许婷，韩志远，温春鹏（.交通运输部天津水运工程科学研究所，工程泥沙交通行业重点实验室，天津　300456；2.天津大学环境科学与工程学院，天津　300072）

秦皇岛西港水体交换数值模拟研究

许婷1，2，韩志远1，温春鹏1
（1.交通运输部天津水运工程科学研究所，工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456；2.天津大学环境科学与工程学院，天津300072）

摘要：结合秦皇岛海域最新水动力条件，依据现场水文测验资料，以溶解态的保守物质作为港内示踪剂，建立对流-扩散的海水交换数学模型。通过模拟对流-扩散过程研究秦皇岛西港区水体交换现状，结果表明，秦皇岛西港区水体交换能力平面分布极不均匀，距离口门越近潮流进出越通畅，水体交换能力相应越强，反之则越弱。连续潮作用30 d后，西港各区域水体交换率30%～95%不等，不同区域水交换率差异显著。若将西港作为整体考虑，连续潮作用30 d后平均交换率约为78%，造成西港水域区域性水交换率差异较大的原因是西港水交换控制机制的区域性差异较大。

关键词：秦皇岛西港；潮流；对流-扩散；水体交换；浓度示踪

1　问题的提出

秦皇岛西港是一座具有百年历史的港口，是我国最早的开埠口岸之一。它始建于19世纪初，是我国近代早期的货运码头，也是秦皇岛市“立港建市”的历史发源地。目前，它是世界上年吞吐量最大的煤炭输出码头之一。随着近年来秦皇岛港沿岸的进一步开发，日益迫切的港内水域环境保护需要了解发生在工程海域系统中许多生物过程和化学过程的物理背景，港内水体交换能力的了解对于港内水质和生态环境的研究都具有重要意义。

目前国内外对秦皇岛西港水体交换能力的研究鲜见报道，有必要基于目前最新的边界条件，对秦皇岛西港水体交换强度和港内海水自我净化能力进行重新认识。

近岸海域水体交换研究中，数学模型是目前最常用的研究手段，国内外学者相继开发了箱式模型、质点追踪模型、对流扩散模型和CART等多种不同的数学模型。例如：胡建宇运用箱式模型对罗源湾的海水半交换期进行了计算[1]。Thompson等在质点追踪模型的基础上考虑了紊流扩散的作用，从而描述流场的非均匀特性[2]。罗锋等采用EFDC对流扩散模式对乐清湾水交换进行研究，得到了乐清湾水交换的三维过程及水交换的时空变换特征[3]。Hong等应用CART模型对Baltimore港进行了研究[4]。

本文结合秦皇岛海域最新水动力环境，通过以溶解态的保守物质作为港内示踪剂，建立对流-扩散型的水交换数学模型，通过模拟对流-扩散过程研究秦皇岛西港水体交换能力。

2　秦皇岛海域地形特点与水动力环境

2.1秦皇岛海域地形特点

秦皇岛海域岸线受金山咀、秦皇岛角、老龙头和环海寺地咀等基岩岬角控制，整体呈ENE—WSW向，仅金山咀至汤河口岸线呈NNE—S向。沿岸潮间带内主要为砂质沉积物，海岸性质为岬湾沙质海岸。2011年2—3月，根据研究需要，组织了一次大规模水文测验，在秦皇岛海域布设了2个临时潮位站，同时布设了9条水文垂线，于大、小潮期间，各连续27 h测量流速、流向、含沙量、水温、盐度，为掌握秦皇岛海域潮汐潮流特性提供了可靠的数据。秦皇岛海域形势及观测点布置见图1。

图1　秦皇岛海域形势和观测点布置图Fig.1　Sketch of topography and station locations in Qinhuangdao sea area

2.2潮汐特性

研究海域受以秦皇岛附近为中心的旋转潮波控制，靠近半日潮无潮点。据2011年2—3月工程区附近潮位观测资料做调和分析[5]，潮性系数（HK1+HO1）/HM2均大于4，说明该海域属规则日潮区。但其实测HK1值介于0.27耀0.30 m之间，小于辽东湾北部半日潮海区葫芦岛附近HK1值（0.37 m），因此该半日潮是入射波与反射波叠加的结果，决定了本海域日潮潮汐和半日潮流的异常特征。由于本海域靠近无潮点，整体潮差较小。据2011年2—3月实测潮位资料统计结果显示，金山咀和西港区站的潮差均较小，最大潮差分别为1.4 m和1.49 m，平均潮差均为0.73 m。大潮期间各站均表现为明显的一涨一落日潮特征，小潮时半日潮特征明显增强。

2.3潮流特性

秦皇岛海域潮流属非正规半日浅海潮流，潮流基本呈顺岸往复流运动，涨潮流向基本为WSW向，落潮流向基本为ENE向，主流向与岸线或等深线基本平行。根据2011年2—3月工程区附近海域9条水文垂线观测分析结果，各垂线流速整体较小，涨、落潮差异较小，且大、小潮差异也不很明显。各垂线涨潮平均流速介于0.05耀0.17 m/s之间，涨潮最大流速介于0.14耀0.34 m/s之间，落潮平均流速介于0.03耀0.19 m/s之间，落潮最大流速介于0.10耀0.27 m/s之间。在平面分布上，汤河口附近的V7站及靠近岸边V1站的水深最小，其流速也最小，两站涨、落潮平均流速均小于0.10 m/s，涨、落潮最大流速均小于0.20 m/s；其余各垂线离岸距离较远水深也较大，涨、落潮平均流速均大于0.10 m/s，涨、落潮最大流速基本都大于0.20 m/s。各垂线流速在垂线分布上变化不大，呈表层流速大、底部小的变化特征。涨潮流速表、底层平均比值在1.38左右，落潮流速表、底层平均比值在1.25左右。各垂线涨、落潮流平均历时分别为5 h 59 min和6 h 13 min，大潮分别为6 h 和6 h 16 min；小潮分别为5 h 59 min和6 h 07 min。

3　二维潮流及对流扩散模型的建立

潮流计算采用Mike系列软件中的三角形网格水动力模块（FM模块）。该软件由丹麦水工所开发，可以应用于海洋、海岸、河口区域的二、三维水动力计算。FM模块采用三角形网格，在处理潮流动边界、复杂工程建筑物边界等方面具有强大的功能，在国内外许多工程项目研究中得到了广泛应用。

在控制方程的求解过程中使用有限体积法进行离散，采用三角形网格；时间积分采用显式欧拉格式；在计算中采用干湿网格方法对浅滩进行考虑[6]。

对水体交换程度的模拟采用示踪剂法，即在水域内部设置溶解态无降解守恒物质，并考察其在潮流动力作用下的浓度扩散情况。示踪剂输运采用基于欧拉物质输运的对流扩散方程形式[7]。

3.1潮位和潮流的验证

根据2011年2—3月的水文测验资料进行验证，由实测与计算结果的比较可见，测站的计算与实测潮位、流速、流向在连续的变化过程中都比较接近[5]，验证结果符合交通运输部《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》的要求，模型验证是成功的，可用于秦皇岛西港水体交换计算。

3.2港池内网格独立性验证

对于瞬态数值模拟，需要确定计算所用的网格数量与计算获得的结果之间无关联性，也就是要进行网格独立性（无关性）验证。本文比较关注的是溶解态保守物质示踪剂对流扩散现象，而对流扩散现象与示踪剂浓度密切相关，因此取港池内示踪剂浓度变化进行网格独立性验证。在港内选取3个点，距离口门分别为800 m、1 400 m、2 100 m（具体位置如图1所示），然后比较其不同网格数下（网格数23 407、28 964、34 759、39 623）港内水体交换15 d后3个代表点A点、B点、C点的示踪剂浓度值。

从图2可以看出，当网格数从23 407增至39 623时，随着网格数的增加，3个代表点的浓度值变化很小，说明模型网格数量对计算结果影响很小，可认为2万的网格数量已经达到与网格数无关了，因此选取23 407的网格数量作为最终计算网格数，以提高计算效率。

图2　网格无关性验证结果图Fig.2　Verification of grid independent

3.3流场特征

由上述的潮流特性分析可见，秦皇岛海域天然水流动力较弱。加之秦皇岛海域顺岸往复流运动特征，水流运动方向与西港口门平行，港内水体与外海之间更不易经由口门进行充分交换。秦皇岛海域涨急流场分布见图3。

4　浓度示踪剂方法研究水体交换

目前对水体交换常用的数值模拟手段是基于欧拉法的示踪剂浓度统计，其原理为在研究水域内设置溶解性的守恒物质，该物质将随水体携带，且无降解。因此，守恒物质的对流与扩散直接反映了水体的运动形式。

图3　秦皇岛海域涨急流场分布图Fig.3　Flow field at flood and ebb fast tide

基于以上考虑，本研究于秦皇岛西港区内布置初始浓度为1的守恒性物质，其余以外水域物质浓度设置为0。为充分了解各工程方案实施后的水体交换情况，本次模拟时段采用连续潮作用半个月。由于采用守恒物质，衰减系数取F=0，点源浓度设置S=0。物质扩散系数取为与水流紊动黏性系数相等，即滓T=1.0。经一定的时间过程后，自港内扩散至港外的物质总量占港内初始物质总量的百分比即为水体交换率，统计计算表达式见式（1）。

式中：EX为水体交换率；C为物质浓度；D为总水深；i为统计域内的节点编号；N为统计域内的节点总数；j为时刻编号。

为方便分析，将秦皇岛西港区内水域分为若干区域，并对各区域水体交换情况分别进行了统计。图4示意了秦皇岛西港区内水体交换率统计区域具体划分，表1给出了西港区内水体交换率分区统计结果，图5给出了秦皇岛西港区内水体交换30 d后示踪物质浓度。

图4　秦皇岛西港区内水体交换率统计区域划分Fig.4　Regional division of the water exchange rate in theQinhuangdao West Port area

表1　秦皇岛西港区内水体交换率分区统计Table 1　Divisional statistics on the water exchange rate inthe Qinhuangdao West Port area

图5　秦皇岛西港区内水交换30 d后示踪物质浓度Fig.5　Tracer concentration after water exchange in 30 days in the Qinhuangdao West Port area

总体来说，秦皇岛西港区内水体交换能力平面分布极不均匀，距离口门越近潮流进出越通畅，水体交换能力相应越强，反之则越弱；位于西港区口门处的G区水体交换能力最强，1 d后水体交换率即可达到80%以上，水体交换30 d后，交换率为95%；靠近口门附近的H区、I区水体交换能力其次，1 d后水体交换率近50%以上，水体交换30 d后，交换率分别为94%和93%；西港区内的A区、C区、D区、F区水体交换15 d后，交换率分别为82%、83%、83%、84%；西港区内的E区、J区水体交换30 d后，交换率分别为77%和54%；西港区内的B区水体交换能力比较弱，水体交换30 d后，交换率仅30%；若将整个秦皇岛西港区内的水域作为一个整体考虑，连续潮作用30 d后平均交换率约为78%。

从统计结果可知，秦皇岛西港不同区域水交换能力差异较大，其原因是西港水交换控制机制的区域性变化较大。秦皇岛西港内示踪物质仅能通过口门这个唯一通道被口门以外的新鲜海水置换出去。外海天然流场呈顺岸往复流运动特征，与口门平行，不利于港内水体与外海新鲜海水的交换，其中靠近口门附近的港内水域由于与外海直接连通，外海顺岸的往复流经由口门前沿时会直接灌入，产生水体交换，并会在口门附近形成一定的回流区，而靠近港内侧水域的水体交换仅能靠口门处辐散进来的新鲜水体进行置换，由于港内流速极低，小于0.05 m/s，因此水体交换速率缓慢。靠口门越近的区域，示踪物质越容易被外界的落潮流带出港外，与外界海水混合的机率越大，水交换速率越快，水交换能力越强，而越靠港内侧的区域，其示踪物质运移到口门的行程越长，加之越靠港内侧水动力强度越弱，示踪物质在随潮流的往复运动中纵向混合无法充分开展，潮混合能力较口门附近处水域小得多。因此，越靠港内侧，与港外新鲜海水掺混的机率越小，水交换速率越慢，水交换能力越差。

据秦皇岛海洋站多年风资料统计结果，工程区附近常风向为W向，出现频率约为10.37%，其次为WSW向，出现频率约为9.39%。强风向为ENE向，出现频率约为7.31%。1耀3级风出现频率为80.69%，4耀5级风的出现频率为17.74%，大于6级风出现频率仅为1.64%。可见，秦皇岛西港区所在海域1 a内80%以上天数为1耀3级风，风力很小，而秦皇岛西港天然水深超过-10 m，水深较深，不易形成风生流现象，因此，可以忽略风生流现象对秦皇岛西港水体交换的影响。

5　结语

本文首先分析了秦皇岛海域最新水动力条件，然后基于最新实测资料对潮位和潮流进行验证，最后建立秦皇岛海域潮波运动及可溶性物质的对流-扩散数学模型，对秦皇岛西港区水体交换现状开展数值模拟研究，主要结论有：

1）秦皇岛海域属岬湾相间的沙质海岸，基本呈ENE—WSW走向，近岸水下地形坡度较陡，西港海域靠近半日潮无潮点，潮差较小，潮流动力较弱，属半日潮流，总体呈顺岸往复运动。

2）秦皇岛西港区水体交换能力平面分布极不均匀，距离口门越近潮流进出越通畅，水体交换能力相应越强，反之则越弱。连续潮作用30 d后，西港各区域水体交换率30%～95%不等，不同区域水交换率差异显著。若将西港作为整体考虑，连续潮作用30 d后平均交换率约为78%。

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E-mail：xuting1228@163.com

中图分类号：U652.3；P731.2

文献标志码：A

文章编号：2095-7874（2016）01-0010-05

doi：10.7640/zggwjs201601003

收稿日期：2015-08-05

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51209111）；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目（Tks150210）

作者简介：许婷（1985— ），女，山东菏泽市人，博士研究生，助理研究员，主要从事海岸河口水动力泥沙及水环境数值模拟研究。

Numerical simulation of water exchange capability in Qinhuangdao West Port

XU Ting1,2,HAN Zhi-yuan1,WEN Chun-peng1
（1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,M.O.T.,Key Laboratory of Engineering Sediment of Ministry of Communications,Tianjin 300456,China;2.School ofEnvironmental Science&Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072）

Abstract：By combining the latest hydrodynamic conditions of sea areas in Qinhuangdao,and based on the observed hydrological data,with dissolved conservative material as a tracer in harbor,we set up a seawater exchange mathematical model of convection-diffusion.A research was made onto the current exchange situation of water resources in Qinhuangdao West Port through the simulation of the convection-diffusion process.The results show that the horizontal distribution is extremely uneven for the exchange capacity of water resources in Qinhuangdao West Port.Closer distance from the entrance and more unobstructed inlet&out of tide will result in stronger exchange capacity of water resources.Conversely,the exchange capacity is weaker.After the tide action for 30 consecutive days,the exchange rate of water varies from 30%～95%in various areas in West Port.The exchange rate has significant difference in different areas.If West Port is considered as a whole,the average exchange rate is approximately 78%after the tide action for 30 consecutive days.The reason for relatively great difference in regional exchange rate in West Port is comparatively large regional difference in the exchange control mechanism in West Port.

Key words：Qinhuangdao West Port;current;convection-diffusion;water exchange;concentration tracer