CN107256312B - 一种基于潮流环境下海湾纳潮变化量计算方法 - Google Patents

一种基于潮流环境下海湾纳潮变化量计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于潮流环境下海湾纳潮变化量计算方法，涉及海湾围垦工程。本发明其包括海湾围垦工程实际占用的海水体积的变化量；再以海湾围垦工程实施后造成的海湾水体潮波变形所导致的海水体积变化量来修正海湾纳潮变化量的误差。本发明给出基于数值模拟计算方法的新方法，为数值模拟计算方法与传统计算方法的改进方法。它真实有效的揭示了围垦工程实施造成的纳潮变化量。在实践中并证明了相关理论，为整个海湾进行围垦工程的设计与研究奠定了基础。

Description

一种基于潮流环境下海湾纳潮变化量计算方法
技术领域
本发明涉及海湾围垦工程，具体涉及一种基于潮流环境下海湾纳潮变化量计算方法。
背景技术
近年来，随着我国改革开放的不断推进，经济建设的热潮一浪高过一浪，工程建设行业也得到了前所未有的大发展。沿海地区，尤其是沿海港口城市，土地资源日超紧缺，海涂围垦工程蓬勃发展。然而在河口地区，尤其是海湾内进行围垦会造成海湾纳潮量的改变。
纳潮量是海湾可以接纳的潮水体积，是一个潮周期中的最大水交换量，为海湾高潮水量与低潮水量之差。其大小直接影响着海湾水深的维持以及海湾与外海的水体交换和污染物的迁移扩散，制约着海湾的自净能力和环境容量，对维护海湾良好的生态环境至关重要。因此，研究围垦工程实施后，海湾内纳潮量的变化至关重要。
现有纳潮量的计算方法主要有两种：
(1)传统计算方法。即纳潮量计算可通过海湾高潮时的最大纳水体积与港湾低潮时的最小纳水体积之差求出，公式为：
W＝0.5×(S1+S2)(h1-h2)
式中：W为纳潮量；h1、h2分别为高、低潮位；S1、S2分别为高、低潮潮位对应的水域面积。
(2)ADCP测量方法。该方法通过在半封闭海湾的湾口设计一个封闭断面直接走航测量得到进出该断面的水量(纳潮量)。
(3)数值模拟方法。通过建立并验证工程海域潮流数学模型，计算出封闭湾口断面的潮位及流速流向，得到通过湾口断面的流量变化序列，再将这些流量值积分可得到海湾的纳潮量。
对于传统计算方法，该方法将高低潮位之间水体默认为坡度均匀一致的斜面，存在一定的局限性(如图1所示)。同时，在计算围垦工程实施后海湾纳潮变化量时，无法考虑围垦工程造成的潮波变形情况，且当围垦工程顶高程低于高潮位或围垦工程位置水深高于低潮位时则无法计算围垦工程对纳潮量变化的影响。
对于ADCP测量方法。该方法需要进行现场实测工作，除费用高之外，因海湾繁忙的船行以及较差的海况经常难于实施，即便实施测得的结果也难以做到同步而失真，需要做一定的数据修正工作。同时，ADCP测量方法只能测量现状条件下海湾纳潮量，并不能预测围垦工程实施后造成的海湾纳潮量变化。
对于数值模拟计算方法，其计算误差直接取决于模型研究人员的水平。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于潮流环境下海湾纳潮变化量的计算方法，旨在给出基于数值模拟计算方法的新方法，为数值模拟计算方法与传统计算方法的改进方法。它真实有效的揭示了围垦工程实施造成的纳潮变化量。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于潮流环境下海湾纳潮变化量计算方法，其特征在于：其包括海湾围垦工程实际占用的海水体积的变化量；再以海湾围垦工程实施后造成的海湾水体潮波变形所导致的海水体积变化量来修正海湾纳潮变化量的误差。
进一步的技术方案在于，对海湾围垦工程实施后造成的海湾水体潮波变形所导致的水体体积变化量，是基于建立海湾潮流运动数学模型进行数值模拟，计算出封闭湾口断面以内水体高低潮位变化，进而得到水体体积变化量。
进一步的技术方案在于，所述海湾潮流运动数学模型为：
控制方程如下：
Figure BDA0001320586270000031
Figure BDA0001320586270000032
Figure BDA0001320586270000033
其中：h＝η+d，η和d分别表示水面高度和静水深，x和y分别表示横轴和纵轴坐标，t为时间，g为重力加速度，
Figure BDA0001320586270000034
和
Figure BDA0001320586270000035
分别为沿x和y方向的深度平均流速，f为柯氏力系数，ρ为流体密度，ρ0为参考密度，S为点源流量，us与vs为点源流速，Tij为应力项，包括粘性应力、紊流应力和对流等，根据水深平均的流速梯度计算；
底部应力
Figure BDA0001320586270000041
由下式计算：
Figure BDA0001320586270000042
其中：cf是拖曳力系数，
Figure BDA0001320586270000043
是水深平均的流速；拖曳力系数可以根据Chezy系数C或Manning系数M计算，
Figure BDA0001320586270000044
Figure BDA0001320586270000045
Manning系数可以根据底部糙率计算；
风应力
Figure BDA0001320586270000046
计算公式为：
Figure BDA0001320586270000047
其中：ρa是空气密度，cd是空气拖曳力系数，
Figure BDA0001320586270000048
是海面上10m高处的风速。
进一步的技术方案在于，所述海湾纳潮变化量为：
ΔW＝S工(h工1-h工2)+S河1×Δh河1+S河2×Δh河2
式中：ΔW为海湾纳潮变化量；S工为围填海工程面积；h工1为围填海工程附近高潮位(当高潮位低于围垦工程堤顶高程)或围垦工程堤顶高程(当高潮位高于围垦工程堤顶高程)；h工2为围填海工程附近低潮位(当低潮位高于围垦工程附近平均水深)或围垦工程附近水深(当低潮位低于围垦工程附近平均水深)；S河1、S河2分别为高、低潮潮位对应的河口水域面积(除去围垦工程面积)；Δh河1、Δh河2分别数值模拟计算出的高、低潮潮位变化值(海湾平均)；Δh河1增加为正值，减小为负值；Δh河2增加为负值，减小为正值。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明给出基于数值模拟计算方法的新方法，为数值模拟计算方法与传统计算方法的改进方法。它真实有效的揭示了围垦工程实施造成的纳潮变化量。在实践中并证明了相关理论，为整个海湾进行围垦工程的设计与研究奠定了基础。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是传统计算方法断面示意图；
图2是围垦工程前示意图(图中灰色为海域，白色为陆域或岛屿)；
图3是围垦工程后示意图(图中灰色为海域，白色为陆域或岛屿)；
图4是围垦工程占用海湾纳潮水体体积示意图(图中灰色水体)；
图5是实测潮位及流速流向测站示意图；
图6是网格示意图；
图7是潮位验证图；
图8是流速流向验证图；
图9是表1的特征点布置图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明提供了一种基于潮流环境下海湾纳潮变化量计算方法，其特征在于：其包括海湾围垦工程实际占用的海水体积的变化量；再以海湾围垦工程实施后造成的海湾水体潮波变形所导致的海水体积变化量来修正海湾纳潮变化量的误差。
优选的，对海湾围垦工程实施后造成的海湾水体潮波变形所导致的水体体积变化量，是基于建立海湾潮流运动数学模型进行数值模拟，计算出封闭湾口断面以内水体高低潮位变化，进而得到水体体积变化量。
优选的，所述海湾潮流运动数学模型为：
控制方程如下：
Figure BDA0001320586270000061
Figure BDA0001320586270000062
Figure BDA0001320586270000071
其中：h＝η+d，η和d分别表示水面高度和静水深，x和y分别表示横轴和纵轴坐标，t为时间，g为重力加速度，
Figure BDA00013205862700000710
和
Figure BDA00013205862700000711
分别为沿x和y方向的深度平均流速，f为柯氏力系数，ρ为流体密度，ρ0为参考密度，S为点源流量，us与vs为点源流速，Tij为应力项，包括粘性应力、紊流应力和对流等，根据水深平均的流速梯度计算；
底部应力
Figure BDA0001320586270000072
由下式计算：
Figure BDA0001320586270000073
其中：cf是拖曳力系数，
Figure BDA0001320586270000074
是水深平均的流速；拖曳力系数可以根据Chezy系数C或Manning系数M计算，
Figure BDA0001320586270000075
Figure BDA0001320586270000076
Manning系数可以根据底部糙率计算；
风应力
Figure BDA0001320586270000077
计算公式为：
Figure BDA0001320586270000078
其中：ρa是空气密度，cd是空气拖曳力系数，
Figure BDA0001320586270000079
是海面上10m高处的风速。
优选的，所述海湾纳潮变化量为：
ΔW＝S工(h工1-h工2)+S河1×Δh河1+S河2×Δh河2
式中：ΔW为海湾纳潮变化量；S工为围填海工程面积；h工1为围填海工程附近高潮位(当高潮位低于围垦工程堤顶高程)或围垦工程堤顶高程(当高潮位高于围垦工程堤顶高程)；h工2为围填海工程附近低潮位(当低潮位高于围垦工程附近平均水深)或围垦工程附近水深(当低潮位低于围垦工程附近平均水深)；S河1、S河2分别为高、低潮潮位对应的河口水域面积(除去围垦工程面积)；Δh河1、Δh河2分别数值模拟计算出的高、低潮潮位变化值(海湾平均)；Δh河1增加为正值，减小为负值；Δh河2增加为负值，减小为正值。
实施例：
一、纳潮变化量分解
纳潮量为海湾高潮时最大纳水体积与海湾低潮时最小纳水体积之差。以某海湾内围垦工程为例(图2和图3)，整个海湾面积可分为两部分，即：
S＝S工+S河
其纳潮量也可分为两部分：
W＝W工+W河
则纳潮变化量也可分为两部分：
ΔW＝ΔW工+ΔW河
二、围垦工程占用海湾水体体积
根据上述公式可见，整个海湾进行围垦工程后，海湾纳潮变化量包括两部分，其中一部分为围垦工程实际占用的海水体积，一部分为围垦工程实施后造成的海湾水体潮波变形所导致的水体体积变化量。其中，ΔW工可采用实测资料进行计算，如图4所示。
ΔW工＝S工(h工1-h工2)
其中：S工为围填海工程面积(已知)；h工1为围填海工程附近高潮位(当高潮位低于围垦工程堤顶高程时)，或围垦工程堤顶高程(当高潮位高于围垦工程堤顶高程时)；h工2为围填海工程附近低潮位(当低潮位高于围垦工程附近平均水深时)或围垦工程附近水深(当低潮位低于围垦工程附近平均水深时)。
其中，围垦工程附近水深可根据实测水深得到。高、低潮位可根据工程附近潮位站实测潮位资料得到，对应到本工程即为工程附近T4潮位站实测潮位资料(如图5所示)。
本工程围填海面积约为2.95km2，实测大潮两次涨潮过程潮差分别为5.20m和5.66m(工程附近T4站)。则围垦工程所占的潮棱体约0.32×108m3。
三、潮波变形造成纳潮变化量
ΔW河为围垦工程实施后海湾水域潮波变形导致的纳潮变化量，可采用数值模拟方法进行计算。可采用自主开发程序或比较成熟的MIKE21、FVCOM等软件计算。
3.1潮流运动数学模型
控制方程如下：
Figure BDA0001320586270000091
Figure BDA0001320586270000101
Figure BDA0001320586270000102
其中：h＝η+d，η和d分别表示水面高度和静水深，x和y分别表示横轴和纵轴坐标，t为时间，g为重力加速度，
Figure BDA00013205862700001011
和
Figure BDA00013205862700001012
分别为沿x和y方向的深度平均流速，f为柯氏力系数，ρ为流体密度，ρ0为参考密度，S为点源流量，us与vs为点源流速，Tij为应力项，包括粘性应力、紊流应力和对流等，根据水深平均的流速梯度计算。
底部应力
Figure BDA0001320586270000103
由下式计算：
Figure BDA0001320586270000104
其中：cf是拖曳力系数，
Figure BDA0001320586270000105
是水深平均的流速。拖曳力系数可以根据Chezy系数C或Manning系数M计算，
Figure BDA0001320586270000106
Figure BDA0001320586270000107
Manning系数可以根据底部糙率计算。
风应力
Figure BDA0001320586270000108
计算公式为：
Figure BDA0001320586270000109
其中：ρa是空气密度，cd是空气拖曳力系数，
Figure BDA00013205862700001010
是海面上10m高处的风速。
3.2计算域选取及网格剖分
以上述某海区为例进行计算：计算区域西边界取至上游水闸，东西方向长约97km，北方向长约62km。模型模拟区域总面积达6000km2。
如图6所示，采用三角形网格进行剖分，距离工程区较远的海区网格较稀疏，对工程海域所在的海湾进行网格加密。计算域采用的三角形网格边长最大为2000m，最小网格边长为10m，总共有13669个网格节点，25028个三角形单元。
3.3边界条件及概化方法
外海开边界采用潮位过程控制，由中国海域潮汐模型提供。上游主要径流根据水文站实测流量给出。模型中可考虑漫滩、潜堤等动边界的处理。
3.4模型验证
为验证模型的合理性，采用实测水文全潮资料对模型进行率定和验证(测站参见图5)。部分潮位及流速流向验证曲线参见图7和图8，精度满足规程要求。
3.5潮位变化统计
在工程所在海湾内均匀地选取尽量多的特征点(图9)。表1给出了数值模拟计算出来的围填海工程实施前后特征点位置高低潮位变化情况
表1特征点位置高低潮位变化值(m)
Figure BDA0001320586270000111
Figure BDA0001320586270000121
3.6潮波变形造成纳潮变化量
潮波变形造成的纳潮变化量为高潮水体变化量与低潮水体变化量之和：
ΔW河＝S河1×Δh河1+S河2×Δh河2
S河1、S河2分别为高、低潮潮位对应的河口水域面积(除去围垦工程)，其可根据海湾实测水深及工程附近实测高低潮位统计得到。
Δh河1、Δh河2分别为数值模拟计算出的高、低潮潮位变化值(海湾平均)。
其中：Δh河1增加为正值，减小为负值；Δh河2增加为负值，减小为正值。
本文实例计算可得，由于潮波变形造成的纳潮量变化约为0.043×108m3。
四、海湾纳潮变化量计算方法总结
针对围垦工程实施后海湾纳潮变化量，作者提出了一种新的计算方法，该方法基于潮流数值模拟，公式如下,为上述两部分之和：
ΔW＝ΔW工+ΔW河
ΔW工＝S工(h工1-h工2)
ΔW河＝S河1×Δh河1+S河2×Δh河2
ΔW＝S工(h工1-h工2)+S河1×Δh河1+S河2×Δh河2
式中：ΔW为由于围填海工程造成的海湾纳潮变化量；S工为围填海工程面积；h工1为围填海工程附近高潮位(当高潮位低于围垦工程堤顶高程)或围垦工程堤顶高程(当高潮位高于围垦工程堤顶高程)；h工2为围填海工程附近低潮位(当低潮位高于围垦工程附近平均水深)或围垦工程附近水深(当低潮位低于围垦工程附近平均水深)；S河1、S河2分别为高、低潮潮位对应的河口水域面积(除去围垦工程)。Δh河1、Δh河2分别数值模拟计算出的高、低潮潮位变化值(海湾平均)。Δh河1增加为正值，减小为负值；Δh河2增加为负值，减小为正值。
综上所述，本为实例中围填海工程实施后纳潮变化量为0.363×108m3。

Claims (2)

1.一种基于潮流环境下海湾纳潮变化量计算方法，其特征在于：其包括海湾围垦工程实际占用的海水体积的变化量；再以海湾围垦工程实施后造成的海湾水体潮波变形所导致的海水体积变化量来修正海湾纳潮变化量的误差；
对海湾围垦工程实施后造成的海湾水体潮波变形所导致的水体体积变化量，是基于建立海湾潮流运动数学模型进行数值模拟，计算出封闭湾口断面以内水体高低潮位变化，进而得到水体体积变化量；
所述海湾纳潮变化量为：
ΔW＝S工(h工1-h工2)+S河1×Δh河1+S河2×Δh河2
式中：ΔW为海湾纳潮变化量；S工为围填海工程面积；h工1为当高潮位低于围垦工程堤顶高程时的围填海工程附近高潮位或当高潮位高于围垦工程堤顶高程时的围垦工程堤顶高程；h工2为当低潮位高于围垦工程附近平均水深时的围填海工程附近低潮位或当低潮位低于围垦工程附近平均水深时的围垦工程附近水深；S河1、S河2分别为除去围垦工程面积的高、低潮潮位对应的河口水域面积；Δh河1、Δh河2分别数值模拟计算出的海湾平均高、低潮潮位变化值；Δh河1增加为正值，减小为负值；Δh河2增加为负值，减小为正值。
2.根据权利要求1所述的一种基于潮流环境下海湾纳潮变化量计算方法，其特征在于：所述海湾潮流运动数学模型为：
控制方程如下：
Figure FDA0002601186500000011
Figure FDA0002601186500000021
Figure FDA0002601186500000022
其中：h＝η+d，η和d分别表示水面高度和静水深，x和y分别表示横轴和纵轴坐标，t为时间，g为重力加速度，
Figure FDA0002601186500000023
和
Figure FDA0002601186500000024
分别为沿x和y方向的深度平均流速，f为柯氏力系数，ρ为流体密度，ρ0为参考密度，S为点源流量，us与vs为点源流速，Tij为应力项，包括粘性应力、紊流应力和对流，根据水深平均的流速梯度计算；
底部应力
Figure FDA0002601186500000025
由下式计算：
Figure FDA0002601186500000026
其中：cf是拖曳力系数，
Figure FDA0002601186500000027
是水深平均的流速；拖曳力系数根据Chezy系数C或Manning系数M计算，
Figure FDA0002601186500000028
Figure FDA0002601186500000029
Manning系数根据底部糙率计算；风
应力
Figure FDA00026011865000000210
计算公式为：
Figure FDA00026011865000000211
其中：ρa是空气密度，cd是空气拖曳力系数，
Figure FDA0002601186500000031
是海面上10m高处的风速。
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