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Mike21模拟研究


第 29 卷第 10 期                                              Vol. 29, No. 10 人 民 黄 河   2007 年 10 月                     YELLOW  R I ER                     Oct , 2007    . V

【 水文 ? 泥沙 】

渤海流场基本特性的 M ike21 模拟研究
王万战 ,董利瑾
1 2

(1. 黄河水利科学研究院 , 河南 郑州 450003; 2. 华北水利水电学院 ,河南 郑州 450011)

摘   : 利用实测资料率定了渤海平面二维潮流模型 ,进行了水流参数灵敏度分析 ,模拟了渤海潮流场 。研究发现 : 在平 要 面二维潮流参数中 ,子涡扩散系数的变化引起的水流变化较小 ,而糙率的变化引起的水流变化较大 ; 渤海水流既有向较 低潮位流动的过程 ,也有向较高潮位流动的过程 ,这是潮流动能和势能相互转化的过程 。 关     : M2 分潮 ; M ike21 模型 ; 潮位 ; 流场 ; 渤海 键 词 中图分类号 : P333     文献标识码 : A     文章编号 : 1000 2 1379 (2007) 10 2 0032 2 02 等的影响 。 ζ gp p + q 9p 9 (p ) 9 ( pq ) 9 + + + gh + 2 2 9t 9x h 9y h 9x C h
2 2 2

   黄河口滨海区及渤海深海流场是影响黄河口水沙运动的 基础 。笔者利用平面二维水动力学模型 (M ike21 模型 ) 模拟渤 海流场 ,重点从水位 、 流速和方向的动态变化 ,分析黄河三角洲 附近海域流场区别于其他单向重力流的基本特性 。

由于本研究重点在于分析渤海潮流场的基本特性 , 因此暂

时不考虑潮汐以外的其他因素如风 、 、 浪 温度 、 盐度和河流入汇

1  基本方程

2  模拟的基本条件和率定
模拟范围为黄河口以外 、 渤海海峡以西的渤海区域 。黄河

M ike21 是基于水动力学和泥沙运动力学的河口模型 ,它能

够计算在来水来沙 、 、 、 风 浪 潮汐 、 盐度 、 温度等因素共同作用下 河口海域的水沙运动和地形演变情况 。其基本方程为水流连 续方程和动量方程 ,水流连续方程为 ζ 9p 9q 9 9d + + = 9 t 9x 9y 9t
X 方向动量方程为

口附近海域地形采用黄委观测的 1980 年 、 1981 年的滨海区地 形 ,其他海域地形采用黄河勘测规划设计有限公司测绘总队和 中国人民解放军 4210 工厂在 1998 年共同编汇的 1 ∶ 万渤 100 海地形图 。计算网格为边长 5 000 m 的正方形网格 。 边界条件 : 利用渤海海峡的北长山 、 北隍城 、 羊头洼 3 站潮 汐调和常数 ,用调和分析模型预报出 3 站的潮汐过程 , 作空间 线性内插后作为模型的边界条件 。模拟时段为 1981 年 7 月 1 日 ~8 月 22 日 ,模拟时间步长为 30 s。 模型的率定 : 需要率定的参数主要为 Smagorinsky 公式子 涡扩散系数 (C s ) 和反映河床糙率的曼宁糙率系数 ( n) , 率定的 结果为 n = 0. 012 5 s/m1 /3 、 s = 0. 5。模拟结果如 M2 分潮无潮 C 点位置 、 渤海 M2 分潮潮差空间分布 (图 1 ) 、 渤海湾附近海域潮 流逆时针方向旋转及 K1、 、 等分潮潮差远小于 M2 分潮潮 O1 S2 差等 ,均与实测资料相符 。

1 ρ w

Y 方向动量方程为

式中 : ζ 为水位 , m; d为河底高程 , m; h为水深 , m; p、 分别为 x、 q 3 1 /2 y方向的单宽流量 , m / ( s? ) ; C为谢才系数 , m / s, 与曼宁系 m 数的关系为 C = n - 1 h1 / 6 ; g 为重力加速度 ; f 为风摩擦系数 ; V、 V x 、 y分别为风速及其在 x、 方向的分量 , m / s;Ω为科氏力系 V y 数 , s- 1 ; pa为 大气压力 ;ρ 为水的密度 ; x、 为距离 ; t 为时间 ; E y w 为水 流 紊 动 黏 滞 系 数 , 由 Sm ago rinsky 公 式 计 算 , E =
2 Δ 2 C s (Δx y )

x、 方向的分量 。 y

ζ gq p2 + q2 9q 9 ( q2 ) 9 ( pq ) 9 + + + gh + 2 2 9t 9y h 9x h 9y C h
1 ρ w
(

9u ) 2 1 9u 9v ) 9v ( + + + , u、分别为流速在 v 9x 2 9y 9x 9y

Ωq - fVV x + h 9 ( pa ) = 0 ρ 9x w 9 ( ) Ωp - fVV y + p =0 ρ 9y a w
h

9 ( 9p ) 9 ( 9p ) Eh + Eh 9x 9x 9y 9y

9 ( 9q ) 9 ( 9q ) + Eh + Eh 9y 9x 9x 9y

3  模型参数的灵敏度分析
进行模型参数灵敏度分析的目的是研究每个参数对水流

的影响程度 ,可调参数为 C s 和河床糙率 。 由图 2可知 , 在曼宁糙 率系数不变的情况下 , 随着 C s 的增大 , 潮位 、 流速降低 , 但是变 幅很小 ; 由图 3 可知 , 在 C s 一定时 ,随着曼宁糙率系数的加大 , 潮差和流速振幅明显变小 。   收稿日期 : 2007 2 2 07 16

  作者简介 : 王万战 (1965 —) ,男 ,河南南阳人 ,高级工程师 ,主

要从事黄河河口海岸研究工作 。

  10 期                第 王万战等 : 渤海流场基本特性的 M ike21 模拟研究

?33?

内 ,渤海水面比降是水流的主动驱动力 ,而在其他时段 , 其是水 流的阻力 。这是黄河口实体模型试验水流不同于其他单向重 力流的特征之一 。这给黄河口实体模型试验的水流控制技术 提出了更高的要求 。

( a )模型计算的 M2 分潮潮差

( a) 9: 20 水位 、 流速 、 流向

( b)基于实测资料的 M2 分潮潮差

图 1  实测和计算的渤海 M 2 分潮潮差分布

( b) 12: 20 水位 、 流速 、 流向

图 2   n = 0. 012 5 时不同 C s 条件下的水位

( c) 14: 20 水位 、 流速 、 流向

图 3   C s = 0. 5 时不同 n 值条件下的水位 、 流速过程

4  渤海流场特征
图 4 为渤海湾中部某处的水位 、 流速 、 流向 (流速方向以北 向为基线 ,顺时针为正 ,单位为弧度 ) 。由图 4 可知 , 9: 20 渤海 湾水位较高 ,渤海海峡水位较低 ,水向东流 ,呈现水向低处流的 特征 ,由于水流流出渤海湾 ,因此渤海湾水位逐渐降低 、 流速变 大 ,渤海海峡附近潮位逐渐升高 、 流速变小 ; 12: 20 渤海湾水位 接近低潮位 ,但水流继续东流 ,呈现水向高处流的特征 , 流速接 近最大 ,渤海海峡附近水位接近高潮位 , 流速接近于 0; 其后渤 海湾水位继续降低 、 流速开始降低 , 至 14: 20 时渤海湾水流流 速接近于 0,渤海海峡附近水位较高 ,水向低处流 (即向西流 ) ;
15: 10 渤海湾水位由低逐渐升高 、 水流继续向西 ,呈现水向低处 ( d ) 15: 10 水位 、 流速 、 流向

图 4  1981 年 8 月 20 日渤海水位与流速 、 方向

5    结 论
( 1 )在平面二维潮流参数中 , C s 的变化引起的水流变化较

小 ,而糙率的变化引起的水流变化较大 。
(2)渤海水面比降与潮流运动的关系比缓流河流的复杂 。

流的特征 。 与渤海湾 、 渤海海峡水流相似 ,莱州湾 、 辽东湾水流也具有 水向低处流和水向高处流两种相互转化的过程 ,这是典型的水 流动能和势能相互转化的过程 。此特征表明 , 在一定的时段

渤海水流既有向较低潮位流动的过程 ,也有向较高潮位流动的 过程 。这是潮流动能和势能相互转化的过程 。

【 责任编辑   翟戌亮 】


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