摘 要：本文以防城港市山心沙島生態(tài)島礁建設(shè)項(xiàng)目為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的手段，建立大海域潮流場(chǎng)平面二維數(shù)值模型，對(duì)項(xiàng)目建設(shè)前后的潮流場(chǎng)狀況進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明，現(xiàn)狀潮流流速通常＜50cm/s，工程?hào)|南側(cè)海域流速略大；漲急時(shí)刻流速通常＜60cm/s；高潮、低潮時(shí)刻工程潮流流速均＜10cm/s；工程建成后，西南和北東側(cè)漲急時(shí)刻流速主要呈現(xiàn)變小的趨勢(shì)，最大降幅約17.5cm/s，南、東南和西北側(cè)漲急時(shí)刻流速呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，流速最大降幅約為18.5cm/s；漲急時(shí)刻流速變化＞5.0cm/s的區(qū)域主要集中在工程區(qū)周邊0.8km內(nèi)。

關(guān)鍵詞：大海域；潮流場(chǎng)；數(shù)值模擬；水動(dòng)力；防城港

中圖分類號(hào)：U 652" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 工程概況

山心沙島位于防城港市企沙鎮(zhèn)東南海域，東臨欽州灣，南瀕北部灣。北緯21°35′18.2″，東經(jīng)108°30′51.2″，岸線長(zhǎng)1.9km，離岸距離為340m。西北側(cè)陸域?yàn)樯叫麓?，是一個(gè)以海洋捕撈和海水養(yǎng)殖為主的漁村，距欽州港西航道4n mile、企沙鎮(zhèn)政府1km、港口區(qū)政府25km。

工程海域地處北回歸線以南低緯度地區(qū)，氣候?qū)儆谖覈?guó)亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，冬季溫和，夏季多雨，季風(fēng)明顯，受災(zāi)害性天氣影響較明顯。防城港灣年平均風(fēng)速為3.1m/s，月平均最大風(fēng)速出現(xiàn)在12月份，為3.9m/s，其次是1月和2月，為3.7m/s；最小平均風(fēng)速出現(xiàn)在8月份，為2.3m/s。防城港的潮汐為正規(guī)全日潮，其潮位特征值如下（1985國(guó)家高程基準(zhǔn)）：最高潮位為3.60m（2008.11.1607：09），最低潮位為-2.03m（2002.12.818：53），平均潮位為0.62m，平均高潮為1.92m，平均低潮為-0.52m，最大潮差為5.29m，平均潮差為2.44m。

2 潮汐潮流數(shù)學(xué)模型控制方程

為更好地模擬大海魚潮流場(chǎng)的變化，研究計(jì)算采用前后處理功能強(qiáng)大的平面二維數(shù)值模擬程序MIKE21FM，該程序采用標(biāo)準(zhǔn)Galerkin有限元法進(jìn)行水平空間離散，具有非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格剖分功能，在網(wǎng)格剖分上可以進(jìn)行人工參數(shù)輸入?yún)?shù)達(dá)到任意控制網(wǎng)格的目的，可以用于劃分海洋與陸地的復(fù)雜邊界，在時(shí)間上采用顯式迎風(fēng)差分格式離散動(dòng)量方程與輸運(yùn)方程，提供穩(wěn)健的計(jì)算結(jié)果，其具有高強(qiáng)度的計(jì)算算力，已在全球70多個(gè)國(guó)家得到成功計(jì)算算例[1-2]。平面二維數(shù)值模擬程序MIKE21FM模擬潮汐潮流采用的質(zhì)量守恒控制方程如公式（1）所示，動(dòng)量方程如公式（2）、公式（3）所示[3]。

（1）

（2）

（3）

式中：ζ為水位；h為靜水深；H為總水深，H=h+ζ；u、v分別為x、y方向垂向平均流速；g為重力加速度；f為科氏力參數(shù)（f=2ωsinφ，φ為計(jì)算海域所處地理緯度）；CZ為謝才系數(shù)，n為曼寧系數(shù)；εx、εy為x、y方向水平渦動(dòng)黏滯系數(shù)。

求解以上控制方程，須滿足初始條件如公式（4）、公式（5）所示[4-6]。

ζ（x，y，t0）=0 （4）

u（x，y，t0）=v（x，y，t0）=0 （5）

3 潮汐潮流數(shù)值模擬

項(xiàng)目海域數(shù)學(xué)模型計(jì)算域范為圖中開邊界和岸線圍成的海域，計(jì)算域坐標(biāo)范圍為19°06′07.27″N～20°40′15.65″N，東經(jīng)106°48′38.90″E～109°55′14.26″E。采用無(wú)結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格對(duì)海岸與陸地邊界進(jìn)行模擬。模擬區(qū)域內(nèi)由25218個(gè)節(jié)點(diǎn)和39851個(gè)三角單元組成，最小空間步長(zhǎng)約為20m。數(shù)值模擬計(jì)算域和項(xiàng)目附近海域網(wǎng)格分布如圖1所示。

模型水域開邊界引用衛(wèi)星高度計(jì)資料、OTIS資料、越南由島、海南八所港、后水灣和廣東角尾4點(diǎn)歷史潮位觀測(cè)資料，閉邊界為大海域和周邊岸線。根據(jù)CFL條件對(duì)模型計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，采用考慮亞尺度網(wǎng)格效應(yīng)的Smagorinsky（1963）公式計(jì)算水平渦動(dòng)黏滯系數(shù)，如公式（6）所示[7]。

（6）

式中：cs為常數(shù)；l為特征混合長(zhǎng)度；Sij為亞尺度網(wǎng)格。

4 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

4.1 大海域潮流場(chǎng)模擬結(jié)果分析

大海域計(jì)算潮流場(chǎng)為工程海域現(xiàn)狀的流場(chǎng)，計(jì)算結(jié)果如圖2、圖3所示。圖2是落急時(shí)刻潮流場(chǎng)，計(jì)算域內(nèi)的潮流由欽州灣內(nèi)流向?yàn)惩?，整體由北往南流，大部分海域流速為20cm/s～80cm/s，在欽州灣兩側(cè)碼頭、防波堤等構(gòu)筑物附近海域潮流流速較大，近岸海域流速較??；工程附近近岸海域流速較小，流速通常在25cm/s～45cm/s，流向主要由東北向西南方向流。圖3是漲急時(shí)刻潮流場(chǎng)，計(jì)算域內(nèi)的潮流由欽州灣外流向?yàn)硟?nèi)，整體由南往北流，大部分海域流速在25cm/s～85cm/s，在欽州灣兩側(cè)碼頭和防波堤等構(gòu)筑物附近海域潮流流速較大，近岸海域流速較??；工程附近近岸海域流速較小，流速通常在30cm/s～50cm/s，流向主要由西南向東北方向流。高潮、低潮時(shí)刻欽州灣潮流流速整體較小，工程附近海域流速＜10cm/s。

4.2 工程周邊海域預(yù)測(cè)潮流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)工程方案布置，預(yù)測(cè)工程建成后的潮流場(chǎng)，圖4～圖7分別為工程建成后落急、漲急時(shí)刻和高、低潮時(shí)刻計(jì)算潮流場(chǎng)。工程建成后與對(duì)應(yīng)時(shí)刻的現(xiàn)狀潮流場(chǎng)相比，工程附近大范圍內(nèi)海域的流速和流向整體變化不大，落急時(shí)刻潮流由東北往西南流，漲急時(shí)刻潮流由西南往東北流，工程鄰近海域潮流場(chǎng)發(fā)生了一定的變化。從數(shù)值模擬結(jié)果的漲急落急潮流場(chǎng)流態(tài)可以看出，位于山心沙島東北的欽州灣灣口核電站修建了取排水涵道，山心沙島潮流場(chǎng)受到很大影響，欽州灣與山心沙島海域的水交換能力減弱，因此會(huì)使山心沙島周邊海域海沙的來(lái)源減少，在短期內(nèi)泥沙平衡被打破，在大的環(huán)境和趨勢(shì)上，山心沙島有泥沙流失和遭受沖刷的風(fēng)險(xiǎn)。

為反映工程對(duì)周圍潮流場(chǎng)的影響情況，繪制了工程前后周邊海域漲急時(shí)刻流速變化圖，并對(duì)不同距離處漲急時(shí)刻流速和對(duì)應(yīng)流向進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見表1。從表1可以看出，工程建成后，工程區(qū)西南和北東側(cè)漲急時(shí)刻流速主要呈現(xiàn)變小的趨勢(shì)，流速最大降幅約為17.5cm/s，位于工程北東側(cè)海域；工程區(qū)南側(cè)、東南側(cè)和西北側(cè)漲急時(shí)刻流速呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，流速最大增幅約為18.5cm/s，位于工程西北側(cè)海域。整體來(lái)看，漲急時(shí)刻流速變化主要集中在工程鄰近海域，其中工程北東和西南兩側(cè)流速變緩，南、東南和西北側(cè)流速加快，漲急時(shí)刻流速變化＞5.0cm/s的區(qū)域主要集中在工程區(qū)周圍0.8km內(nèi)。

5 結(jié)論

利用平面二維數(shù)值模型對(duì)防城港市山心沙島生態(tài)島礁建設(shè)項(xiàng)目建設(shè)前后的潮流場(chǎng)狀況進(jìn)行數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論：1）工程附近現(xiàn)狀潮流，落急時(shí)刻潮流由東北往西南流，流速通常＜50cm/s，離岸海域潮流流速較大，近岸海域流速較小，工程?hào)|南側(cè)海域流速略大；工程所在區(qū)域內(nèi)潮流流速為20cm/s～45cm/s。漲急時(shí)刻，工程附近潮流由西南往東北流，流速略大于落潮流速，通常＜60cm/s。高潮和低潮時(shí)刻工程附近海域潮流流速整體較小，工程鄰近海域潮流流速均＜10cm/s。2）工程建成后，工程區(qū)西南和北東側(cè)漲急時(shí)刻流速主要呈現(xiàn)變小的趨勢(shì)，流速最大降幅約為17.5cm/s，位于工程北東側(cè)海域；工程區(qū)南、東南和西北側(cè)漲急時(shí)刻流速呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，流速最大增幅約18.5cm/s，位于工程西北側(cè)海域。漲急時(shí)刻流速變化＞5.0cm/s的區(qū)域主要集中在工程區(qū)周邊0.8km內(nèi)。3）從數(shù)值模擬結(jié)果的漲急落急潮流場(chǎng)流態(tài)可以看出，由于山心沙島修建取排水涵道不透水構(gòu)筑物，因此山心沙島潮流場(chǎng)受到很大影響，欽州灣與山心沙島海域的水交換能力減弱，導(dǎo)致山心沙島周邊海域海沙的來(lái)源減少，在短期內(nèi)泥沙平衡被打破，在大環(huán)境和趨勢(shì)上，山心沙島有泥沙流失和遭受沖刷的風(fēng)險(xiǎn)。

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