黃賽花， 卜瑜輝， 朱永威， 謝華偉, 聶會

(1.浙江水利水電學(xué)院，浙江 杭州 310018； 2.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046；3.浙江省農(nóng)村水利水電資源配置與調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310018)

海域峽道的存在影響著近海航運(yùn)事業(yè)的發(fā)展，對這些峽道進(jìn)行研究至關(guān)重要。20世紀(jì)30年代，GREGORY J W[1]開展了關(guān)于多佛海峽潮汐水動力的研究分析。目前針對峽道的研究方法有很多，例如理論分析、實(shí)測數(shù)據(jù)分析、物理模型試驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型等方法。隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)值模擬方法在海洋水動力研究方面的應(yīng)用日趨廣泛。例如：THIéBAUT M等[2]基于MARS-3D建立了多佛海峽的三維水動力模型，得出多佛海峽潮流水動力最強(qiáng)的地方位于Cape Gris Nez以西；王道生等[3]通過FVCOM平臺模擬分析了臺灣海峽不規(guī)則海岸與峽道的水動力關(guān)系，并對臺灣海峽的潮汐進(jìn)行了分析；CUCCO Andrea等[4]數(shù)值模擬了墨西哥海峽與外部海域的水動力特性。

浙江舟山海島數(shù)量在國內(nèi)居首，海島間峽道眾多，目前國內(nèi)學(xué)者對于舟山群島峽道的研究已取得不少有價(jià)值的研究成果。蔣國俊等[5-6]從峽道水動力學(xué)角度探討了舟山群島峽道環(huán)境中的水動力及沉積特性。袁金雄等[7]建立舟山數(shù)學(xué)模型研究峽道潮流能的利用對峽道水動力的影響。任劍波等[8]研究了舟山島北部灌門水道潮波特性。馮海防等[9]通過Delft 3D-Flow軟件數(shù)值模擬了黃驊港附近海域的潮流場，研究在不同時(shí)期和工況下潮流場的主要變化。吳清松等[10]依據(jù)象山崗實(shí)測水文資料，建立了該海域潮流數(shù)值模型，探討了峽道地形對于潮流變化的影響。

隨著浙江舟山群島新區(qū)建設(shè)的不斷推進(jìn)，東港新城逐漸成為舟山市新的政治經(jīng)濟(jì)中心，普沈水道正對東港新城，其重要性不斷凸顯。本文選取普沈水道為研究對象，基于1997年和2017年周邊海島岸線的變遷，探討1997—2017年普沈水道水動力的變化特征，研究結(jié)果可為東港新區(qū)的規(guī)劃提供參考。

1 研究區(qū)域概況

舟山群島位于杭州灣口門外，其間島嶼和潮流峽道縱橫交錯(cuò)，岸線逶迤曲折，如圖1所示。普沈水道位于舟山島、普陀島、朱家尖島三大島嶼之間，連接著普陀山和沈家門港。周邊水道交錯(cuò)，其北接蓮花洋、東通白沙水道、南連福利門水道與峙頭洋。普沈水道總長8.6 km，峽道平均寬度約0.9 km(其中舟山島與分水礁之間最窄處僅0.4 km)。普沈水道呈西南—東北走勢，總體水深較淺，最深處位于普陀島南部海域，水深僅25 m，最淺處位于朱家尖島金缽盂山以北海域，水深不足4 m，水道南部和北部地形低于中部地形，總體地形似馬鞍。

圖1 普沈水道地理位置及附近海域岸線變化

普沈水道周邊海域?qū)俜钦?guī)半日淺海潮，多年平均最高潮位為2.31 m，平均最低潮位為-1.96 m，最大潮差可達(dá)3.93 m；漲、落潮分別歷時(shí)為5 h 40 min～5 h 57 min和6 h 28 min～6 h 45 min，落潮歷時(shí)長；峽道潮流以往復(fù)流為主，海島岸線突出地方存在旋轉(zhuǎn)流。

圖1中勾勒出了普沈水道周邊各島嶼1997年和2017年的海岸線輪廓。從圖1中可以看出，近20年來，普沈水道周圍海島岸線變化較大，其中海域西北側(cè)舟山島岸線變化最為顯著，岸線向海域推進(jìn)約1.2 km；水道南側(cè)的朱家尖島西南段岸線已向海域推進(jìn)1.0 km左右，北側(cè)局部岸線向海域遷移0.8 km；東北側(cè)的普陀島岸線變化相對較小。普沈水道及附近海域的圍墾工程使得岸線形態(tài)更加平直規(guī)整，長度則明顯縮短。

2 模型建立及模擬結(jié)果驗(yàn)證

本次模擬采用丹麥水力學(xué)所研制的平面二維數(shù)值模型MIKE 21FM來研究舟山海域的潮流場運(yùn)動。

2.1 水動力控制方程

海域總水深計(jì)算式如下：

H=h+ξ。

(1)

連續(xù)性控制方程如下：

(2)

動量控制方程如下：

(3)

(4)

2.2 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格

采用MIKE 21構(gòu)建普沈水道模型,如圖2所示，以乍浦為西邊界、蘆潮港和綠華山為北邊界、石浦作為南邊界、東部開敞海域?yàn)闁|邊界，水深大于50 m。1997—2017年間，舟山群島海域岸線復(fù)雜多變，采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格剖分計(jì)算域，對普沈水道處進(jìn)行網(wǎng)格加密，遠(yuǎn)離水道海域網(wǎng)格相對稀疏，不同尺度網(wǎng)格之間通過設(shè)置實(shí)現(xiàn)平緩過度。模型計(jì)算節(jié)點(diǎn)共15 274個(gè)，三角網(wǎng)格總數(shù)為28 944個(gè)，最小空間步長約為10 m。水陸邊界處理采用“干濕”網(wǎng)格點(diǎn)法，把水深大于0.05 m處的邊界視為濕邊界，水深小于等于0.05 m處的邊界視為干邊界。根據(jù)潮位測站實(shí)測潮位值，運(yùn)用差分器差分得到潮位值。采用全球潮汐模型進(jìn)行調(diào)和分析，通過10個(gè)分潮位推算天文潮位。

圖2 模型邊界及網(wǎng)格分布

2.3 相關(guān)參數(shù)設(shè)置

2.3.1 計(jì)算時(shí)間步長和底床糙率

模型計(jì)算時(shí)間步長根據(jù)CFL條件進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，最小時(shí)間步長為0.01 s，最大時(shí)間步長為30 s。謝才系數(shù)、曼寧系數(shù)、粗糙高度均可表征底床糙率。本次研究選取曼寧系數(shù)來表征底床糙率，根據(jù)2006年9—10月份舟山海域?qū)崪y潮位和流速水文數(shù)據(jù)開展模型率定驗(yàn)證，進(jìn)行多次調(diào)試率定，取底床糙率為0.014。

2.3.2 水平渦黏系數(shù)和科氏力

采用考慮亞尺度網(wǎng)格效應(yīng)的SMAGORINSKY J[11]公式計(jì)算水平渦黏系數(shù)，其值一般在0.25到1.00之間，經(jīng)多次率定調(diào)試，取其值為0.28?？剖狭θ∷诤Ｓ蚱骄暥?，即φ=27.50°。

2.4 數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證

實(shí)時(shí)同步測站點(diǎn)分布如圖3所示，其中1#—3#為潮流測站點(diǎn)，螺門漁輪碼頭、沈家門小甘碼頭、朱家尖西岙碼頭和登步島雞冠碼頭為4個(gè)潮位測站點(diǎn)(測站點(diǎn)下文簡稱測點(diǎn))。潮位、潮流特征測點(diǎn)和特征斷面分布如圖4所示。圖5為模型潮流驗(yàn)證結(jié)果(2006年10月1日—2006年10月9日)，圖6為各測點(diǎn)處大潮流速和流向驗(yàn)證結(jié)果(2006年9月23—24日)。

通過分析比較圖5和圖6中潮位和潮流的計(jì)算值與實(shí)測值，量化評價(jià)結(jié)果根據(jù)均方根誤差、標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差、相關(guān)系數(shù)與預(yù)報(bào)能力來確定[12]。結(jié)果顯示：4個(gè)潮位測點(diǎn)和3個(gè)潮流測點(diǎn)的計(jì)算值與實(shí)測值基本吻合，所建立的模型能較好反映舟山群島周圍海域的水動力情況?；诖蓑?yàn)證結(jié)果，分別模擬了1997年和2017年海岸線條件下普沈水道的水動力過程。

圖3 潮位和潮流驗(yàn)證測點(diǎn)分布

圖4 潮位和潮流特征測點(diǎn)及特征斷面分布

圖5 各測點(diǎn)處潮位的驗(yàn)證結(jié)果

圖6 各測點(diǎn)處的水流流速和流向的驗(yàn)證結(jié)果

3 結(jié)果討論

3.1 潮位變化

普沈水道及附近海域近20年的岸線變化對其潮位的影響以輻射狀向外逐漸減弱，且越靠近圍墾工程區(qū)域的水動力變化越明顯。為了更直觀地分析岸線變化引起普沈水道高潮位變化的特征，本次共布設(shè)了39個(gè)特征測點(diǎn)，特征測點(diǎn)位置如圖4所示。普沈水道及附近海域特征測點(diǎn)處大潮潮位變化情況見表1。

表1 普沈水道及附近海域特征測點(diǎn)大潮潮位變化

從表1中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看：岸線變遷對普沈水道潮位變化影響相對較小；高潮位和低潮位整體下降0～2 cm，岸線變遷對普沈水道高潮位的影響要大于對低潮位的影響。東港新城處的岸線向海推移距離越遠(yuǎn)距東港新區(qū)較近的蓮花洋海域潮位下降幅度越大；朱家尖島和陸家峙島之間岸線向海推移，束窄了普沈水道南部的潮流通道，導(dǎo)致此處的高潮位下降，但下降值不超過3 cm。

3.2 潮差變化

1997—2017年普沈水道附近海域潮差變化如圖7所示。

圖7 1997—2017年普沈水道附近海域的潮差變化

由圖7知：岸線變遷造成普沈水道及其附近海域潮位變化的同時(shí)也會對潮差造成一定的影響；1997—2017年舟山海域的岸線變遷導(dǎo)致普沈水道及附近海域的潮差發(fā)生輕微改變；普沈水道潮差減小海域主要分布在陸家峙島和朱家尖島之間，東港新城北側(cè)局部海域潮差減小?？偟膩碚f，岸線變化對該水道不同位置處的潮差影響表現(xiàn)略不相同：陸家峙島以南的水域潮差略有增加，東側(cè)水域的潮差減??；普沈水道中部潮差變化不大，北部潮差略微減小。

3.3 潮流變化

統(tǒng)計(jì)大潮周期內(nèi)39個(gè)特征測點(diǎn)處的流速相對變化幅度，結(jié)果見表2。

從表2中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看：1997—2017年，普沈水道周邊海域岸線的改變造成普沈水道及附近海域的落急潮流流速以減小為主，流速變化大的海域主要分布在如下2個(gè)區(qū)域，即落急潮流變化最大的海域?yàn)橹凵綅u與朱家尖島之間的海域和東港新城附近海域。朱家尖島與陸家峙島之間圍墾導(dǎo)致穿過普沈水道南部的潮流通道束窄，岸線形態(tài)的變化導(dǎo)致束窄處水道的最大漲、落急流速出現(xiàn)時(shí)刻、整體流速分布發(fā)生改變，圍墾工程也導(dǎo)致普沈水道南部潮流落急和漲急流速均增大。由于篇幅有限，文中只選取所布設(shè)特征測點(diǎn)處流速變化幅度最明顯的測點(diǎn)F5和H4處的流速進(jìn)行分析。

表2 普沈水道漲急和落急最大流速變化統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖8為在F5和H4測點(diǎn)處測得的不同年份的流速、流向過程。

圖8 F5和H4測點(diǎn)處的流速和流向變化過程

由圖8可知：這兩個(gè)測點(diǎn)處的潮流在各個(gè)年份的流向基本一致，但流速峰值明顯下降。

圖9為普沈水道附近海域潮流的落急、漲急流態(tài)，圖10—11分別展示了普沈水道周邊海域岸線變遷前后潮流的落急、漲急流速變化結(jié)果。由圖9—11可知：圍墾后普沈水道沿岸處的流速減小，中部流速略微增大；陸家峙島西側(cè)潮流的落急和漲急流速均下降，南側(cè)的出現(xiàn)流速增大現(xiàn)象。整體來看，1997—2017年，普沈水道周邊海域岸線變遷對普沈水道落急流速的影響大于對漲急流速的影響。

圖9 1997年與2007年普沈水道附近海域的流場分布

圖10 1997—2017年普沈水道落急流速變化

圖11 1997—2017年普沈水道漲急流速變化

3.4 斷面流量變化

近20年，舟山島、朱家尖島、普陀島及其附近島嶼因圍墾工程建設(shè)，造成普沈水道及附近海域的岸線變遷。為了研究岸線變遷對普沈水道斷面潮流量的影響，分別選取南側(cè)舟山—朱家尖斷面(ZS—ZJJ)、東側(cè)普陀—朱家尖斷面(PT—ZJJ)、北側(cè)舟山—普陀斷面(ZS—PT)3個(gè)代表大斷面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究。2017—1997年間不同斷面的納潮量見表3。

表3 各斷面處的落潮與漲潮流量

研究表3發(fā)現(xiàn)：1997—2017年，這3個(gè)斷面處的落潮與漲潮流量整體呈下降趨勢，漲潮量減少比例約為落潮量的1.1～3.2倍；潮量減幅最大處位于南側(cè)通道，漲、落潮流量分別減少802萬m3和294萬m3，減幅分別達(dá)到了4.25%和3.36%；潮量變化值最大處位于北側(cè)通道，該處漲潮流量減少1 354萬m3,減幅為2.22%，但該處落潮量變化并不算大，僅為315萬m3；近20年來，海島岸線變化使得普沈水道北側(cè)漲、落潮潮差變化最大，達(dá)到了1 039萬m3。

4 結(jié)論

普沈水道及附近海域變遷岸線分布范圍廣，岸線主要以“直代曲”造成長度縮短，自然岸線越來越多地被人工岸線取代。由數(shù)值模型模擬結(jié)果可知，1997—2017年普沈水道及附近岸線的變遷對普沈水道及其附近海域的水動力影響主要有以下幾個(gè)方面：

1)岸線向海推移對普沈水道及附近海域的整體潮位影響不太顯著，但東港圍墾工程附近局部海域出現(xiàn)潮位下降現(xiàn)象，且潮位的變化幅度與圍墾工程區(qū)域的距離成反比。

2)普沈水道及附近海域的岸線變遷導(dǎo)致東港新城北側(cè)、陸家峙島和朱家尖島之間海域潮差有所減小。岸線變遷對潮流落急流速的影響大于對有漲急流速的影響，落急流速以減小為主，漲急流速有增大有減小。

3)普沈水道周邊海域岸線的變遷一定程度上減少了斷面的納潮量，導(dǎo)致斷面漲、落潮流量整體呈下降趨勢。潮量減幅最大處位于水道南側(cè)，潮量變化最大處位于北側(cè)通道。