基于sval波的小清河口附近海域的水動力和輸沙率模擬

基于sval波的小清河口附近海域的水動力和輸沙率模擬

近幾十年來，許多專家和科學(xué)家對河口灣的沉積物運輸能力進行了研究。朱建榮等人應(yīng)用改進的生態(tài)模型結(jié)合沉積物運輸模型，研究了最大渾濁帶形成的動力機制。陸永軍等人在波浪流共同作用下，利用二維沉積物數(shù)學(xué)模型研究了渤海灣曹英店的開發(fā)方案。王家生等人在應(yīng)用水槽試驗的基礎(chǔ)上，研究了粘土顆粒的運動特征、水流條件和沉積物含量對粘性粘土顆粒運動的影響。目前,泥沙輸運的數(shù)學(xué)模擬方法已廣泛應(yīng)用于許多河流、海岸地區(qū)。模型多采用二維方法,而河口與海岸環(huán)境中的泥沙輸運具有明顯的空間三維特性,很有必要發(fā)展和完善海岸河口三維水沙數(shù)學(xué)模型。Wang將三維水動力學(xué)模型的控制方程用普遍張量的形式表示,并復(fù)演了美國Galveston海灣的三維流動和鹽度分布;Blaas等,利用RMOS三維模式模擬美國Californian南部沙洲的泥沙輸運;假冬冬等,將粘性河岸崩塌模擬力學(xué)方法與水沙模型相結(jié)合,構(gòu)建了考慮河岸變形的三維水沙數(shù)值模型。本文針對目前大風(fēng)浪天氣現(xiàn)場觀測資料不足,泥沙數(shù)學(xué)模型多使用二維模型等局限,立足于大量的實測資料,利用改進的ECOMSED三維模型,定量研究大風(fēng)浪影響下萊州灣西岸小清河口海域泥沙輸運變化特征,并在此基礎(chǔ)上,探討其對河口攔門沙演化的影響。1在渤海的應(yīng)用ECOMSED模型是基于POM模型發(fā)展起來,適用于淺水環(huán)境,如河流、海灣、河口和近岸,是一個比較穩(wěn)定而可靠的水力學(xué)-泥沙輸運模型,可以較為真實地模擬環(huán)流、溫度鹽度、粘性與非粘性泥沙的輸運、沉積與再懸浮。該模型已經(jīng)在許多河口海岸地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用和驗證。ECOMSED模型計算海域泥沙輸運的第一步,是模擬海區(qū)的水動力環(huán)境。研究區(qū)域的海水以潮流的運動為主,利用ECOMSED模型的水動力模塊,通過大小網(wǎng)格嵌套來模擬研究區(qū)域的潮汐潮流運動。大區(qū)為整個渤海,小區(qū)為小清河口附近海區(qū)。波浪模擬時,考慮到ECOMSED自身波浪模塊不能計算空間變化的風(fēng)場、波浪折射和波浪破碎效應(yīng),這里采用SWAN模型的計算結(jié)果作為波浪參數(shù)在每一步輸入到ECOMSED模型。已有研究者采用SWAN模型在渤海進行風(fēng)浪模擬,結(jié)果顯示SWAN模擬風(fēng)浪符合觀測實際。鑒于此,本文不再進行SWAN適用性的驗證。泥沙輸運計算采用SED模塊模擬,主要模擬粘性和非粘性泥沙的再懸浮、沉積和輸運。粘性泥沙包括細(xì)顆粒沉積物和粒徑小于75μm的部分;非粘性泥沙,主要是細(xì)砂,粒徑在75~500μm范圍。底床屏蔽的影響也被引入非粘性泥沙的輸運模擬。萊州灣西岸小清河口附近地區(qū)(圖1)為典型的粉砂淤泥質(zhì)海岸,潮灘坡度平緩,平均比降1/2000。海底地形平緩,水深一般在7m以內(nèi)。底質(zhì)屬粉砂質(zhì),中值粒徑大都在3~7Φ之間,其活動性在小清河口北側(cè)水域較強,活動性百分比范圍為50%~70%,其它海區(qū)活動性相對較弱,多數(shù)在10%~30%之間。該區(qū)常風(fēng)向為SE、SSE和S,出現(xiàn)頻率29.8%,但風(fēng)速較小,強風(fēng)向為NE,最大風(fēng)速28m/s。波浪參數(shù)計算時,根據(jù)研究區(qū)常年的風(fēng)速變化特征,選取45°(NE)和22.5°(NNE)風(fēng)向的定常風(fēng)(風(fēng)向定義為來風(fēng)方向,北向為0°,順時針為正)。其中22.5°對應(yīng)的定常風(fēng),對研究區(qū)來說風(fēng)區(qū)最長,波浪成長比較充分;而45°對應(yīng)的定常風(fēng),其引起的NE向波浪是研究區(qū)的主浪向和強浪向波浪。懸浮體及底質(zhì)參數(shù)采用2007年冬季實測結(jié)果,站位見圖1。水深采用2007年實測值插值到模型網(wǎng)格。2模擬結(jié)果對比模擬結(jié)果的檢驗包括水動力和輸沙率檢驗等。首先,將ECOMSED模型計算的主要分潮調(diào)和常數(shù)與渤海19個驗潮站(包括石油平臺)的實測數(shù)據(jù)進行比較,計算與實測結(jié)果的絕對值平均誤差為:K1分潮的振幅為2.48cm,遲角為4.02°;M2分潮的振幅為4.47cm,遲角為3.45°。這與實測情況一致。從而保證大區(qū)的結(jié)果能夠為小區(qū)的數(shù)值模型提供可靠的開邊界條件。根據(jù)大區(qū)模擬的結(jié)果給出小區(qū)的開邊界條件,從而模擬小區(qū)的流場。從模擬結(jié)果中摘取相應(yīng)數(shù)值與多船同步潮流觀測(站位分布見圖1)資料進行比較,檢驗?zāi)Ｊ浇Y(jié)果。比較發(fā)現(xiàn)模擬潮流結(jié)果與實測值吻合很好(圖2、圖3)。由水動力檢驗情況可看出,本模型能夠較好地模擬實際流場。輸沙率采用如下方法計算,先將計算的垂向平均流速的EW分量和NS分量分別乘以每層懸浮體濃度,并對整個水柱積分,然后再將輸沙率的EW分量和NS分量合成為輸沙率矢量。輸沙率的驗證采用V3站的流速和懸浮體濃度數(shù)據(jù)。對比發(fā)現(xiàn),計算值與實測值處于同一數(shù)量級并具有相似的變化趨勢(圖4),說明本模型可以滿足輸沙強度數(shù)值模擬的需求。3結(jié)果與討論3.1浮體濃度和底床沖淤變化為了說明大風(fēng)浪對泥沙輸運及海底泥沙活動的影響,將對一般天氣(風(fēng)速取為5m/s)和大風(fēng)浪天氣下懸浮體濃度變化和底床沖淤變化進行對比分析。在懸浮體和底床沖淤計算中,分別選取了對其影響最大的定常風(fēng)向,風(fēng)速參數(shù)選取參照歷史氣象資料。(1)懸浮體濃度分布根據(jù)海區(qū)特征,結(jié)合羊角溝氣象站常年的風(fēng)速變化情況,本文的模擬選取22.5°(NNE)的風(fēng)向,大風(fēng)風(fēng)速取為12m/s。一般天氣下,海域表層懸浮體濃度分布(圖5(a))呈現(xiàn)明顯的北高、南低和河口近岸低、離岸高的特點。河口近岸海域表層懸浮體濃度均小于40g/m3。大風(fēng)浪作用下海區(qū)泥沙懸運作用非常明顯(圖5(b)),懸浮體濃度分布與風(fēng)前(圖5(a))有較大差異,總的趨勢為近岸懸浮體濃度增大,而離岸較遠(yuǎn)海域懸浮體濃度基本未變。小清河口近岸海域表層懸浮體濃度增加顯著,特別在小清河口主泓道以北區(qū)域,懸浮體含量最大值將近400g/m3,大約是無風(fēng)時的10倍。(2)般天氣沖淤特征底床沖淤速率由計算末時刻底床厚度減去初時刻底床厚度,再除以時間間隔得到。由于模型穩(wěn)定后只模擬了1個月的底床變化,將根據(jù)此模擬結(jié)果作為一般天氣下的底床沖淤變化。在模擬大風(fēng)天氣底床沖淤變化時,參照該區(qū)極端天氣氣象特征,風(fēng)參數(shù)選取45°(NE)的風(fēng)向,風(fēng)速取為25m/s?？紤]到誤差等因素影響,均將沖淤變化在-1~1mm之間的區(qū)域視為沖淤平衡的穩(wěn)定區(qū)。一般天氣下海區(qū)月底床沖淤變化特征為(圖6(a)):穩(wěn)定區(qū)范圍廣闊,面積占研究區(qū)80%以上,主要分布在離岸較遠(yuǎn)的海域。沖淤區(qū)范圍較小,主要分布在小清河口兩側(cè)近岸海域。其中,小清河口北側(cè)海域有一較強侵蝕區(qū),沖刷速率在2.5~10cm/a之間;淤積區(qū)主要分布在小清河口門主泓道兩側(cè)的近岸區(qū)域,淤積幅度一般在2.5~10cm/a之間。其間分布塊狀強淤積帶,最大年淤積量約為25cm;大風(fēng)浪天氣下海區(qū)底床沖淤變化特征為(圖6(b)):離岸區(qū)受風(fēng)影響較小,仍保持沖淤平衡的穩(wěn)定狀態(tài);近岸區(qū)對風(fēng)影響敏感,底床沖淤變化劇烈。沖刷區(qū)廣泛分布在離河口較遠(yuǎn)的近岸海域,淤積區(qū)只存在于河口口門兩側(cè)近岸海域。沖淤速率一般在2~10cm/d之間。相比一般天氣,大風(fēng)浪對近岸海域底床沖淤變化影響劇烈。沖淤區(qū)分布格局變化不大,但沖刷區(qū)范圍和沖淤速率急劇增大。大風(fēng)期1d的底床沖淤量甚至達到了一般天氣下1年的沖淤量?？梢?風(fēng)暴潮等大風(fēng)浪天氣成為底床沖淤變化的一個重要影響因素。3.2坡向南運移作用小清河口攔門沙為-1m水深的淺水帶。在統(tǒng)一坐標(biāo)系和深度基準(zhǔn)下,對1985年和2007年水深數(shù)據(jù)進行空間分析,提取-1m等深線,以追蹤攔門沙演化特征(圖7)。1985~2007年河口北側(cè)攔門沙不斷向東偏南生長發(fā)育,攔門沙前緣向東偏南推進約1.5km,年均推進速率0.068km/a。分析其原因,一般天氣下,該區(qū)泥沙來源不豐富,主要為區(qū)域泥沙懸浮再搬運。泥沙在潮流作用下做離岸-向岸的往復(fù)運動,落潮流速大于漲潮流速,泥沙向東運移,其成為攔門沙向東生長演化的部分驅(qū)動力;大風(fēng)浪影響下,海域泥沙迅速起運,加之岸灘侵蝕物質(zhì)及黃河泥沙南下等共同作用,底床沖淤變化劇烈。北向大風(fēng)作用下,海域泥沙以向南運移為主,部分泥沙在北側(cè)攔門沙處淤積,促使該處沙體向南淤積發(fā)育。大風(fēng)期該處底床淤積量1d可達10cm,幾乎為平時1年的淤積幅度。由此可認(rèn)為,大風(fēng)浪對河口北側(cè)攔門沙的推進演化起重要作用。4底床沖淤變化數(shù)值模擬結(jié)果表明:(1)大風(fēng)浪天氣主要影響該區(qū)近岸泥沙輸運,離岸較遠(yuǎn)區(qū)受其影響較小。(2)大風(fēng)浪影響下,近岸表層懸浮體濃度