蔡磊;王燕燕;刘西平;朱宇新
【摘 要】运用MIKE21建立潮流数学模型,计算评价海域潮流场现状,可准确的预测工程建成后的潮流场分布,对工程可行性做出评价,为工程应用提供完备、有效的设计参数.在天津某海堤工程中,通过与研究区域多个站位的实测结果对比显示,计算域潮流场预测结果较为合理,总体上看,该工程的建设仅对局部位置处的水动力产生了影响,而对工程周边水域的影响微小,对该海域的水流流态影响也很小,说明该工程的建设是可行的.%Using MIKE21 established the tidal current mathematical model to calculate the tide field situation of evaluation sea,can accurately predict the trend of the field distribution after the completion of the project.To make evaluation of the project feasibility and provide comprehensive and effective design parameters for the engineering application.In the project of the outer shore protections in Tianjin,through compared with the measured results of the multiple sites in research area,showed that the prediction result of tidal current field in calculation domain is reasonable.On the whole,the construction of the project only has an effect on the hydrodynamic in local location,and the influence on surrounding engineering waters is small,the effect on the flow regime of the area is small,too.The construction of the project is feasible. 【期刊名称】《港工技术》 【年(卷),期】2017(054)001 【总页数】6页(P17-22)
【关键词】NIKE21;水动力;数值模拟;环境影响 【作 者】蔡磊;王燕燕;刘西平;朱宇新
【作者单位】中交天津港航勘察设计研究院有限公司天津市疏浚工程技术企业重点实验室,天津300461;中交天津港航勘察设计研究院有限公司天津市疏浚工程技术企业重点实验室,天津300461;中交天津港航勘察设计研究院有限公司天津市疏浚工程技术企业重点实验室,天津300461;交通运输部天津水运工程科学研究院,天津300456
【正文语种】中 文 【中图分类】P731.2
随着计算机技术的发展，数学模型和数值试验在科学研究、工程设计中的地位和作用不断提高。在国内，一些研究院所和高校以专业数值模拟软件为研究手段，将其计算成果成功运用于很多大型工程中[1,2]，为工程应用、海岸及规划提供了完备、有效的设计条件和参数。
天津妈祖经贸园外围海堤工程位于渤海湾西部的天津港北部海域，防波堤总长共计3 385 m，为满足工程围区内外水体交换，北侧堤和南侧堤分别布置1#和2#水闸。北侧防波堤挡浪墙顶高程为8.0 m，东侧及南侧防波堤挡浪墙顶高程均为8.3 m，堤顶道路高程均为7.2 m。工程的建设会对周围海域的水动力环境产生影响，特别是潮流场会发生相应的变化。通过在MIKE21模型的基础上建立二维潮流数学模型进行潮流数值计算，模拟评价海域现状潮流场及预测潮流场分布情况，平面布置见图1。
本文采用交替方向隐式迭代法（ADI方法）对质量及动量守恒方程进行积分计算，在大区域的计算中不考虑风速对潮流的影响。为了保证工程海域流场计算的准确性，
本次模拟采用了模型嵌套方式来进行计算。在小范围区域内建立工程前后的水流数学模型并分别进行计算，得到工程建设前后的流场，并对工程建设前后的流场进行对比分析。
水环境影响分析在MIKE21模型的基础上建立二维潮流数学模型。MIKE21[3,4]是专业的二维自由水面流动模拟系统工程软件包，适用于湖泊、河口、海湾和海岸地区的水力及其相关现象的平面二维仿真模拟。MIKE21采用标准的二维模拟技术为设计者提供独特灵活的仿真模拟环境。可进行水利、港口工程设计及规划、复杂条件下的水流计算、洪水淹没计算、泥沙沉积与传输、水质模拟预报和环境治理规划等多方面研究应用[5～7]。 1.1 基本方程
该模型采用二维潮流连续方程和运动方程： 1）连续方程 2）运动方程
式中：t为时间；g为重力加速度（m/s2）；ξ(x,y,t)为自由水面水位（m）；h(x,y)为水深（m）；p,q(x,y,t)为x-、y-方向流量密度，即间宽流量[m3/(s·m)]；(u,ν)为x-、y-方向垂线平均流速分量；C(x,y)为Chezy系数，它与曼宁数M的关系为C=M×h1/6；f(V)为风摩擦因数，为风应力系数，ρα为空气密度；V、Vx、Vy(x,y,t)分别为风速及x-、y-方向的风速分量（m/s）；Ω(x,y)为柯氏力项，Ω=f/h ，柯氏力系数f=2ωsinφ，其中ω是地球自转角速度，φ是地理纬度。 方程（1）、（2）、（3）构成了求解潮流场的基本控制方程。为了求解这样一个初边值问题，必须给定适当的初始条件和边界条件。 1.2 边界条件
在本研究采用的数值模式中，需给定两种边界条件，即闭边界条件和开边界条件。 1）开边界条件：
所谓开边界条件即水域边界条件。在此边界上，或者给定流速，或者给定潮位。本研究中开边界给定潮位，即： 2）闭边界条件：
所谓闭边界条件即水陆交界条件。在该边界上，水质点的法向流速为0，即： 3）初始条件：
式中：U0、V0、0η分别为初始流速和潮位。
模型在计算过程中在空间上采用交替方向隐式迭代法（ADI方法）、在时间上采用中心差分法对质量及动量守恒方程进行积分求解。 1.3 计算步长的确定
在模型的计算过程中，为了保证达到较高的精度及计算稳定性，需要对时间步长与空间步长进行设定，率定的原则根据下式确定：
式中：Cr为Courant数；Δx为差分空间步长；hmax为计算域内的最大水深。 模型中时间步长的选择可以选择任何大于Δtmax的数值。除此之外，本模型所采用的隐、显式交替方向差分方法也有利于增加计算的稳定性。 2.1 计算域设置
为了保证工程海域流场计算的准确性，本次模拟采用了模型嵌套方式来进行计算。中尺度模型的计算域包括天津港及附近区域、临港产业园区、海滨浴场、独流减河、青静黄排水渠、子牙新河、北排水河等，网格空间步长为120 m×120 m，共划分了565×684个网格。通过对该计算区域的模拟得到该海区的整体流场特性，并对流速与流向进行了验证，为了使工程局部区域的水动力特性更好的显示出来，在此基础上对工程局部区域进行加密计算。加密区如图2中1、2、3、4潮流站区域，加密区共划分645×510个、空间步长为40 m×40 m。计算过程中，模拟时间步长为10 s。 2.2 水深和岸界
地形取自中国人民解放军海军航海保证部制作的1：15万海图（11770号），1：5万（11781号、11771号）海图。 2.3 边界条件
大尺度模型的外海边界由渤海大范围水动力模型给出，通过开边界逐步向内域求解，进而得出该海域内的水位场及流速场，同时对各实测站点的水文数据进行验证，结果吻合后为小尺度计算域提供边界。 2.4 水文资料
水文验证资料设6个潮流站，其中1#～4#为2005年4月测量资料，C1、C2为2006年5月测量资料，验证站位如图2所示。 2.5 计算结果验证
本模型采用交替方向隐式迭代法（ADI方法）对质量及动量守恒方程进行积分计算，在大区域的计算中不考虑风速对潮流的影响，糙率通常取M=40，即n为0.025。通过对建立的模型进行计算得出结果，并对其进行验证。
潮位验证：利用歧河口验潮站作为潮位验证点，验证点位置见图2，验证曲线见图3。
由对比图4～9可知，计算与实测结果基本吻合。误差的产生可能与计算地形及模型计算时所取的边界条件与实际情况存在一定的出入有关；另外，实际测量流场必然包括风等因素的影响，而模型计算时未考虑风的影响。根据计算与实测值的符合程度，说明计算潮流场能够基本反映天津港海域的潮流运动状态。 3.1 流场计算结果及分析
本次研究的海堤工程所在海域为渤海湾天津港北侧近岸海域，该区域内水流特性基本属于往复流形式，涨潮流的主导方向为NW，落潮流的主导方向为SE，落潮流历时大于涨潮流历时，涨潮流流速大于落潮流流速，港外最大流速约为0.55 m/s左右；在航母主题公园西侧、中心渔港东侧的水域内，水流是往复流形式，涨潮流
的主导方向为NNW，落潮流为SSE向，在妈祖经贸园周围海域内，平均流速约为0.19 m/s，最大流速可达到0.43 m/s。根据4个实测潮流站点的验证，从验证数据还可以看出，越向外海，计算结果与实测结果吻合越好，包括转憩流时间、最大涨、落潮流速出现时间及量值均与原体实测结果符合，而在中心渔港内的1#点，由于受到地形及岸边界的影响，验证结果存在偏差，但偏差值控制在10 %以内。 从总体来看所建模型对本海域水动力模拟较好，基本能够反映出工程所在海域的实际情况，可以作为进一步分析计算的基础资料。 3.2 工程建设对水动力条件的影响预测
一般而言，在水体中构筑大型建筑物、防波堤、人工岛、港池及码头等，会对局部水流流态发生很大影响，而水深的变化，主要会引起水流流速的微弱变化。本次工程为妈祖经贸园外围堤工程，工程所在位置为浅滩区域，工程的建设会对局部水动力有一定影响。
根据工程内容，在小范围区域内建立工程前后的水流数学模型并分别进行计算，得到工程建设前后的流场，并对工程建设前后的流场进行对比分析，对比分析如图10和图11。在研究中为了更直观地说明海堤实施对海域流态的变化情况，在关注水域设置了8个代表点（如图12），对工程前、后的流速、流向进行对比分析，对比结果列于表1和表2。
通过研究可以发现，在整个潮周期内，工程所在滩涂的水深较浅，水流的上溯及下泄速度较快，水流的涨落基本沿着NW-SE方向作往复运动；在海堤建设前，涨潮流沿着NW向向近岸流动，落潮落沿SE向向外海流出，在涨潮落过程中，不会受到阻挡，水流平缓；而在海堤工程实施后，受到新建海堤的影响，涨潮潮流在遇到海外侧海堤后，将出现分流现象，一部分潮流沿着南侧海堤先向北流动、再绕过东北侧转角后向近岸流动，在东北侧转角处，潮流流速最大可达到0.22 m/s，另一部分潮流在分流后，沿着西侧海堤向近岸流动；由于新建海堤在东、西两侧各预留
一个50 m的过水通道，因此在涨潮过程中该区域水流流速会出现局部陡增的现象，其中东侧过水通道中的C3位置在涨急时刻流速最大增量约为0.25 m/s，在西侧过水通道中的C6位置处流速最大增量可达到0.34 m/s，同时在该处水流流向也发生较大变化，主要特征为潮流由外海向海堤内聚集。
海堤实施后，在落潮过程中水流向外海泄出，同时海堤内的水体也通过东、西两个过水通道向外流出，落潮阶段过水通道中流速最大增量相对较小，不超过0.25 m/s；另外由于本研究项目位于近岸滩涂处，因此在落憩时刻近岸处将有露滩现象，近岸区域水流流速几乎为零，而此时妈祖经贸园外围海堤内的水体也能通过两个过水通道全部流向外海，这有利于海堤内水体交换和自净。 通过对妈祖经贸园外围海堤工程建设的研究，可以发现：
1）在近岸滩涂处实施妈祖经贸园外围海堤工程，由于工程体量小，且在近岸滩涂处实施，因此项目的实施基本不会渤海湾海域整体的水流流态；
2）海堤工程的实施会引起项目周边水流流向的细微变化，尤其在东、西两侧过水通道内，水流的流速和流向均发生了较大变化，其中流速最大增量达到0.34 m/s，出现涨急时刻的西侧过水通道内；
3）海堤工程在滩涂处实施，有利于海堤水体与外海海堤的交换，从而提高海堤内部水的自净能力，在实现海堤工程固有的挡浪、导流的功能上，同时也保障了海堤内部的水环境质量，为用海工程提供了强有力的技术支撑。
数学模型具有研究经费低、不受试验场地限制、可以较快得到研究结果、计算范围灵活、不存在比尺效应等优点，已经被广泛认可，但数学模拟的精确性却一直都被人们所诟病，而如何解决这一问题是我们相关科研设计人员必须面对的问题，努力使水动力数值模拟技术朝着高效、高精度、可视化、软件化等方向迅速发展。 在天津妈祖经贸园外围海堤工程兴建对水动力环境影响模拟中，运用MIKE21模型，建立二维潮流数学模型，采用了模型嵌套方式进行计算，有效保证了工程海域
流场计算的准确性，通过计算得到工程建设前后的流场，并对工程建设前后的流场进行对比分析，结果表明，该模型可较好地反应实际情况。另外，本计算方法也可用于类似工程中，如大连普湾潮流场模拟，粤东海域汕尾港区流畅模拟等，均应用了MIKE21二维潮流数学模型，针对地形数据的采集与处理、边界条件的处理及后处理进行了探讨，值得借鉴。
总体上看本工程的建设仅对局部位置处的水动力产生了影响，而对工程周边水域的影响微小，对该海域的水流流态影响也很小，本工程的建设是可行的，工程建成后这一结论得到了很好的验证。
【相关文献】
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