòng)力模型，以經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的水動(dòng)力場(chǎng)作為背景場(chǎng)，聯(lián)合泥沙模塊，模擬興化灣海域的泥沙分布特征。

1 ECOMSED介紹

ECOMSED全稱為Estuarine，Coastal and Ocean Modeling System with Sediments，是由Blumhberg，Mellor，Casulli and Cheng發(fā)展起來(lái)的1個(gè)較為成熟的淺海三維水動(dòng)力學(xué)模式，包含了6個(gè)模塊：水動(dòng)力模塊、黏性和非黏性泥沙輸運(yùn)模塊、沉積物示蹤模塊、可溶性粒子輸運(yùn)模塊、熱通量模塊、風(fēng)浪模塊。該模式采用了基于靜力學(xué)假設(shè)和Boussinesq近似下的海洋封閉方程組，在水平方向上采用曲線正交網(wǎng)格，即Arakawa C網(wǎng)格。在垂直方向上采用σ坐標(biāo)，從而在模擬海底地形的準(zhǔn)確性上較正交坐標(biāo)系更好。同時(shí)該模式在垂直方向上嵌套了2.5階湍流閉合模型，可以提供垂向粘滯系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)。模式的計(jì)算通過(guò)內(nèi)外模的分離，提高了計(jì)算速度，在計(jì)算時(shí)其水平項(xiàng)和時(shí)間變化上采用顯式差分。垂直項(xiàng)采用隱式差分。本次模擬即是集合了水動(dòng)力模塊和沉積物輸運(yùn)模塊來(lái)模擬興化灣的泥沙輸運(yùn)。

ECOMSED計(jì)算泥沙輸運(yùn)的模塊與水動(dòng)力模塊同時(shí)運(yùn)行。模型中包含的沉積物動(dòng)力學(xué)過(guò)程包括沉積物的再懸浮、黏性和非黏性沉積物的輸運(yùn)和沉積。其所指的黏性沉積物是指粒徑小于75μm的細(xì)沙和顆粒物殘?jiān)?，而非黏性沉積物則指粒徑在75～500μm的較粗顆粒。粒徑大于500μm的粗砂和砂礫一般表現(xiàn)為推移質(zhì)輸運(yùn)，這在模型中并沒(méi)有考慮。由于形成黏性沉積物底的沉積物有隨時(shí)間固結(jié)的現(xiàn)象，因而模型中還加入了1個(gè)垂向分層的底質(zhì)模型來(lái)體現(xiàn)固結(jié)效應(yīng)。公式1～6是本文要用到的控制方程。

沉積物性質(zhì)為k（k＝1，2）的沉積物輸運(yùn)三維對(duì)流－擴(kuò)散方程為：Ck為沉積物性質(zhì)為k（1表示黏性沉積物，2表示非黏性沉積物）的懸浮沉積物濃度。

邊界條件：

式中：C為泥沙濃度，E、D分別為再懸浮和沉積通量。η為自由海表面，H為水深。

根據(jù)Gailni et al.［7］，從黏性沉積底再懸浮的細(xì)沙量為：

這里ε為再懸浮潛力（mg·cm－2），a0為取決于底質(zhì)特性的常數(shù)；Td為沉積后的時(shí)間（d）；τb為底剪切應(yīng)力（dyne·cm－2）；τc為侵蝕臨界應(yīng)力（dynes·cm－2）；m，n為取決于沉積環(huán)境的常數(shù)。

再懸浮率為：

在SED模型中，黏性沉積物的沉積率直接取決于到達(dá)底部的沉積物通量和絮狀體粘附于底部的概率，根據(jù)Krone公式：

這里D1為沉積通量（g·cm－2s－1）；Ws，l為黏性絮狀體的沉降速率（cm·s－1）；C1為沉積物－水界面附近的黏性懸浮沉積物濃度（g·cm－3）；P1為沉降概率。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明黏性絮狀體的沉降速率取決于絮狀體形成的濃度和水體切應(yīng)力的乘積，即：

這里Ws，l，C1和G的單位分別為m·d－1，mg·L－1和dynes·cm－2。以上方程已經(jīng)內(nèi)在體現(xiàn)了內(nèi)部切應(yīng)力（G）對(duì)聚合和沉降的作用。

水體切應(yīng)力（G）由水動(dòng)力輸出（如流速和垂向湍黏性）計(jì)算。

2 研究海域的潮流泥沙模擬

2.1 模式設(shè)置及站位分布

為了能夠準(zhǔn)確地模擬興化灣海域的潮流狀況、泥沙濃度場(chǎng)的分布狀況及沖淤變化情況，選取由25.08°N～25.555°N，119.1°E～119.8°E所圍成的矩形區(qū)域作為計(jì)算區(qū)域，水平為352×265的矩形網(wǎng)格，計(jì)算空間網(wǎng)格步長(zhǎng)取為Δx＝200 m，Δy＝200 m，垂向采用σ坐標(biāo)，分為5層（0，0.2H，0.6H，0.8H，1.0H）。計(jì)算中選取時(shí)間步長(zhǎng)Δt＝4s，滿足CFL條件，并能滿足計(jì)算穩(wěn)定性和精度要求。

福建省港航管理局勘測(cè)中心在研究海域內(nèi)布設(shè)了6個(gè)潮位站連續(xù)進(jìn)行1個(gè)月的潮位觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)間從2009年2月10日～3月9日，潮位站分別布設(shè)在江陰島壁頭、牛頭尾、蓮峰、石城作業(yè)區(qū)、石城和南日島。同時(shí)，在2009年2月11日11：00～2月12日14：00（大潮）和2009年2月15日8：00～2月16日11：00（中潮）期間進(jìn)行了28 h同步水文測(cè)量，潮流每施測(cè)1次／h。含沙量分析取水樣時(shí)間與潮流觀測(cè)同步，在每次漲（落）急前后3 h內(nèi)，測(cè)量1次／h，測(cè)量層數(shù)與海流觀測(cè)層數(shù)一致。在其他時(shí)段，每測(cè)量1次／2h。

為了配合模型結(jié)果與觀測(cè)資料進(jìn)行驗(yàn)證，模型計(jì)算的時(shí)間為2009年2月5日0時(shí)～3月12日0時(shí)，共35 d。每小時(shí)輸出一組數(shù)據(jù)。前5天用于數(shù)值模式的穩(wěn)定時(shí)間，輸出后面30 d的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、驗(yàn)證與分析。

興化灣海域無(wú)大河流直接注入，僅在灣頂附近有木蘭溪和荻蘆溪2條小溪匯入，據(jù)1959—1979年2溪流入灣里的泥沙統(tǒng)計(jì)，年平均入海泥沙75.5萬(wàn)t。周邊沿岸洪季沖蝕入海泥沙和潮流波浪侵蝕入海泥沙的沙源有限，對(duì)灣內(nèi)影響極其微弱。興化灣海域通過(guò)興化水道和南日水道進(jìn)出興化灣的水體含沙量均比水道和灣內(nèi)小，而2條水道進(jìn)出水體的含沙量基本相當(dāng)，外海來(lái)沙對(duì)灣內(nèi)的泥沙淤積不會(huì)產(chǎn)生影響。

圖1是區(qū)域的計(jì)算網(wǎng)格圖，圖2為潮位和潮流觀測(cè)點(diǎn)位置位圖，本文中限于篇幅僅選取大潮期2號(hào)站和4號(hào)站的實(shí)測(cè)和模擬流速、流向、懸沙濃度進(jìn)行驗(yàn)證。表1和2為潮位、潮流以及泥沙站點(diǎn)布設(shè)位置。

表1 潮位站布設(shè)位置Table 1 Station locations for tidalt investigation

表2 潮流站布設(shè)位置Table 2 Station locations for current and sediment investigation

2.2 實(shí)測(cè)和模擬結(jié)果驗(yàn)證

圖3為實(shí)測(cè)和模擬潮位驗(yàn)證，從圖中可以看出，二者變化趨勢(shì)基本一致，模擬結(jié)果較好。圖4為2號(hào)站、4號(hào)站的實(shí)測(cè)與模擬的流速、流向比較，大潮期間潮段平均的流速偏差漲潮潮段最大為10%，落潮潮段最大為10%，大潮期間潮段平均的流向偏差漲潮潮段最大為11%，落潮潮段最大為22%。圖5為2號(hào)站、4號(hào)站的實(shí)測(cè)與模擬的懸沙濃度比較，兩者符合較好，潮段平均含沙量偏差較小，集中在±20%以內(nèi)。綜合分析結(jié)果表明ECOMSED潮流數(shù)學(xué)模型較好地模擬了實(shí)際流場(chǎng)和泥沙濃度場(chǎng)。

圖3 潮位驗(yàn)證Fig.3 Verification for tidal level

從圖中可以看出以下主要特征：

（1）興化灣海域的潮汐為正規(guī)半日潮。

（2）興化灣海域的潮流為正規(guī)半日潮流，漲潮流方向?yàn)镾E－NW向，而落潮流方向?yàn)镹W－SE向。

（3）受潮流影響，在1個(gè)全日潮周期內(nèi)懸沙濃度有4個(gè)峰值對(duì)應(yīng)2次／d的最大漲潮流（漲急）和最大落潮流（落急）時(shí)刻，從表至底懸沙濃度逐漸增大。

2.3 懸沙濃度分布特征

表層、中層、底層泥沙濃度場(chǎng)量值有所不同，從表至底濃度逐漸增大，但是其空間分布趨勢(shì)基本一致，因此僅就深度平均的泥沙濃度場(chǎng)進(jìn)行分析。給出大潮期間漲急落急時(shí)刻模式計(jì)算懸沙濃度平面分布結(jié)果，如圖6所示。

在潮流作用下，含沙量的分布與流場(chǎng)大小和地形分布密切相關(guān)，含沙量等值線基本與岸線平行，高值區(qū)出現(xiàn)在海岸附近海域，河流入海攜帶了大量的泥沙，在河口處懸沙濃度可達(dá)120 mg／L，2 m等深線以淺海域大潮期間基本為50～80 mg／L的懸移質(zhì)濃度占據(jù)，三江口下泄的泥沙及淺灘海域?yàn)┟嫦粕硨?duì)附近一定范圍內(nèi)水域有所影響。興化灣大部分海域的含沙量很低，均在50 mg／L以下，總體呈灣內(nèi)和水道大于外海的趨勢(shì)。

圖6 大潮期興化灣海域天然含沙量場(chǎng)／mg·L－1Fig.6 Sediment concentration field in Xinhua Bay in the spring tide

2.4 沖淤分布特征

為了解興化灣海底地形變化，通過(guò)1963年1∶50 000海圖、1994年1∶10 000水深圖、2008年1∶10 000水深圖及2009年1∶10 000水深圖進(jìn)行對(duì)比（見圖7），興化灣內(nèi)深槽的西部（江陰壁頭南側(cè)）處于穩(wěn)中有沖狀態(tài)，深槽的中部（江陰壁頭以東）有沖有淤，以沖為主，江陰壁頭南側(cè)近岸淺灘，局部略有沖刷，興化水道基本處于沖淤平衡狀態(tài)，南日水道水深基本穩(wěn)定。

圖7 興化灣灣內(nèi)水深變化對(duì)比圖Fig.7 Water depth changes in Xinhua Bay／cm

圖8給出了興化灣年沖淤變化量的分布。由圖中可看出整個(gè)興化灣基本處于沖淤穩(wěn)定的狀態(tài)，淤積主要集中在近岸淺灘海域。其中興化灣西部淺灘、三江口附近及北部淺灘區(qū)處于沖淤基本平衡、略有淤積的狀態(tài)，年淤積厚度達(dá)1～6 cm，南日水道口門外近南日島海域年淤積厚度2～4 cm。興化灣內(nèi)水域泥沙來(lái)源較少，同時(shí)該海域潮差大，潮流動(dòng)力強(qiáng)，漲、落潮流路穩(wěn)定，并呈往復(fù)流動(dòng)，致使細(xì)顆粒泥沙不易在深水區(qū)內(nèi)淤積，灣內(nèi)水域處于略有沖刷的基本平衡狀態(tài)，年均沖刷厚度為0～1 cm。

圖8 興化灣海域年沖淤變化量Fig.8 Annual deposition and erosion changes in Xinhua Bay／cm

3 結(jié)論

本文通過(guò)三維ECOMSED模式模擬的潮流泥沙與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合較好，能夠較準(zhǔn)確地分析興化灣的泥沙特征。

（1）興化灣海域的潮汐為正規(guī)半日潮，潮流為正規(guī)半日潮流，呈往復(fù)流運(yùn)動(dòng)。

（2）在潮流作用下，興化灣含沙量的分布與流場(chǎng)大小和地形分布密切相關(guān)，含沙量等值線基本與岸線平行，高值區(qū)出現(xiàn)在海岸附近海域。興化灣大部分海域的含沙量很低，總體呈灣內(nèi)和水道大于外海的趨勢(shì)。

（3）興化灣西部及北部淺灘區(qū)處于沖淤基本平衡、略有淤積的狀態(tài)。深槽處于較強(qiáng)往復(fù)潮流作用，大部分

水域基本處于略有沖刷的基本平衡狀態(tài)。江陰壁頭附近深槽、南日水道和興化水道多年來(lái)一直處于沖淤平衡或略有沖刷的狀態(tài)。這種狀態(tài)的產(chǎn)生主要是由于該海域泥沙來(lái)源較少，短小河流泄洪排出的泥沙僅在邊灘沉積，同時(shí)該海域潮差大，潮流動(dòng)力強(qiáng)，漲、落潮流路穩(wěn)定，并呈往復(fù)流動(dòng)，致使細(xì)顆粒泥沙不易在深水區(qū)內(nèi)淤積等原因造成的。

［1］ 李孟國(guó)，時(shí)鐘，范文靜.潮流數(shù)學(xué)模型在興化灣深水航道研究中的應(yīng)用［J］.水運(yùn)工程，2004，366（7）：59－62.

［2］ 李孟國(guó).興化灣水文泥沙特征分析［J］.水道港口，2001，22（4）：156－159.

［3］ 柯文榮.興化灣建設(shè)大型深水航道的可行性研究［J］.臺(tái)灣海峽，2002，21（3）：360－366.

［4］ 柯文榮，張子閩，傅勇明.興化灣建設(shè)大型深水航道的可行性［J］.福建水產(chǎn)，2002，3（3）：20－23.

［5］ 柯文榮，張子閩.興化灣20－30萬(wàn)噸深水航道的研究［J］.水運(yùn)工程，2002，8（1）：44－46.

［6］ 高勁松、周良明.興化灣的潮流研究［J］.海岸工程，2009，28（4）：1－10.

［7］ Gailani J，Ziegler C K，Lick W.The transport of sediments in the Fox River［J］.Great Lakes Res，1991，17：479－494.

ECOMSED－Based Three－Dimensional Numerical Model for Sediment Transport in Xinghua Bay

HAN Shu－Zong，JIA Ning
（College of Physical and Environmental Oceanography，Ocean University of China，Qingdao 266100，China）

In this paper，the 3－dimensional ECOMSED model is used to simulate the sediment transport in Xinghua Bay，and the model results are compared with the observations.It is learnt that the model gives better results，and the current features and sediment transport can be precisely analyzed.As the analysis shows，the sediment concentration in most of Xinghua Bay area is very low，and shows stable deposition and erosion.The change value of deposition and erosion is very low.Depositions are mainly in shallow coastal areas.Annual deposition changes in the coastal are generally tended to increase.

Xinghua Bay；sediment；ECOMSED

X144

A

1672－5174（2012）04－001－06

2011－04－17；

2011－05－11

韓樹宗（1970－），男，博士，副教授。E－mail：hansz＠ouc.edu.cn

責(zé)任編輯 龐 旻