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南、北长山岛海域沉积动力特征研究 南、北长山岛海域沉积动力特征研究 摘要 长岛县位于黄、渤海交汇处的渤海海峡，北衔辽东，南临蓬莱，是渤海之咽喉。长岛县 主要由南长山岛、北长山岛、大黑山岛、小黑山岛和庙岛等众多岛屿组成。1 9 6 0 年以来，南、 北长山岛由连岛坝连接，西侧水文动力条件发生了较大变化，趋于淤积，水质质量下降，生 态环境恶化。为改善岛上交通状况，整治和恢复海洋生态环境，促进海岛经济发展，2 0 0 2 年， 山东省委、省政府确定了建设南北长山大桥的战略决策，使得连岛坝的拆除成为可能。 本文根据多年水深地形、水文气象、底质等实测和历史资料，运用e c o m s e d 和s w a n 模型模拟了南、北长山岛海域的潮流场、波浪场和海底地形冲淤变化，结果表明： 南、北长山岛海域潮波为前进波，高、低潮时刻流速最大，涨、落潮时刻发生转流。低 潮时潮流整体由西向东从渤海流出，表层平均流速介于3 0 c 州刚0 c l i l s 之间。受大黑山岛阻 挡潮流分为南北两支，北支经长山水道绕过北长山岛后向东南流动；南支经登州水道绕过南 长山岛后向东流动，并与北支交汇。高潮时潮流整体由东向西进入渤海，表层平均流速介于 2 0 c m 侮v 4 0 c m s 之间。受南、北长山岛阻拦分为南北两个分支，北支绕过北长山岛北端后向 西流动，南支绕过南长山岛后向南西南方向流动。南、北长山岛东、西两侧5 0 年一遇重现 期的h 1 3 波高分别为4 o m 6 5 m 和1 0 m 3 o m 。整个区域以侵蚀为主，侵蚀较强烈的区域 主要位于大黑山岛南北两侧、小黑山岛北侧及北长山岛东侧，侵蚀速率最大为4 5 c i 州a ；淤积 区主要位于北长山岛、南长山岛及庙岛之间海域，淤积速率介于0 5 c m a 1 4 c 衲之间。最 大淤积区位于连岛坝的西侧，淤积速率为1 4 c r 晌。 连岛坝拆除对潮流、波浪和地形地貌与冲淤的影响主要位于连岛坝两侧附近海域。原坝 址处流速变化最大值为4 5 c 州s ，连岛坝东侧约2 o k m 流速变化小于1 c m s ，西侧约4 7 k m 流 速变化小于l c 州s 。与北向风相比，东向风作用下波高变化最大，连岛坝拆除前后5 0 年一遇 重现期的h 1 3 波高变化大于o 1 m 的区域约5 9 4 2 ，主要位于连岛坝西侧。北长山岛、南长 山岛及庙岛之间海域由淤积变为侵蚀，最大侵蚀速率达8 1 c i 吡，侵蚀速率会逐年减小，最终 达到冲淤平衡状态。 关键词：长岛海域、数值模拟、水动力、冲淤演化 南、北长山岛海域沉积动力特征研究 s t u d yo fs e d i m e n t a r yd y n a m i cc h a r a c t e ra tt h es o u t ha n dt h e n o r t hc h a n g s h a ni s l a n d ss e a a b s t r a c t t h ec h 趾g d 暑1 0c o u i l 锣l o c a t e sa tb o h a is 臼面t sw l l i c hi st l l eb o r d e ro f 也eb o h a is e a a n dt l l e y e l l o ws e 岛趾di n 疵s o 讪o f l i a o d o n g ，a n di nm en o n ho f p e n 酉a i ni sa tt l l et h r o a to f t l l eb o 腻 s e a ，n l ec h a n g d a oc o 咖哆m a i l l l yc o m p o s e so fm e s o u m c h a n g s h a l li s l a i l d ，t l l en o r l lc h a n g s h 锄 i s l 锄d ，d a h e i s h 趾i s l 锄d ，m i a oi s l a n da l l ds oo n t h es o u _ 1c h 锄g s h 锄i s l a n d 锄dt 1 1 en o n h c h a n g s h a l li s l 呻dh a v eb e e l lc o 皿e m e db yc o i l i l e c t i n gi s l a n d sd a l ns i l l c e19 6 0 t h e 缈a tc h a i l g e a b o u td y n 锄i cc o n d i t i o nh a v et a l ( ep l a c ei n 恤w e s to fd a i l l 1 1 1 ew a t e r 删i t ) ，a n de c o l o g i c a l e n v i r o 衄e n tb e c o m ew o r s e s e d i m e n ts i l t e d s h a l l d o n gp r o v i l l c i a lp a yc o m m i n e e 觚d g o v e m m e mm a l ( et l l es t r a t e g i cd e c i s i o n m a l ( i n gt 0b u i l dt h es o u t h 髓dt l l en o r t l lc h a n g s h a l l i s l a l l d sb r i d g ei i lo r d e rt 0i m p r o v e 倾伍cc o n d i t i o n so nt l l ei s l a n d ，t 0r e n o v a t ea 1 1 dr e n e wm a r i i l e e c o l o g i c a le n v i r o l l l l l e n t ，t 0p r o m o t et l l ee c o n o m i cd e v e l o p m e n to fi s l a l l d t h a tm a k e si tp o s s i b l et o r e m o v et l l ec o i l l l e c t i n gi s l a l l d sd 锄 t h e p 印e rb a s e so nd e p t h 觚dt e n a i nf o rm a n yy e a r s ，h y d r o m e t e o r o l o g y ，t e r r 撕n ，a n ds oo n b o t l lo fm e a s u r e da i l do f 王l i s t o r i c a ld a _ t a i ts i m u l a t e sc u l l r e n tf i e l d ，w a v ef i e l da i l dc h a l l g e so f t o p o 聊h y a tm es o u t l la l l dt h en o r t h c h a n g s h 趾i s l a n d ss e ab ye c o m s e dm o d e la n ds 恻 m o d e l t h er e s u l t ss h o wt h a t ： n l et i d a l 、删ei sf o 删w 乏l v ei nm es o u t l la n dt h en o n l l c h a n g s h a i li s l a n d s m a x i m 啪 v e l o c i 够c o m e sf o n ha th i 曲a n dl o wt i d e f l o wc h a n g e s 印p e a ra tt h em i d d l eo fe b ba i l dr i s et i d e a tl o wt i d ew a t e rn o w sf r o mt l l eb o h a is e a a saw h o l em ed i r e c t i o ni s 舶mw e s tt oe a s t t h e a v e r a g ev e l o c 时o fn o wi s e n3 0 c m sa n d4 0 c 耐sa ts u r f a c el a y e r b l o c k e db yd a h e i s h 觚 i s l a n dt h ec u r r e n ti sd i v i d e dt ot h es o u t l lo 任s h 0 0 ta n dt h en o r t ho f f s h o o t t h en o r t ho 行s h o o tn o w s t 0s o u t h e a s t 啦e rp a s s e dc h a n g s h a l lc h a n n e la 1 1 dt h e nr o u n dn o n l lo ft h en o n h c h a n g s h a ni s l a n d t h es o u t ho 凰h o o tn o w st oe a s t 啦e r p a s s e dd e n g z h o uc h 锄e la n dt h e nr o u n ds o u t i lc h a l l g s h a l l i s l a n da n dc o n v e r g e 、i t l ln o n l lo 舔h o o t a th i 曲t i d ew a t e rn o w st ot l l eb o h a is e a a saw h o l et h e d i r e c t i o ni sf b me a s tt o 、e s t n ea v e r a g e v e l o c i t yo fn o w i sb e t 、e e n2 0 c m sa i l d4 0 c 州sa t s u r f a c el a y e r b l o c k e db yt h es o u t ha n dt h en o r t hc h a n g s h a nl s l a n d st h ec u i t e n ti sd i v i d e dt ot h e 2 南、北长山岛海域沉积动力特征研究 s 0 i m lo 行s h o o ta n d 廿1 en o r t l lo f r s h 0 0 t t h en o r t l lo 侬h o o tf l o 、硼t 0w e s t 础e rr o u i l dn o r t ho ft h e n o n l lc h a n g s h a l li s l a i l d 1 1 1 es o u t l lo 舔h 0 0 tn o w st 0s o u 廿1 s o 姗s t 世e rr o l l l l d 廿l es o u t h c h a n g s h 锄i s l a l l d t h e13 w a v eh e i g h to f5 0 y e a rr e t 哪p 两o d i s4 o m 6 5 ma te a s to f l e s 0 u 也a n dt h en o m lc h a l l g s h 锄i s l a l l d s ，h o w e v e ri ti s1 o m 3 o ma tw e s t a sa m o l et 1 1 er e g i o n i se r o s i o n s 加n ge r o s i o nr e g i o ni sm 越m yl o c a t e da ts o 劬a l l dn o r c l lo fd a l l e i s h a i li s l a l l d ，a tn o n l l o fx i a o h e i s h a l li s l a i l da n da te a s to fn o r t hc h a i l g s h a i li s l a n d m a x i m u me r o s i o ne a t ei s4 5 c 州a d 印o s i t i o nz o n em a i l l l yl o c a t e sb e 铆e e nt l l en o m lc h a l l g s h 锄i s l a l l d ，n l es o u t l lc l m g s h a l li s l a l l d 趾dm i a oi s l a n d s i l t a t i o ni a t ei sb e t w e e n0 5 c m a 1 4 c m a m a ) ( i i i l 岫s i i o na r e al o c a t e sa t w e s to ft l l ec o 皿e c t i n gi s 】锄d sd 锄s i l t a 【t i o nv e l o c 毋i s1 4 c n 妇 t h ei m p a mo f r e r i l o v i i 培c o 彻e c t i n gi s l a l l d s 蛐a tc l m r e m ，w a v e ，t o p o 伊a p h y ，e r o s i o n 趾d d e p o s i t i o nm 葫：l l yl o c a 毫e sa ti t s 钠os i d e s m a ) 【i m u mv e l o c i 妙o ff l o wc h a l n g ei s4 5 c n sa tt l l e r e m o v i n gd 锄v e l o c i t yc h a n g ei sl e s st h a i l1c n 以a ta b o u t2 0 l ( i i le a s to fd 锄v e l o c 时c h a l l g ei s l e s st 1 1 a 1 11 c m 内a ta b o u t4 7 k mw e s to f d a r n c o m p a r e d 谢ms o u t l l 谢n d ，w a v eh e i g h tc h a n g i n g m o s ti se a s tw i n d t h ea r e a 廿l a tw 吖eh e i g h to f 5 0 y e a rr e t u mc h a i l g em o r et l l a l lo 1 mi sa b o u t 5 9 4 k m 2b e f o r ea n da r e rr e m o v i n g 舭d a i l l nm a i m yi o c a t e sa tt l l ew e s to f t h ed 锄t h es e a b e t w e e nt 1 1 es o u t l la n dn l en o r mc h a n g s h a ni s l a i l d s ，m i a oi s l a l l di sf r o ms i l t a t i o nt oe r o s i o n m a x i m 啪e r o s i o nv e l o c 时r e a c h e s8 1c m a e r o s i o nv e l o c 时r e d u c e sy e a rb yy e a ra i l dr e a c h e s b a l 觚c ea tl a s t 1 ( e y w o r d ：c h a n g s h a ni s l a n ds e a ，n u m e r i c a is i m u l a t i o n ，h y d m d y n a m i c ，e m s i o na n d d e p o s i t i o ne v o h l t i o n 3 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得其他教育机构的学位或证书 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名秽择签字日期咯占月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：差形旃 签字日期：铆罗年月f 日 刷磁毛姒 签字日期：声钶7 年月j 日 南、北长山岛海域沉积动力特征研究 o 前言 0 1 研究背景及目的 长岛县位于黄、渤海交汇处的渤海海峡，北衔辽东，南临蓬莱，是渤海之咽喉。长岛县 由南长山岛、北长山岛、大黑山岛、小黑山岛和庙岛等众多岛屿组成，周边海域分布有约2 7 4 种生物，如刺参、皱纹盘鲍、栉孔扇贝、海胆、牡蛎、紫贻贝、蛤、红螺以及鹿角菜、羊栖 菜、石花菜、裙带菜等。1 9 世纪6 0 年代以前，南、北长山岛由水道分隔，其西侧( 庙岛塘) 环境质量状况良好，四面水流畅通，是一个不可多得的天然海洋生物栖息地。 1 9 世纪6 0 年代南、北长山岛之间建成连岛坝以来，其周边海域环境质量发生了一定程 度变化。一方面连岛坝阻碍了南、北长山岛东西两侧水体的交换，水质质量下降；另一方面， 随着经济的发展，大面积的养殖造成海水富营养化，溶解氧减少，生态平衡遭到破坏。如分 布在庙岛塘周围的各种牡蛎，过去能形成生产能力的资源面积有6 4 6 亩，资源存量1 0 0 0 余吨， 可产鲜牡蛎肉6 5 t ，而目前这种资源丧失殆尽；另据调查，庙岛塘内适宜的环境曾经有大量 刺参在此栖息，其分布密度达每平方米1 2 5 头以上，而现在很少能见到庙岛湾内自然生长的 刺参。连接工程建成四十多年来，由于庙岛塘海域水动力较弱，发生淤积。底质的改变使许 多底栖生物失去了赖以生存的生活环境，这也是生态恶化的原因之一。庙岛塘海域生物资源 ( 特别是渔业资源) 逐渐枯竭，生物多样性正逐渐减少，海洋生态系统遭到破坏，制约了海 洋资源的可持续利用。 近年来许多专家建议拆除连岛坝，增加水体交换，恢复海洋生态环境。2 0 0 2 年，山东省 委、省政府确定了建设南北长山大桥的战略决策，以改善岛上交通状况，整治和恢复海洋生 态环境，促进海岛经济发展，使得连岛坝的拆除成为可能。本文利用水文、气象、水深地形 等资料，结合数值模拟方法，对南、北长山岛周边海域的沉积动力特征进行了研究，同时对 连岛坝拆除后对其附近海域的水文动力、地形地貌的影响进行了分析。研究结果表明，拆除 南、北长岛连岛坝有利于改善其西侧的水动力条件，促进水体的交换，改变庙岛塘内淤积的 现状。 南、北长山岛海域沉积动力特征研究 0 2 泥沙动力研究进展 现代意义的泥沙运动力学的研究应始自1 8 7 9 年，其时d ub o y s 首次提出推移质输沙率 公式【。需要指出的是该公式是从设想出发进行的理论分析，泥沙运动形态相当于层移质， 缺乏实验及实测资料的验证。大规模的泥沙运动力学的研究实现于2 0 世纪。2 0 世纪上半叶 的研究工作是在无统一理论指导下，对一些关键问题分别进行研究，通过不断探索得出了一 些有突破性进展的成果。在此基础上，e i n s t e i n 于1 9 5 0 年提出了第一个泥沙运动力学的理论 体系2 1 ，从而开创了2 0 世纪下半叶百家争鸣的时代。其间不断有新的理论公式提出，系统的 研究工作在统一理论的指导下有序地进行着。 ( 1 ) 理论研究进展 1 ) 推移质运动研究进展 从研究途径来看，大体可分为4 派：建立在统计理论概念上的学派，以e i n s t e i n 为代表； 建立在普通物理学概念上的学派，以b a 朗o l d 为代表【3 】；建立在量纲分析方法上的学派，以 y a l i n 为代表【4 】；建立在经验方法上的学派，以a c k e r s w h i t e 【5 1 为代表。 窦国仁嘲以统计理论为基本出发点，进行推移质运动的研究。拜格诺基于水流功率理论， 他导出了推移质及悬移质的输沙率公式。e n g e l u n d 和h a n s e n 【7 1 在e i n s t e i n 及拜格诺理论的基 础上，做出一定的简化，得出了他们的阻力公式和输沙率公式，许多研究者认为，他们的公 式较为符合实际资料。y a l i n 【8 1 以量纲分析方法为手段，根据功率原理，研究水流输沙的规律。 韩其为何明刚9 1 运用统计理论研究了泥沙输移问题。v 觚i q n 【l o l 遵循拜格诺的理论对推移 质运动进行研究，得出推移质输沙率公式，并据此决定悬移质垂线分布的参考含沙量，从而 求出悬移质输沙率，他的方法近期在欧美受到重视。 2 ) 悬移质运动研究进展 除维利卡诺夫的重力理论之外，各家大体都遵循扩散理论进行研究。维利卡诺夫【1 2 】根据 能量平衡理论提出了悬移质重力理论。虽然许多研究者认为其基本假设需要进一步研究其合 理性，但对推动泥沙理论的发展仍有不可忽视的作用，他提出的水流挟沙力公式的形式，在 我国得到广泛的应用。以张瑞谨谢鉴衡为代表的武汉水院学派【1 3 1 【1 4 j ，基于能量平衡的观点 ( 基本假设不同于维利卡诺夫) 推导出与维利卡诺夫的水流挟沙力形式相同的公式。 制紊假说：在边界条件相同或相似情况下，携带悬移质的浑水流的能量损失小于清水流 2 南、北长山岛海域沉积动力特征研究 的能量损失，一同层浑水流含沙量大的能量损失小于含沙量小的。原因在于，浑水流的紊动结 构和紊动强弱与清水流的不同，前者的紊动强度小于后者，同层浑水流含沙量大的浑水流的 紊动理论强度低于含沙量小的浑水流。根本原因是悬移质在水流中的制紊作用，即近底的较 浓的悬移质含沙量的存在对紊动的形成和发展会起一定的抑制作用，紊源受到抑制，使整个 紊动结构发生变化，紊动强度减弱，阻力损失降低。 ( 2 ) 经验公式及其研究进展 由于泥沙问题的复杂性，目前对泥沙运动的现象还没有彻底的认识。现有的各家理论对 于许多基本问题的认识及处理方法也不尽一致，甚至相差甚远。在2 0 世纪进行了大量的水槽 输沙试验，同时也积累了一些河流的输沙资料。随着计算机技术的发展，在2 0 世纪7 0 年代 开始出现了根据大量实测资料，利用计算机进行回归分析而得出的阻力和输沙率经验公式， 它们不再拘泥于发展新的理论体系。由于大量的试验及天然资料作基础，各种变量覆盖的范 围大，这样得出的一些公式的精度却很高，甚至超出了许多理论公式。其原因在于现有的理 论体系往往不能将所有的泥沙输移的主要过程全部正确地反映出来。 o 3 数值模拟技术研究进展 o 3 1 数值模拟技术发展概况 数值模拟方法是由计算数学、流体力学、泥沙学、潮汐学及波浪理论等综合起来的一门 新兴的交叉学科。它除了具有耗资省、速度快、修改灵活等优点外，还具有其他模拟技术难 以甚至不能达到的解决问题的能力，因而其应用领域日益广泛。随着高速度大容量电子计算 机的出现和河口动力理论的不断完善，采用数学模型研究河口海岸及解决河口海岸工程问题 已经越来越普遍，并逐渐为工程界所信任和采纳。从总体发展而言，海岸水动力数值模拟始 于2 0 世纪6 0 年代，在国内始于2 0 世纪7 0 年代，并于7 0 年代末以后有大量研究成果问世。 水动力数值模拟是海岸工程、水运工程和环境工程中重要的模拟方法，它随着近代电子计算 机和数值计算方法的发展而发展。根据电子计算机在水动力学科中的应用情况，水动力数值 模拟经历了三个发展阶段【1 5 1 ： 第阶段为数值计算阶段。本阶段的特点是利用电子计算机对水力学公式或方程直接求 解，解决了工程技术人员用简单计算工具难以完成的工作，由于操作简单，方法实用，受到 3 南、北长山岛海域沉积动力特征研究 了工程技术人员的欢迎，但它的计算能力有很大的局限性。 第二阶段为数值模拟低级阶段( 单因素模拟) 。其特点为采用离散方法将整个计算水域划 分为若干单元，然后利用各种数值分析方法( 例如有限差分法、有限元法、边界元法等) 在 单元节点上求解描述水力学现象的微分方程。在这阶段中，要研究各种离散方法数值格式的 构成和求解方法；它与原微分方程的相容性；计算过程的稳定性和收敛性等问题，形成了一 门崭新的学科计算水力学。由于上述问题的复杂性，使得水动力数值模拟不易为工程技 术人员和科学工作者掌握，这种水动力数值模拟通常是针对某一水力现象而开发的专业数学 模型，其特点是专用化和一次性使用。 第三阶段为数值模拟高级阶段( 多因素的过程模拟) 。本阶段以实用化、系统化为标志， 使多动力因素影响下的复杂水力现象实现过程模拟，并进一步引入人工智能和专家系统，达 到水动力数值模拟的自动化。在这个阶段，还采用水动力数值模拟与水力模型有机地结合的 复合模型，大大地开拓了模型的应用范围。另外，模拟过程和模拟结果的彩色仿真显示，也 是本阶段数值模拟的重大进展。 o 3 2 潮流、泥沙模型的发展现状 2 0 世纪5 0 年代，海洋数值模拟工作即从欧洲北海开始了，到6 0 年代末至7 0 年代初， 三大洋乃至全球大洋的环流和潮波数值模型陆续建立起来。到了近代，三维的动力学数值模 型技术国际上已发展的较为成熟，比如国际流行的三大模式h a m s o m ，r a n d ，p o m 模型 已经广泛的应用于科研和工程的多个领域。随着计算机运算能力的高速提高，模拟河口海岸 水动力及物质输运的数值模型已经向集成化，大型化，多功能化发展。 潮流数值模拟通过描述潮流运动的控制( 偏微分) 方程，用数值离散求近似解手段来模 拟潮流运动，近岸海域潮流运动的控制方程有两种，即二维模型和三维模型。河口和近岸海 域属宽浅型水域，二维数值模式基本上能够反映出水流的水平运动规律，且在一些工程问题 中收到一定效果。随着海洋经济的发展，海岸、近岸和海洋开发越来越多，从而对水流空间 特征的要求也越来越深入。因此，三维水流模式在一定程度上代表着水流数值模拟的发展方 向。 随着电子计算机和数值计算方法的发展与实际问题的研究需要，目前已出现了各种各样 的数值模拟方法。按差分网格形状分，有三角形、正方形、矩形、四边形、多边型、曲线正 4 南、北长山岛海域沉积动力特征研究 交坐标网格一以及不同尺寸网格的组合等：按空间差分方法有有限差分法( f i n i t ed i 彘r e n c e m e t h o d ) 、有限单元法( f “t ee l e m e n tm e t h o d ) 和有限体积法( f 谕t ev o l 啪em e t i l o d ) 等： 按求解技术法分，有显式法、半隐半显式法、隐式法等。对三维数值模拟，计算方法有垂向 分层二维法、谱方法、流速分解法、坐标变换法、破开算子法、动力压力校正法等。 在着力发展自己的模型的同时，大量学者采用各种模型软件来研究解决海洋水环境问题。 目前国际上广泛应用于海洋、河口模型有：d e l r 3 d ，m i k e ，p o m 和由p o m 发展而来的e c o m 模型等，波浪较为成熟的模型有s w a n ，这些模型在国际上具有建模上的先进性及应用上的 广泛性。 本论文的沉积动力特征研究基于e c o m s e d 模式，这里将做简单介绍。e c o m s e d 模式 是由b l u m b e r g 等人在美国普林斯顿大学的二维海洋模式p o m ( p r i n c e t o no c e a nm o d e l ) 及其后 来发展的河口、陆架和海洋模式e c o m ( e s t u a r i i l ec o a s t a la i l d0 c e a nm o d e l ) 的基础上发展而来 的【1 6 】，是一个较为成熟的集海浪和沉积物输运为一体的浅海三维水动力学模式，其中三维水 动力速度分量、温度、盐度、密度以及代表湍流的两个特征量：湍动能和湍宏观尺度作为预 报变量【1 7 】【18 1 。e c o m 模式采用基于静力和b o u s s i n e s g 近似下的海洋原始方程，矩形网格， 垂向。坐标，变量空间配置心a k 獬限c 格式，自由海表面，二阶半湍流闭合模型求解垂向湍 流粘滞和扩散系数；水平湍流粘滞和扩散系数基于s m a g o r i n s k y 参数化方法【1 9 1 。 图0 1o 坐标系统 5 南、j 匕长山岛海域沉积动力特征研究 完整e c o m s e d 模式包括6 大部分：水动力、粘性月e 粘性泥沙输运、示踪、水质、床 一 一 沙运动、风浪。所有的模块都采用相同的计算网格和计算框架，垂向上采用。坐标见图o 1 。 该坐标系的采用，使模式既可以处理具有复杂的海底地形，又可以提高浅水区的垂直分辨率。 为了计算动量和热量的垂直扩散系数，模式中包括了一个二阶半的湍流闭合子模式，即将动 量和热量的垂直扩散系数认为是湍流动能的函数，从而引入湍流预报方程，包括湍流动能和 湍流宏观尺度两个方程。水动力模块中耦合湍流封闭模块求解垂向粘性和扩散系数。 e c o m 模式从原始纳维斯托克斯方程出发，以自由水位、三方向速度分量、温度、盐度、 密度和代表湍流的两个特征量作为预报变量，对海洋非线性动力过程进行刻画。s e d 模型是 基于沉积动力学的物质输运数值模拟系统，它包含了粘性和非粘性沉积物的输运、沉积及再 悬浮过程，因而可以计算出分层深度内的悬浮泥沙浓度，使得模型模拟的结果更为精确。其 中，对非粘性泥沙的输运、沉积及再悬浮过程采用的是v 觚l n ( 1 9 8 4 ，1 9 9 3 ) 模式，而对于粘 性泥沙的再悬浮、沉降等过程则是采用n e ( 1 9 6 2 ) 和g a i l a n i 等( 1 9 9 1 ) 等学者的研究成 果。 波浪是海岸河口地区一类重要的物理现象和主要的水动力因素之一。波浪在由外海向岸 边的传播过程中，由于受到复杂地形、障碍物和水流等因素的影响，将发生浅化、折射、绕 射、反射、底摩擦能量耗散及破碎等一系列复杂的现象。对于海岸工程实际问题来说准确确 定波浪传播变形的波浪场是至关重要的。波浪的数学模型主要分为两个研究方向f 2 0 1 ，第二是 建立描述波浪变形的控制方程，第二是数值求解波浪变形的控制方程。时至今日，已有大量 的研究成果问世f 2 l 】【2 2 1 。 一个方向是使用海浪场的能量平衡方程对海浪场的能谱发展进行数值模拟和预报，这也 就是我们熟知的能谱海浪场预报模式。目前在国际上具有代表性的能谱海浪模式包括w a m 、 w a v e w a t c h 和s w a n 等。这些模式能够精确而高效的对大范围海浪场进行数值模拟。 另一个方向是对海浪场进行动力学数值模拟，即根据水波的动量方程和边界条件对中小 尺度的海浪场进行实时模拟，此类较常用的模拟方法包括缓坡方程模式、b o s s i n e q s 【2 3 】例方程 模式以及数值波浪水槽模式等。 上述两个研究方向是相辅相成的。能谱海浪模式所做的大洋尺度的海浪场模拟是动力学 海浪模式所无法企及的，因为动力学模式所需的计算量太大无法模拟大范围的海浪场；而动 力学模式的优点在于其精确性。例如，它能够模拟海浪的绕射、变形甚至翻卷等重要的海浪 6 南、北长山岛海域沉积动力特征研究 现象。 o 3 3 泥沙动力数值模拟发展展望 目前国内外学者对于泥沙动力数学模型的研究虽已取得了丰硕的成果，但是应该看到， 仍有许多问题有待解决。就目前而言，泥沙动力数值模拟主要在以下方面有待于进一步的发 展。 ( 1 ) 开发基于并行计算的高效率高精度的水沙模型：过去由于受计算机技术的制约，在 实际问题的应用中，只能对方程进行大量简化，得到一些线形或拟线性方程，然后求得其数 值解，但实际的流动问题大都是复杂的强非线形问题。随着计算机技术的迅速发展，人们试 图在某些问题上放弃假设，直接求解和探索流动机理问题，如抛开基于统计理论的湍流简化 模型直接模拟湍流问题，在这些问题中，网格数目异常惊人( 达1 0 9 量级) ，因此，开发大规模 高效率的并行算法成为必要。在我国，张理论、宋君强、郭照立、王能超等对并行算法进行 了一系列探讨，并应用到实际工程当中。目前，我国己建立了多个“国家高性能计算中心”， 如上海超算中心( s s c ) 等，随着计算机业的不断发展，并行算法也将得到长足的进步。 ( 2 ) 数值模拟的可视化：数值模拟可视化就是利用计算机的图像处理技术，将数值模拟 结果在输出终端上显示出来，使计算结果明显、直观、生动。数值模拟技术与c a d 、g i s 等 技术相结合是水沙模型发展的个重要趋势，g i s 的发展使潮流模拟的可视化大为加强，使 网格能够在g i s 上直接生成，计算结果能够通过g i s 直接在海图上展现。结合g i s ，m c c a l l 建立了用于海洋g i s 的线性参照系统；g o l d 以对偶d e l a u n a y 三角剖分为基础，建立了三维 海岸海洋数字地形模型：国内学者马劲松、朱大奎、董壮、陆永军及李孟国、蔡东明等在潮 流数值模拟可视化与虚拟地理环境等方面也作了许多卓有成效的研究和探索。数值模拟的可 视化与虚拟现实在数值模拟中的应用日益受到重视。 ( 3 ) 数值模拟的软件化：将水动力数值模拟的全过程设计成软件包或程序包，辅以良好 的前、后处理，降低技术门槛，将使其通用性大大加强。软件包一般由前处理、后处理工具 及解算器等几部分构成，通过图形界面操作，可大大减轻工作量。近年来，商业化的软件包 逐步出现，如美国陆军工程兵团水道实验站的s w m 、荷兰d e l j f t 水利研究所的t s u l a 和 d e l w a q ，此外，一些通用c f d 软件，诸如f l u e n t 、s t a r c d 、c f x 等，也可用来进行 水动力数值模拟，例如可用f l u e n t 来模拟溃坝水体流动等情况。国内在河口与海岸数学模 7 南、北长山岛海域沉积动力特征研究 型开发与应用方面也积累了许多经验，开发了一些颇具特色的模型，但在数学模型的集成化 一一 程度及通用软件包的研制方面尚落后于国外水平。 0 4 本文的主要工作 本文主要依托山东长岛县南北长山大桥工程、长岛中心渔港填海工程海洋环境影响评价 和海域使用论证项目。根据南、北长山岛附近海域沉积物粒度、水深测量、潮流、潮位等实 测资料；采用e c o m s e d 和s w a n 数值模型，模拟分析了南、北长山岛海域的潮流、波浪 以及海底冲淤状况。考虑到连岛连岛坝即将拆除，本文对南、北长山岛连岛坝拆除后的影响 进行了模拟预测。主要研究内容包括： ( 1 ) 模拟了南、北长山岛海域的现状潮流场，并根据潮流、潮位观测资料对模拟结果进 行了验证，分析了其周边海域的潮流场； ( 2 ) 模拟了研究区的现状波浪场，验证并分析了其周边海域的波浪场； ( 3 ) 在( 1 ) 和( 2 ) 的基础上，模拟分析了南、北长山岛海域的冲淤变化趋势。 ( 4 ) 对连岛坝拆除后南、北长山岛海域的潮流场、波浪场、冲淤变化进行了模拟分析， 对比分析说明连岛坝拆除对长岛海域的沉积动力的影响 8 南、北长m 岛海域沉机动力特征研究 l 研究区概况 1 1 地理位置 k 岛县是山东省唯一的海岛县，主要由南长山岛、北妊山岛、太黑山岛、小黑i i i 岛及庙 岛等系列岛屿组成，隶属于烟台市，地处胶东半岛和辽东半岛之间。地理坐标为北纬3 7 。 5 47 3 8 。2 东经1 2 0 。3 l 1 2 0 。4 9 ，南与蓬莱隔海相望距离为7 k m ：北与大连 遥遥相对距大连老铁山约4 2 h n 。地处渤海、黄海的分界线东临黄海，西靠渤海。具体 位置见图卜2 。 图1 2 长岛地理位嚣图 南、北长ij i 岛海域沉积动力特征研究 1 2 地质地貌 ( 1 ) 地质构造 长岛岛陆大地构造位置，属于新华夏系第二隆起带，次级构造为胶辽隆起区乜6 | 。主要断 层为蓬莱一一威海断层乜别，该断层是渤海一一威海断层带的一部分，断层呈北西走向，切过 芝罘岛北缘，向西北直达长山岛与蓬莱之间海底，主体在长岛至大竹岛之间的海域。其运动 性质为左旋走滑兼正断层。沿蓬莱一一威海断层历史上曾发生过多次5 级以上地震。综合分析 表明，蓬莱一一威海断层是一条第四纪晚期活动断层。 ( 2 ) 地貌 以剥蚀山丘和海岸地貌为主要特征，丘陵和山脉多与地层走向一致( 南、北长山岛尤为 明显) 。岛陆起伏较大，基岩裸露，最高岛海拨2 0 2 8 m ，最低岛仅1 7 o m 。石英岩抗风化组成 山脊，板岩风化为谷，近海微地貌极为发育。 诸岛山势多为平顶山和半劈山，山体坡度一般在1 0 0 4 0 0 。除南长山、北长山、大黑山、 砣矶、大钦和北隍城等岛有多山夹谷和局部小块平地外，多数岛屿为露海孤山。 诸岛海岸多为基岩海岸。其中，南隍城、大钦、高山、猴矶、车由和大黑山岛的基岩海 岸占其海岸线总长的5 0 以上，并多系峭壁岩滩。由于基岩岩性和产状不同，形成形态多姿 的海蚀岩、海蚀和奇礁异石，在南长山、小钦、螳螂、小黑山和挡浪岛的南端，均有沙嘴。 在大黑山岛和南砣子岛之间，庙岛和羊砣子岛、牛砣子岛之间，南、北长山岛之间，均有连 岛沙坝。在大竹山、南隍城、小黑山等岛的港湾处有沙堤堆积，形成现代泻湖。 ( 3 ) 地层岩性 研究区域地层较简单。覆盖层厚1 7 3 7 m 。主要为第四纪填筑土、卵石土、软硬塑粘性 土、第三纪坡残积土。场区基岩为震旦纪受轻微变质作用的青灰色板岩及淡黄色、青灰色石 英岩，原岩分别为石英砂岩及砂质泥岩，各地层特征自上而下描述如下： l 填筑土：浅灰、灰白等色，松散，潮湿，成分主要为片石、卵石及砂土；卵石、片石 直径2 1 5 c m ，含量占4 0 左右。 ：卵石土：灰黄色，饱和，中密，卵石直径多为2 6 c m ，少量在6 c m 以上；卵石成分 为石英岩。 。粘土：灰色，软塑，土质较均匀，局部含少量贝壳碎片。 。粘土：灰黄色，硬塑状，局部含较多含直径2 8 c m 卵石、碎石，土质均匀。 1 0 南、北长山岛海域沉积动力特征研究 。亚粘土j ? 灰黄色，硬塑状，局部含较多含直径2 8 c m 卵石、碎石，土质均匀。 表卜1 各层土的物理力学指标统计表 直剪 压缩压缩 天然 天然 液 系数模量 自然 重型 粘 抗压 标贯击 动探 岩土岩土 含水 孔隙 性塑性 内摩 聚 qo 1 强度 量指指数 e s o 1数n ( 击n 6 3 5 ( 编号名称比擦角 力- o 2 ( f o c 3 0 c m ) 击 c i ) 数 i p 0 2 ( ( m p a e 由c ( c c ( 1 n 皿 ，l o c m ) ( ) i lm p a ) ) 度) 1 ( p aa ) ) 填筑 l 8 6 土 2卵石土 1 2 4 粘土 3 6 6o 9 4 9o 7 71 7 ol o 7 1 7 2 o 5 3 64 2 6 4 3 l 粘土2 4 3o 6 4 lo 0 21 8 72 6 75 8 4o 1 6 71 0 7 51 7 1 2亚粘土 2 3 io 6 0 60 0 91 0 62 6 24 8 6o 1 7 69 5 l1 5 o 粘土 2 4 0 2 粘土 2 1 7 o 6 7 2 o 1 91 7 o2 0 94 5 oo 2 6 l7 0 92 8 o 微风化 1 w 1 2 4 5 板岩 微风化 2 w 1 1 2 5 6 石英岩 l 粘土：紫红色，硬塑状，局部含较多直径2 8 c m 的卵石、碎石，土质较均匀。 2 含砾粘土：紫红色，硬塑状，含2 5 4 0 直径2 8 c m 的卵石、碎石，土质不均匀。 1 w 3 强风化板岩：青灰色，岩体风化严重，呈半坚硬粘性土状。 1 w 2 弱风化板岩：青灰色，变余泥质结构，层状构造，岩体沿裂隙风化严重，芯样呈短 柱状及碎块状，岩质软。 1w 1 微风化板岩：青灰色，变余泥质结构，层状构造，高倾角裂隙发育，岩芯样呈1 0 2 0 厘米不规则短柱状，岩质较软。 2 w 2 弱风化石英岩：青灰、灰白等色，变余碎屑结构，块状构造，裂隙极发育，受构造 及风化作用影响，岩体破碎，岩样为3 6 c m 碎块状，岩块质地坚硬。 。w 1 微风化石英岩：青灰、灰白等色，变余碎屑结构，块状构造，裂隙极发育，岩体破 碎，岩样为5 1 5 c m 碎块状，岩块质地坚硬。 各层土的物理力学性质指标见表卜l 。 南、北长山岛海域沉积动力特征研究 1 3 水文条件 ( 1 ) 潮汐 本海区潮汐为正规半日潮，潮高地理分布北部较南部高。8 月份平均高潮钦岛为1 8 2 c m ， 砣矶岛为2 1 2 c m ，南长山岛为1 4 3 c m ；潮差的分布也是北部大，南部小，大钦岛平均潮差为 1 1 1 c m ，砣矶岛为1 2 4 c m ，长山岛为1 1 9 c m ，平均高潮间隙，砣矶为l o 时1 0 分，长山岛为1 0 时 4 分。平均低潮间隙，砣矶为4 时6 分，长山岛为3 时5 3 分，大潮升砣矶为1 6 3 c m ，长山岛为1 6 1 c m ；