基于MIKE21模型的椒江口台州湾在异常天气下的泥沙输运研究

张火明，邵力行，田中仁，管卫兵

(1.中国计量大学 计量测试工程学院,浙江 杭州 310018；2.卫星海洋环境动力学国家重点实验室,浙江 杭州 310012)

河口以及附近的海湾是陆源性泥沙沉降及扩散的主要地区,也是陆地海洋作用较为明显的区域[1]。悬浮的泥沙是有机物的载体、海水营养盐的成分，对污染物的循环和迁移起到了非常重要的作用[2]，并且也能够表现出细颗粒沉积物输运动态，从而反演水动力输运过程[3]。正因为如此，悬浮泥沙的输运特性以及时空变化规律对海洋的地质探究具有深远的意义。椒江口是山溪性的强潮流河口,地貌以滨海沉积为主,两岸是粘性细颗粒泥沙组成的淤泥质潮滩。粘性细颗粒泥沙会因为随流输运和絮凝沉降作用，引起港口淤塞、潮滩毁坏甚至是生态环境破坏等问题。异常天气的影响更是在随流输运和絮凝沉降作用中扮演着重要角色。因此对椒江口展开异常天气下河口环境泥沙输运沉降特征的数值模拟研究具有极其深远的意义。

对于椒江口泥沙的输运研究，就有不少的学者进行了研究。毕敖洪、孙志林[4]论述了椒江河口的历史塑造过程，揭示了椒江河口在不同潮型、季节及水文条件下的冲淤变化规律。池云飞[5]分析了台州湾椒江十塘工程对周围水动力的影响,预测了工程后一年内和冲淤平衡后工程区泥沙冲淤强度和分布。戴玮琦、陶建峰等[6]利用二维潮流泥沙数学模型结果对水沙关系推算的含沙量分布进行了验证。郭聪[7]研究了椒江河口水沙运动与地形冲淤演变对围海工程的响应。江晨曦、赵新宇[8]等用Rouse公式估算了椒江口外海域的悬沙沉降速度。倪敏、蒋国俊[9]分析了补偿整治工程对河口动力沉积因素的影响,探索了工程影响河段河床演变对工程的响应。田中仁[10]等以椒江口-台州湾实测资料为基础,模拟计算了椒江口-台州湾常态下的泥沙输运演进过程且率定后的计算模型对椒江口-台州湾模拟具有良好的适用性。

本文旨在研究椒江口台州湾区域在异常天气下的泥沙输运响应规律，通过建立异常天气下的椒江口台州湾水动力模型和泥沙数值模型，以9711号台风作为异常天气条件，分析了该条件下的椒江口台州湾区域泥沙输运情况。通过研究发现悬沙浓度变化的模拟值与实测值的变化趋势拟合较好，在异常天气下该区域含沙量值为正常天气时的3～7倍(平均在4倍以上)；异常天气最大浑浊带的峰值与正常天气下相比约多出6倍。正常天气下泥沙移动至口外浅滩处就会沉积或者随潮流向口内运移，而异常天气下泥沙被输运至距离台州湾更远的区域。

1 研究对象及控制方程

椒江口台州湾位于台州市中部沿海，北邻浦坝港、南接隘顽湾，因多台风、河口浑浊度高等特点广泛而受到学者的关注。椒江口台州湾位是一个开敞的河口湾，呈喇叭型向外延伸，海域内有着诸多岛屿。该区域的主要潮型是不规则的半日潮，主要的泥沙输运形式是河口区域的悬沙迁移。

本文选取的异常天气条件是对该地区影响比较强烈并且观测记录详尽的9711号台风，9711号台风概况如表1。

表1 9711号台风概况

椒江口复杂的地形和广阔的水域会使模型边界变得复杂，如果采用矩形网格进行离散会造成边界模拟精度不高、计算量大等缺陷。因此本文采用MIKE21模型和非结构网格模型进行数值仿真研究以保证模拟区域的精度。

1.1 基本控制方程

在笛卡尔直角坐标系下，根据静压和势流假定，水动力控制方程表述如下，连续方程

(1)

式(1)中,ζ为水位,x、y为直角坐标系坐标，p、q分别为x与y方向垂线平均单宽流量。

泥沙模型控制方程如下：

(2)

Fs为泥沙源函数项：

(3)

模型中在波流共同作用下，底床切应力表示为:

(4)

(5)

2 网格与模型验证

本文在参考文献[10]的基础上对异常天气下的模型进行验证。采用MIKE Zero的网格创建器创建网格文件，地形由经纬度转换而来，研究区域内最大节点数选择100 000，采用1999年台州湾实测水下地形图(如图1(a))作为地形资料，通过经纬度投影至软件设定长宽并进行地形插值，插值后模型网格如图1(b)。

模型的时间步长为180 s，共2 000步；床面阻力系数为31；采用Smagorinsky公式得到水平涡黏系数0.3；初始水位为1.2 m，流速为0 m/s；采用平均海平面作为计算基准面；选用开边界条件，椒江上游边界的控制条件采用如图2所示的台风同期径流数据；外海的边界条件分别选取图4所示的同时期门和大陈岛在台风期间的潮位时序数据。另外还考虑了此时台风暴潮引起的增水如图3。

图2 9711号台风期间上游径流参数

图3 9711号台风期间椒江口区域风暴潮

2.1 潮位响应特征及验证

图4显示了9711号台风登陆期间，海门站及大陈站点的潮位变化情况。通过与实测值比较分析，海门站最大误差为0.43 m，大陈站最大误差为0.24 m，模拟值与实测值在大陈站符合较好，从整体上看模拟值与实测值趋势一致，说明本文的仿真能较好的反映该区域的潮位变化情况。本次台风期间，椒江口台州湾潮位表现出高潮位很高，低潮位不低的特点。海门站的最高潮位可以到6.2 m，在河口外区域的大陈站也达到5.9 m；海门站最低潮位为1.05 m，大陈站为0.4 m。海门站异常台风期高潮位要比常态无台风时的高潮位高3.2 m，潮位差比常态时少0.17 m。

图4 台风期各站点潮位验证

2.2 潮流响应特征

台风期间的潮流输出位置点选择了与常态相同的位置，获取的各点流速流向数据如图5所示。在白沙附近的t1监测点，流速最大达到2.87 m/s，流向大部分集中在西北向与东北方向之间交替改变。在头门西侧的t2点流速较t1点稍低，最高为1.79 m/s，流向集中在北偏西与东偏南，且在各方向持续时间较长。位于河口外南侧的t3点流速仅为1.37 m/s，流向上与t1点流向类似。从峰值数值上来看河口南侧t3点台风期间流速增加了近6倍。

图5 台风期各点潮流响应曲线

3 异常天气下的泥沙模型与分布响应分析

3.1 泥沙模型参数

该水域的泥沙主要来自杭州湾输出的南下泥沙以及海域来沙。区域内的悬沙主要为淤泥质粉沙，在随河流输出时容易发生絮凝沉降且沉速大。在考虑絮凝作用时不能直接给定沉速，但能够由沉降系数计算得到实际沉速。沉速采用5×10-4m/s，经过的率定床层设置为2层，分别为0.4 m的软泥层和0.6 m的硬泥层。在上游海门站边界分别设置0.4 kg/m3的泥沙源边界模拟上游来沙，外海北部边界0.8 kg/m3的边界模拟台州湾流域来沙，其他的参数设置情况如表2所示。

表2 泥沙模型参数设置

3.2 泥沙分布响应分析

水面的风应力在台风期间会被不断的增强，在其作用下水体流速也会随之增大，这会增强水流对床面泥沙的冲刷作用，进而增加水体中的含沙量。图6为台风登陆前的椒江口台州湾含沙量响应状态。总体看来区域内泥沙输运为河口内向海洋方向输运，在径流量持续增加时期河口喇叭口区域输沙量显著多于初期的综合含沙量。头门、江山等岛屿在东南方向来风与逐渐增大的径流量和流速叠加作用下，周围泥沙含量会逐渐增大，床面泥沙起动力会增强。台风期椒江口台州湾区域含沙量可为正常天气时的3～7倍。在图6中还可以看到台风期最大浑浊带的变化情况，以北部白沙边界为地理参考点，当悬浮作用增强并逐渐超过沉降作用，急流时刻落潮流在地形影响下偏于东侧，引起该侧流速明显增大，同时也导致东西侧含沙量分布格局的逆转，由西侧高于东侧转而出现东侧高于西侧，这种状态也是台风期较无台风时的一个明显的区别。不仅在浑浊区域面积上有较大的增加，在最大浑浊带含沙量上也有较大的区别，异常天气有台风作用时该区域的泥沙含量相较常态时足有2倍之多，均值达到5 kg/m3以上，峰值更是高达7.6 kg/m3，这几乎是常态无台风时的6倍以上。

图6 台风登陆前泥沙分布图

图7展示了台风登陆时刻，椒江口台州湾区域含沙量分布情况。可以清晰地看到，河口及台州湾以北的含沙量在台风作用下会高于常态无台风时的含沙量。且从分布情况看，泥沙大多来自上游，因为椒江口台州湾泥沙以中细砂为主，在上游主导的径流挟沙下泄，大量的来沙在特大径流量和落潮流的共同作用下，输运至椒江口外，沉积于台州湾内，甚至输运至区域内各岛屿周围。而无台风时上游泥沙在随潮流输运向椒江口台州湾的过程中，一方面受到潮流的顶托作用，另一方面受椒江口地形作用，大量上游来输沙仅运动到椒江口内浅滩便发生沉积或随潮流呈现显著的往复运动。这也证明了台风对该区域泥沙输运的巨大影响，会将泥沙沉积区由河口区域扩大至台州湾区域。

图7 台风登陆时刻含沙量分布图

4 结 语

本文建立了异常天气下的泥沙输运数值模型；异常天气台风状态下含沙量分布通过计算基本达到了实测含沙量分布水平，悬沙量变化的模拟值与实测值的变化趋势拟合较好，这也表明模型对台州湾水域的悬沙过程能给予比较准确的模拟。与正常天气下相比，异常天气台风期时的椒江口台州湾区域泥沙输运总体呈现向海输沙。这是由于上游区域受到台风引起的降雨增水影响严重，径流量增强至常态下的上百倍，其裹挟着上游泥沙向海输运。异常天气台风期时椒江口台州湾区域含沙量为正常天气无台风时的3～7倍，平均在4倍以上。最大浑浊带面积较正常状态下增大，异常天气最大浑浊带的峰值与正常天气下相比多出约6倍。正常天气下泥沙大多移动至口外浅滩处便沉积或随潮流向口内运移，而异常天气下泥沙会被输运至离台州湾更远的区域。