围堰工程对花园口经济区附近海域的海洋环境影响的数值模拟_张宏伟

二维垂线平均泥沙输移控制方程
∂s ∂t
+U
∂s ∂x
+V
∂s ∂y
−
ε
s
⎜⎜⎝⎛
∂2 ∂x
s
2
+
∂2s ∂y 2
⎟⎟⎠⎞
+
αω h
(s
−
s* )
=
0
（6）
滩面变形方程
γ
∂z ∂tห้องสมุดไป่ตู้
=
αω(s
−
s* )
（7）
其中，εs 为泥沙扩散系数（m2/s），γ′为淤积物干容重 （kg/m3），ω 为泥沙沉降速度（m/s），s 和 s*分别为垂线 平均含沙量和水流挟沙力（kg/m3），α 为恢复饱和系数。
四、边界条件
水动力模型边界条件
海岸边界：取垂直海岸的流速为零，即
K v
⋅
K n
=
0
。
水边界：采用水位控制，即水—水边界上的水位描述为
已知的时间函数。
初始条件：
η(x, y,t0 ) = 0,
u(x, y,t0 ) = 0,
v(x, y,t0 ) = 0
动边界处理：近岸浅海区往往分布大面积的潮滩，涨潮
二、模型构造
1．考虑波浪辐射应力作用的二维潮流方程
在笛卡尔直角坐标系下，考虑波浪辐射应力作用的二维 非恒定流方程近似表述如下：
∂η + ∂(Du) + ∂(Dv) = 0
∂t ∂x ∂y
（1）
∂u ∂t
+u
∂u ∂x
+
v
∂u ∂y
−
fv
+
g
∂η ∂x
−
τ Fx ρD
+
τWx ρD
+
1 ρD
⎛ ⎜ ⎝
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中国水运
滩面冲淤量的计算。完成各工况的计算后，分工程前、工程 后将每种工况的冲淤量计算结果进行全年累加求取全年的冲 淤量。本文给出了花园口经济区附近海域工程前后潮流场、 悬沙浓度变化比较示意图（图 5~图 6 所示），以及附近海域 滩面冲淤态势图（图 7 所示）。
第 11 卷
站号：1 号站 图 1 海流观测值与计算值的对比
（涨急时刻）
（落急时刻）
图 5 花园口经济区附近海域工程前后潮流场的比较
（涨急时刻）
（落急时刻）
图 6 花园口附近海域工程前后悬沙浓度比较
站号：2 号站 图 2 海流观测值与计算值的对比
图 3 悬沙实测值与计算值的比较（1 号站 ）
图 4 悬沙实测值与计算值的比较（2 号站）
（工程前）
（工程后）
图 7 花园口经济区附近海域滩面冲淤态势
水流挟沙力公式：
S∗
=
Kγ
S
⎜⎛ ⎜⎝
V1
+ V2 gd
⎟⎞ n ⎟⎠
（8）
式中： S∗ ――垂线平均含沙量（kg/m3）;
V1 = Vb +Vl ――风吹流和潮流合成流速（m/s）； Vb ――风吹流的平均流速（m/s）;Vb = 0.02W (W 为时段
平均风速）；
Vl――潮流的平均流速（m/s）；
（4）波浪参数 波浪作为参数在波流计算公式中出现，对于不同的风况， 选取相对应的波浪参数。 风况选择比较复杂。为了简化计算过程，我们根据附近 台站多年风观测资料的统计结果对海面风场进行概化处理， 确定有代表性的典型风场参与计算。根据风资料分析，我们 选择大风、中等风速和静风三种风场类型： 大风：风速：20m/s；风向和各向频率概化为 3 种类型： N，频率：4.0%SSE，频率：4.0%；SSW，频率：4.0%； 中等风速：风速：5.0m/s；风向和各向频率概化为 4 种类型： NE，频率：20.7%；NW，频率：23.9%；SSW，频率： 11.3%；SE，频率：15.8%。 静风：风速：0.0m/s，频率：16.3%。 （5）时间步长： ∆t = 10s 。 2．数值模型的验证 为了考查数值模拟结果的重现性，将计算结果与实际海 流观测资料[4]进行了比较。利用这些实测资料与同时段的实 时数值模拟结果进行了详细地比较。图 1~图 4 给出 1 号测流 点大潮期的潮流和悬沙浓度验证结果。由图可见，数值模拟 结果与实际观测值基本吻合，说明本项目所建立的流场模型 具有较好的计算精度，能够较真实地复演本海区的潮流循环 过程。 3．围堰工程对附近海域影响数值比较 将所选择各一个周日大、小潮二种潮况和 8 种风况进行 组合[5]，对每一种组合工况分别进行流场计算、含沙量场和
泥沙模型边界条件：
固边界上：∂∂Sn = 0
∂S
开边界上：出流时段：∂t
+ Vn
∂S ∂n
=
0
入流时段：S（x,y,t）=S0*（x,y）
S0*为开边界上的悬沙浓度，本计算参照悬沙实测资料给 定。
初始条件：初始悬沙浓度参照本次观测资料给定。 五、经济区附近海域数值模拟 1．模型输入条件 （1）计算域 本计算选取邹家山嘴到李咀一段岸线以南的海域，计算 域的东边界：122°55′00″E，南边界：39°19′00″N， 北边界为普兰店和庄河海岸线。 （2）网格 采用矩形网格逼近计算区域，其中 x 轴为正东方向，y 轴为正北方向。网格间距： ∆x = 142.9m ， ∆y = 185.2m 。 （3）边界条件： 开边界的水位值根据附近验潮站的调和常数给定。根据 本海区的潮汐特点，取 M2、S2、K1 和 O1 四个分潮的分潮波 迭加作为开边界控制水位。 开边界水位值采用下列公式计算：
示 N 在地理坐标空间 x，y 方向上的传播；第 4 项为由于流
场和水深所引起的 N 在相对频率空间σ 的变化;第 5 项为 N
在 谱 分 布 方 向 θ 空 间 的 传 播 ; 其 中 ， cx , cy,cσ ,cθ 为 波 浪 在
x, y,σ ,θ 的传递速度。其值可由方程（5）求出：
G cg
摘 要：随着辽宁省“五点一线”沿海经济带，上升到国家战略。越来越多的沿海经济区面临着陆地资源紧缺问题，
纷纷向海洋要空间，进行填海造陆。本文以大连花园口经济区的用海规划为例，其不仅充分利用了花园口独特的旅
游资源环境，形成了六岛、内湖与外湖相结合的布局形式，使花园口构成了真正意义上的水城。同时也充分考虑到
速在 x 和 y 方向的分量。τ Fx 、τ Fy 为风对水面剪切力在 x 向和 y 向上的分量；τWx 、τWy 为波浪、潮流在水底合成剪
切力在 x 向和 y 向上的分量；Sxx、Sxy、Syx、Syy 为波浪
辐射应力张量的四个分量；ε 为水体紊动扩散系数；△为微分
算子， ∆
=
∂2 ∂x 2
+
∂2 ∂y 2
∑ η = A0 + H i cos(σ it + v0i − gi )
i
其中 A0 为平均海平面在潮高基准面上的高度；Hi 和 gi 是 i 分潮的调和常数，σ 是 i 分潮的角速率；vi 是 i 分潮的格 林威治天文初相角；这里 i=1，2，3，4，分别代表 M2、S2、 K1 和 O1 分潮。
填海工程对环境的影响，采用突堤、离岸岛式填海方案，在开发海岸带的同时保护环境，使海岸带的开发与保护相
协调。在本文中，采用基于 ADI[1]（隐式方向交替差分格式）离散法的波浪、潮流二维泥沙数学模型对花园口经济
区附近海域进行了数值模拟，利用实测数据对本模型进行了验证，并对围堰工程造成的海洋环境影响进行了详细解
六、结论 1．对附近海域水动力条件（主要针对潮流场）的影响 花园口近海的潮流是比较典型的旋转型流，潮流旋转方 向为反时针向，这些特征与观测资料相互印证。从潮流的分 布上看，在开阔海区，潮流的流速流向比较均匀一致，最大 流速在 40~60cm/s。工程海域处在弱流区，其流速在 25～ 40cm/s。潮滩的“干滩”现象比较显著。 工程后，附近海域的潮流流向呈复杂变化，流速总体上 降低。近岸区域，流速降低幅度较大，远离海岸的区域，流 速减幅逐渐变小。拟建工程对其附近海域的潮流分布将产生 较大的影响，流速变化为零的等值线离填海区最远可达 12.0km。二期工程形成的人工岛与明阳湾海岸之间形成的 水道内成为强流区，有利于工程后湾内水域的水交换。 2．对附近海滩冲淤环境的影响
（下转第 86 页）
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中国水运
第 11 卷
THUMB 指令集 [2]。本系统的系统时钟采用频率 32.768MHz 的有源晶振，贴片封装（贴片封装可以增加抗干扰性）。
3．数据存储模块 存储器是系统中至关重要的部分。在本系统中，由于 AT91M40800 内部数据存储器很少，因此需要外扩程序存 储器和数据存储器。为了便于与微处理器接口，这里选择 ATMEL 的程序 FLASH 芯片 AT49BV162A（容量 2M 字 节），程序运行时高速缓存用 ISSI 公司的 IS61VL25616（该 芯片是 16 位容量 512K 字节）。 4．显示键盘模块 液晶屏显示采用 SHARP 公司出产的 256 色 64*480 的 液晶面板，该面板亮度高，点阵细，功耗小，结合北京德彼 克公司做的控制板，提供了很方便的接口供用户操作[3]。在 本例中因为对按键的个数要求不多，因此键盘采用 IO 口线搭 建的矩阵键盘（3*2）。 四、系统软件设计
理以及水动力数学模型研究工作。
第3期
张宏伟等：围堰工程对花园口经济区附近海域的海洋环境影响的数值模拟
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JG JG
cθ
= − dθ dt
= −(cg
1 k
∂k + κ ∂m κ
∂U ) ∂m
式中，S 是波浪传播方向θ 的坐标轴。
m 是垂直于 S 的坐标轴；h 是静水水深；k 是波数。 3．泥沙输运模型概述
析。结果表明，由于花园口经济区规划采用较为合理的突堤、离岸式填海，在满足大连花园口经济区城市建设用海