闽江河口三维潮流数值模拟及特性分析夏泽宇;蔡辉;谭亚【摘要】基于FVCOM (Finite-Volume Coastal Ocean Model)模型,建立了闽江河口区域精细化的三维潮流数值模型.对模型的海底摩阻系数的选取进行讨论,得出Koutitas公式更为合理的结论.采用该模型对闽江口的潮汐、潮流特征进行分析,得出以下结论:闽江外海潮波自东南至西北向近岸区域传播,水道内潮流有明显的往复流性质;熨斗岛北部和东部区域,潮流多以旋转流为主;闽江北支水道以落潮流为主,河口区域三维流场在侧向支流影响区域分层不明显.%Based on the FVCOM(Finite-Volume Coastal Ocean Model) model,a detailed 3D tidal current numerical model of Minjiang Estuary area is established.The selection of subsea drag coefficient is discussed,and the conclusion of Koutitas formula is more reasonable.The tidal and tidal current characteristics of Minjiang Estuary are analyzed by using this model.It is concluded that:Minjiang tidal wave spreads from the southeast to the northwest to the estuary area,and the flow within the channel has obvious reciprocating flow characteristics.Tidal current mostly tend to rotating flow-based in north and east of the Yundou island.The north branch of the Minjiang river is dominated by falling tide,and the 3D flow field in estuary area is not obvious in the influence area of lateral tributaries.【期刊名称】《水运工程》【年(卷),期】2017(000)006【总页数】9页(P57-64,91)【关键词】FVCOM模型;潮流;闽江河口;摩阻系数【作者】夏泽宇;蔡辉;谭亚【作者单位】河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏南京210098;河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏南京210098;河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏南京210098【正文语种】中文【中图分类】U652.7闽江是福建省第一大江，全长559 km，是典型的山溪性河流，多年平均径流量达629亿m3，也是福建省最大的水系，流域面积60 992 km2。
闽江河口位于台湾海峡西北端，下游感潮河段在亭江附近受琅岐岛阻隔分为南支和北支；南支称为梅花水道，北支绕过琅岐岛北侧经英屿、琯头长门口称为长门水道；出长门又分成乌猪水道、熨头水道、川石水道和壶江水道，注入东海，形成了闽江五口入海的复杂河网。
闽江下游为强潮河口，潮汐为正规半日潮，潮波近似驻波。
针对闽江下游水动力特性分析的研究，目前已有不少学者进行了探讨。
潘伟然等[1]利用闽江口的实测潮位资料，分析闽江河口的水文特征和悬浮泥沙特征；郑金海等[2]利用闽江实测水文泥沙资料，分析闽江潮流泥沙特性；梁金焰等[3]利用非线性二维潮流模型对闽江口的潮流进行的分析；汤军健等[4]利用欧拉-拉格朗日差分方法模拟闽江潮流场。
随着计算机技术的不断发展，在河口地区潮流数值模拟的过程中，平面二维模型已得到较广泛运用，但二维潮流模型只能反映平面上水流的变化情况，而在闽江河口地区，一方面由于地形等因素导致河流的自然弯曲与分叉，复杂的分叉边界所带来的水动力结构往往非常复杂；另一方面，水工建筑物附近的水流三维运动特性十分明显。
因此，对该区域水流运动结构进行研究时，不仅仅需要有二维模型的基础，更需要三维模型的计算分析。
不少学者利用FVCOM对潮流进行数值模拟，均取得了理想的效果。
鲍献文等[5]利用FVCOM模型模拟了钦州湾的三维潮流，朱军政等[6]利用FVCOM模型模拟了象山港的三维潮流盐度。
本文拟采用非结构网格、有限体积的近岸、河口海洋模型FVCOM(Finite-Volume Coastal Ocean Model)对闽江口建立三维数值模式，比较不同海底摩阻系数对模拟精度的影响及其确定方法，并分析了闽江下游感潮河段的水动力特征。
FVCOM模型在垂直方向采用σ坐标系统，水平方向采用无结构化的三角形网格；在数值计算上采用有限体积法对控制方程进行离散。
这种方法综合了有限元和有限差分法的诸多优点，对于近岸、河口等具有复杂岸线的地形来说，在质量、动量、能量方面有更好的守恒性。
FVCOM模式还具有GOTM模块，采用干、湿节点判断法处理潮滩移动边界，以及三维内模和二维外模时间分离技术[7]。
考虑到闽江口地形特点及已有实测潮位资料的站点位置，本文所确定的模型经纬度范围东西向约为119°27′～119°48′E，南北向约为25°57′～26°14′N，闽江上游边界去到白岩潭水位站，计算区域见图1。
三角形单元网格数量为27 258个，三角形节点数量为14 310个，下游近岸敏感区域的网格最小分辨率约为20 m，垂直方向分为6层，外模时间步长为1 s，内外模时间步长比率为5，计算网格见图2。
本模型采用正压模式，整个海域内温度和盐度均取常数；根据河海大学在2014年6月对闽江河口的水文观测结果可知，大部分测站含盐度最大值均小于10.0‰，因此，模型选用盐度10.0‰、温度15°。
对于初始条件的处理，模型主要有“冷启动”和“热启动”两种方式，考虑到海洋动力过程调整迅速，本次模拟采用“冷启动”的方式，即水位初始值及所有三角形单元中心点的水平、垂向速度为0。
利用FVCOM模型开展潮波模拟有两种开边界条件可选，即采用调和常数或实时水位。
本文采用调和常数法，取M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1这8个分潮，上游边界根据白岩潭水位站同时期的潮位过程算出调和常数，外边界所选用分潮的调和常数来自于美国俄勒冈州立大学所建立的中国海区域潮汐潮流模型结果，该模型为全球反算法的一个区域模型，该算法是在最小二乘法的规则下，拟合TOPEXPoseidon and Jason沿轨迹平均数据和拉普拉斯潮汐方程获得的全球潮汐模拟结果[8]。
FVCOM模型中采用的默认海底摩阻系数计算表达式为：FVCOM模型可用的其它对数形式的海底摩阻计算公式[9]包括：Koutitas公式：Mead公式：研究中发现该区域的水动力场对海底摩阻系数很敏感，参数的设置对模拟的准确性有着很大的影响，因此最适公式的选取需要进行讨论。
在本次模拟中，对计算区域内泥沙底质采用的粒度分析，经研究确定Z0取0.006 m，计算的Cd值随水深情况分别在0.003～0.006、0.006～0.01和0.000 7～0.001 5范围内变化。
在模拟过程中，对计算区域进行了0.005、0.007、0.000 7共3种摩阻系数下水动力的计算，对P2测流站的计算结果与实测资料进行比较(图3)。
由图3可以看出，摩阻系数的选取对计算区域的潮流流速影响较大，当摩阻系数取0.000 7时，计算流速明显较实测数据偏大且有一定的偏移；当摩阻系数取0.005时，计算的潮位较实测值有一定的滞后现象，而当摩阻系数取0.007时，滞后现象并不明显，因此，针对该计算区域，本次模拟采用的是由Koutitas公式所计算的摩阻系数，取值0.007。
为了验证所建模型的模拟效果，本文采用的数据来自河海大学在2014年6月在闽江河口进行的水文观测以及2014年闽江口潮汐表。
同时对研究区域进行了15 d的水动力场计算，大约5 d后全场流态达到稳定。
计算每30 min输出一次验证观测站的潮位和流速。
本文对3个潮流测站连续观测的潮位资料进行对比验证，结果见图4。
对模拟值和实测值进行了定量分析，见表1，由于川石潮位站的验证资料来自2014年闽江口潮汐表，仅有高潮与低潮潮位，因此不进行定量分析。
3个测站的高低潮位相位误差均小于30 min，观测时段闽江河口的潮汐为正规半日潮，从计算域的潮差来看，琯头站的潮差最大，达到了4.2 m，T潮位站为3.9 m，川石潮位站3.7 m，而且琯头站高高潮和低高潮差值约为0.7 m，T潮位站的差值约为0.5 m，川石潮位站约为0.3 m。
笔者对4个测站连续观测的潮流资料进行了对比验证，具体观测时间为2014-06-14T10:00—06-15T15:00，模拟结果见图5。
由于流速的影响因素很多，所以模拟难度较大，根据测量人员解释，P3测站所处位置为水深突变区域，且测量过程中由于外界因素导致测量船舶锚位发生移动，实测位置与计划测量位置产生偏移，因此，导致P3测站的潮流模拟结果误差较大。
P2点的流速最大，峰值为1.5 ms，P3、P4站点流速偏小，闽江口潮流经过北支水道时，由于岛屿和岸线的约束，同时水深较大，因此水流流速较大；在流经南支水道和通过川石水道注入东海时，水道断面面积快速变大，同时水深变小，因此水流流速较小。
由资料分析可知，P1、P2、P3和P4测站的涨急时刻为14日21:00，落急时刻为14日15:00。
计算区域表层和底层的涨潮流场和落潮流场见图6。
闽江口的潮流运动不仅受外海潮波的影响，还在很大程度上受深槽和岸线的制约，因此造成了闽江口涨落潮流的不对称性，位于南支和北支水道内的涨落潮流流路比较一致、流向相反，基本与岸线平行，呈现明显的往复流性质，而在熨斗岛和川石岛北部和东部区域，由于水域开阔、水道复杂，涨落潮流多以旋转流为主。
大多数地区落潮流速大于涨潮流速，落潮持续时间小于涨潮持续时间。
从这两个时刻的流场结果来看，涨潮时，闽江外海潮波自东南至西北方向向福州近岸海域传播。
当潮波传至琅岐岛东侧时，受岛屿阻挡分叉，一部分直接进入闽江南支水道，朝西方向推进，但由于梅花区域淤积严重、水深较浅，潮流流速较低；另一部分又分为两股，一股进入川石水道，由于水道断面缩窄，因此流速增大，主流沿琅岐北岸深槽，途径长门进入闽江北支水道，朝西南方向推进，在亭江区域汇拢，继续朝西南方向向上游推进；另一股经熨斗岛等岛屿和岸线反射后，岛群周围产生许多环流，向东北方向传播，最后离开河口区域。