闽江河口三维潮流数值模拟及特性分析

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】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。

【期刊名称】水运工程 【年(卷),期】2017(000)006 【总页数】9

【关键词】FVCOM模型；潮流；闽江河口；摩阻系数

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。

1 潮流数值模型

1.1 FVCOM模型

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]。

1.2 模型区域及网格

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。 1.3 模型参数设置

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°。 1.3.1 初始条件

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。 1.3.2 开边界条件

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