王宇龍 寧春平 鐘廣達(dá)

摘要：文章基于MIKE21軟件建立欽州灣地區(qū)水動(dòng)力模型，并用實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，運(yùn)用該模型對(duì)2021年洪水期與枯水期欽州灣潮流場(chǎng)進(jìn)行模擬，分析不同時(shí)期的潮流特性。結(jié)果表明：欽州灣地區(qū)潮流為不規(guī)則全日潮，枯水期潮差大于洪水期潮差，潮差大小受地形影響較大；潮流漲落為往復(fù)流，漲潮歷時(shí)大于落潮歷時(shí)，落潮流速大于漲潮流速，最大流速出現(xiàn)在灣頸龍門(mén)水道處；外灣最大流速出現(xiàn)在西槽處，東槽次之，中槽的集流束能效果在枯水期有所顯現(xiàn)，洪水期不明顯；三墩港口對(duì)外灣潮流影響較大，由于離岸碼頭的修建，阻隔了東側(cè)水體的流動(dòng)，水體都由西側(cè)進(jìn)出外灣。

關(guān)鍵詞：欽州灣；潮流場(chǎng)；數(shù)值模擬；MIKE21

中圖分類號(hào)：U612.23 A 05 011 4

0 引言

潮流是指海水在天體（太陽(yáng)和月球）引力作用下進(jìn)行周期性運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，也是河口地區(qū)重要的水動(dòng)力條件之一，開(kāi)展潮流特性研究有助于更好地認(rèn)識(shí)河口地區(qū)水動(dòng)力過(guò)程。欽州灣是我國(guó)南部沿海的重要出?？谥唬恍＜覍W(xué)者通過(guò)對(duì)該地區(qū)潮流場(chǎng)的研究已得到一些成果。李樹(shù)華［1］根據(jù)實(shí)測(cè)資料與歷史資料對(duì)欽州灣潮流和溫鹽的分布進(jìn)行總結(jié)，發(fā)現(xiàn)欽州灣潮波以駐波式振動(dòng)為主，并帶有前進(jìn)潮波的某些特征。陳波等［2］對(duì)廣西沿岸主要海灣的潮流進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到潮流均為往復(fù)流且落潮流速大于漲潮流的結(jié)論。邱紹芳等［3］根據(jù)觀測(cè)資料分析欽州灣潮流特性后得出：落潮流速大于漲潮流，東部最大漲落潮流速大于西部，最大流速出現(xiàn)在龍門(mén)水道附近；外灣（欽州灣）為氣旋式環(huán)流，水體東進(jìn)西出，灣內(nèi)泥沙等從西部進(jìn)入外海。蔣磊明等［4］根據(jù)FV COM模型模擬結(jié)果與觀測(cè)資料，計(jì)算出欽州灣地區(qū)平均潮差納潮量為7.55×108 m3，大、小潮水交換的半更換周期分別為1.70個(gè)周期和4.53個(gè)周期。張伯虎等［5］根據(jù)實(shí)測(cè)資料與地形綜合分析，發(fā)現(xiàn)欽州灣的潮流深槽是潮流作用于葫蘆形復(fù)式港灣的必然產(chǎn)物，是在內(nèi)灣納潮蓄能、灣頸狹道強(qiáng)流、頸口島礁分流噴射沖刷而成的，并給出了潮流深槽穩(wěn)定臨界條件。董德信等［6］利用實(shí)測(cè)資料結(jié)合準(zhǔn)調(diào)和分析方法總結(jié)了欽州灣潮流季節(jié)特征，發(fā)現(xiàn)欽州灣屬不規(guī)則全日潮海區(qū)，茅尾海潮流夏季強(qiáng)于冬季，潮汐河口在夏季受徑流影響強(qiáng)烈。呂赫等［7］基于無(wú)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格有限體積水動(dòng)力模型分析了圍填海工程累積效應(yīng)對(duì)水動(dòng)力環(huán)境的影響，結(jié)果表明，工程后欽州灣外灣潮汐振幅減小，茅尾海內(nèi)振幅增加，水體半交換周期有所增加且在圍填海地區(qū)水交換能力下降。李少朗等［8］利用潮流準(zhǔn)調(diào)和分析方法，對(duì)2019年欽州灣近海海域３個(gè)站位的潮流資料進(jìn)行了分析。

本文基于MIKE 21軟件水動(dòng)力模型，對(duì)欽州灣潮流場(chǎng)進(jìn)行模擬研究，分析該地區(qū)洪水期與枯水期的潮流特性，所得結(jié)果可為工程實(shí)施、災(zāi)害防治等方面提供理論依據(jù)。

1 欽州灣數(shù)值模型

1.1 模型簡(jiǎn)介

數(shù)值模型采用由丹麥水資源及水環(huán)境研究所（DHI）開(kāi)發(fā)的MIKE 21軟件中的二維水動(dòng)力模塊（FM），采用基于笛卡爾坐標(biāo)下的平面非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格系統(tǒng)，通過(guò)有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散求解，該軟件在復(fù)雜邊界處理方面較穩(wěn)定，計(jì)算結(jié)果精確，已在國(guó)內(nèi)外許多工程研究中得到了廣泛應(yīng)用，并得到業(yè)界的高度認(rèn)可。

1.2 模型的建立

欽州灣近似于一個(gè)葫蘆海灣，灣首及灣口都很開(kāi)闊，中部較窄，呈兩頭大中間細(xì)的喇叭狀，其主要由三大部分組成，即外灣、內(nèi)灣、灣頸。外灣是欽州灣的主體部分，指灣口至灣頸的區(qū)域;灣頸指龍門(mén)水道;內(nèi)灣指茅尾海一帶［1］。研究區(qū)域如圖1所示。

模型上游以欽江青年船閘為節(jié)點(diǎn)，包括青年水閘至欽江河口以及欽州灣，范圍大約為東西25.9? km、南北48.2 km的區(qū)域（圖2），建模長(zhǎng)度約為48.8 km，面積約為320 km2，模型采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格總共為185 400個(gè)。欽江段網(wǎng)格沿流向40 m，沿河寬方向約為20 m；沙井至欽州灣沿軸向50 m，模型基于2000國(guó)家大地坐標(biāo)系建立，高程基于1985國(guó)家基準(zhǔn)面。模型的上游為現(xiàn)青年水閘實(shí)測(cè)來(lái)流過(guò)程，下游為欽州灣海洋測(cè)站潮位過(guò)程。模型的計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為30 s，沿程河床糙率采用ks=0.05 m，陸地邊界采用干濕邊界辨別法，水深＜0.005 m時(shí)為干網(wǎng)格，水深＞0.1 m時(shí)為濕網(wǎng)格。

2 模型驗(yàn)證

采用2021年枯水期實(shí)測(cè)的大、小潮潮流資料與模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證點(diǎn)位如圖1所示。驗(yàn)證情況（圖3）表明，所建立的潮流數(shù)學(xué)模型的模擬結(jié)果無(wú)論是數(shù)值上還是相位上均與原型水體運(yùn)動(dòng)達(dá)到了較好的相似性，可用于當(dāng)?shù)厮鬟\(yùn)動(dòng)規(guī)律的模擬中，結(jié)果具有良好的可信度，能夠較為真實(shí)地反映茅尾海及欽江河段的潮位、流速變化過(guò)程。

3 潮流特性分析

欽江是欽州灣地區(qū)水流主要來(lái)源，上游來(lái)流經(jīng)河口流入茅尾海再通過(guò)龍門(mén)水道流入欽州灣外灣 ，在此取欽江（A點(diǎn)）、河口地區(qū)（B點(diǎn)）、茅尾海內(nèi)（C點(diǎn)）、龍門(mén)水道（D點(diǎn)）4處作為特征點(diǎn)分析欽州灣地區(qū)潮流特性。

3.1 潮位特征

3.1.1 洪水期潮位（圖4）

在洪水期，欽州灣潮流為不規(guī)則全日潮，大潮時(shí)為規(guī)則的全日潮，小潮時(shí)有兩天發(fā)生了一天內(nèi)出現(xiàn)兩次高潮與兩次低潮的情況，呈現(xiàn)半日潮特征；漲潮歷時(shí)（14 h）大于落潮歷時(shí)（10 h）。統(tǒng)計(jì)特征點(diǎn)位潮差情況，欽江最大潮差3.69 m，平均潮差1.58 m；河口地區(qū)最大潮差4.89 m，平均潮差2.53 m；茅尾海內(nèi)最大潮差4.19 m，平均潮差2.34 m；龍門(mén)水道處最大潮差4.69 m，平均潮差2.45 m。潮差由大到小依次為河口地區(qū)、龍門(mén)水道、茅尾海內(nèi)、欽江。潮差的大小受引潮力、地形等因素的影響，隨著潮汐上涌潮差逐漸減小，欽州灣由于其獨(dú)特的葫蘆形結(jié)構(gòu)，最大潮差出現(xiàn)在地形收束的河口地區(qū)，潮汐上溯到欽江河道內(nèi)時(shí)經(jīng)歷了能量損耗，導(dǎo)致潮差變小。

3.1.2 枯水期潮位（圖5）

在枯水期，潮流同洪水期相同，仍為不規(guī)則全日潮，僅在小潮出現(xiàn)兩次半日潮特征，漲潮歷時(shí)大于落潮歷時(shí)。統(tǒng)計(jì)特征點(diǎn)位潮差情況，如表1所示，欽江最大潮差4.17 m，平均潮差2.17 m；河口地區(qū)最大潮差5.67 m，平均潮差2.63 m；茅尾海內(nèi)最大潮差4.63 m，平均潮差2.40 m；龍門(mén)水道處最大潮差5.49 m，平均潮差2.63 m。潮差由大到小依次為河口地區(qū)、龍門(mén)水道、茅尾海內(nèi)、欽江，該特征與洪水期相同。由于枯水期上游來(lái)流變小，外海潮汐優(yōu)勢(shì)更加明顯，與洪水期相比各點(diǎn)潮差均有所增大，欽江最大潮差增大0.48 m，平均潮差增大0.59 m；河口地區(qū)最大潮差增大0.78 m，平均潮差增大0.1 m；茅尾海內(nèi)最大潮差增大0.44 m，平均潮差增大0.06 m；龍門(mén)水道最大潮差增大0.8 m，平均潮差增大0.18 m。4個(gè)典型區(qū)域最大潮差增幅均＞0.4 m，平均潮差中，只有欽江內(nèi)增幅較大。

3.2 流速與流場(chǎng)特征

3.2.1 洪水期

在洪水期時(shí)，由流向圖（圖6）與流速圖（圖7）可以看出，欽州灣水流呈現(xiàn)往復(fù)流的特征，最大流速出現(xiàn)在龍門(mén)水道處（D點(diǎn)）；洪水期欽江（A點(diǎn)）漲潮平均流速0.34 m/s，最大流速0.78 m/s，落潮平均流速0.48 m/s，最大流速0.79 m/s；河口處漲潮平均流速0.14 m/s，最大流速0.27 m/s，落潮平均流速0.16 m/s，最大流速0.39 m/s；茅尾海內(nèi)漲潮平均流速0.17 m/s，最大流速0.45 m/s，落潮平均流速0.26 m/s，最大流速0.47 m/s；龍門(mén)水道處漲潮平均流速0.42 m/s，最大流速1.01 m/s，落潮平均流速0.55 m/s，最大流速1.01 m/s。流速?gòu)拇蟮叫∫来螢辇堥T(mén)水道、欽江、茅尾海、河口。

由圖8可知，漲潮時(shí)潮流沿西南方向流入外灣，最大流速出現(xiàn)在西槽［5］處，東槽次之，中槽集流效果未顯現(xiàn)，這可能與填海工程與河口淤積等的影響有關(guān)，水流隨后在外灣轉(zhuǎn)西北方向經(jīng)龍門(mén)水道進(jìn)入茅尾海，三墩碼頭的修建阻隔了外灣東側(cè)水體的流動(dòng)，水流全部由西側(cè)進(jìn)出。落潮時(shí)潮流方向與漲潮時(shí)方向相反，特征類似。欽州灣內(nèi)漲急落急時(shí)刻最大流速都出現(xiàn)在灣頸龍門(mén)水道附近，落潮流速大于漲潮流速，這與以往的研究結(jié)論相同。

3.2.2 枯水期

枯水期時(shí)，欽州灣潮流漲退流向呈現(xiàn)明顯的往復(fù)流特點(diǎn)，由于地形的收束作用，最大流速出現(xiàn)在龍門(mén)水道處，落潮流速大于漲潮流速?？菟跉J江內(nèi)漲潮平均流速0.31 m/s，最大流速0.97 m/s，落潮平均流速0.45 m/s，最大流速0.74 m/s；河口處漲潮平均流速0.12 m/s，最大流速0.30 m/s，落潮平均流速0.16 m/s，最大流速0.34 m/s；茅尾海內(nèi)漲潮平均流速0.14 m/s，最大流速0.47 m/s，落潮平均流速0.24 m/s，最大流速0.51 m/s；龍門(mén)水道處漲潮平均流速0.42 m/s，最大流速1.21 m/s，落潮平均流速0.58 m/s，最大流速1.25 m/s。如表2、圖9～11所示，相較于洪水期，枯水期漲潮最大流速都有所增大，漲潮平均流速在欽江、河口、茅尾海處減小，龍門(mén)水道點(diǎn)未變；落潮最大流速在欽江、河口減小，在茅尾海、龍門(mén)水道增大，落潮平均流速在欽江、茅尾海減小，龍門(mén)水道增大，茅尾海未變。其中欽江漲潮最大流速、龍門(mén)水道漲落潮最大流速變化較大，其他地方變化幅度較小，流速大小排序與洪水期相同，依次為龍門(mén)水道、欽江、茅尾海、河口。

此外，相比于洪水期，欽州灣外灣中槽的束流集能作用更加明顯，特別在漲急時(shí)刻，外灣3條深槽處流速明顯大于其他地方，流速西槽＞東槽＞中槽，其他區(qū)域流態(tài)并未發(fā)生明顯變化。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于MIKE 21軟件建立欽州灣地區(qū)水動(dòng)力模型，模擬并分析2021年洪水期與枯水期的潮流特性，最終得出以下結(jié)論：

（1）欽州灣地區(qū)潮流為不規(guī)則全日潮，大潮時(shí)為全日潮，小潮時(shí)出現(xiàn)幾日半日潮，枯水期潮差大于洪水期潮差，典型點(diǎn)位洪水期最大潮差4.89 m，枯水期最大潮差5.67 m，潮差受地形影響較大。

（2）欽州灣潮流漲落為往復(fù)流，漲潮歷時(shí)大于落潮歷時(shí)，由于地形收束作用，最大流速出現(xiàn)在灣頸龍門(mén)水道處，落潮流速大于漲潮流速，典型點(diǎn)位洪水期最大流速可達(dá)1.01 m/s，枯水期可達(dá)1.25 m/s。

（3）外灣最大流速出現(xiàn)在西槽處，東槽次之，中槽集流束能效果在枯水期有所顯現(xiàn)，在洪水期不明顯。三墩港口對(duì)欽州灣外灣潮流影響較大，由于離岸碼頭的修建，外灣流態(tài)發(fā)生改變，水體為西進(jìn)西出。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2023-10-08