摘 要：

基于非结构化网格FVCOM海洋数值模式，开边界以8大主要分潮调和常数作为驱动，建立了海州湾三维水动力数值模型。利用潮位潮流资料对流场进行了验证，计算了海州湾纳潮量。在水动力模型基础上耦合对流扩散模型，分别对海州湾的欧拉余流场、保守物质浓度分布特征、半交换周期以及滞留时间空间分布特征进行了研究。结果表明：海州湾整体欧拉余流较弱，表现为沿岸大、湾内小，并且存在余流涡旋。在大、中和小潮时期，纳潮量分别为3.8×109 m3、3.0×109 m3、1.9×109 m3;整体半交换周期为72 d,离湾口越近，水交换能力越强。相同距离下，岚山区水交换能力最强，连云区次之，赣榆区最差。在对海州湾开发利用过程中，应结合纳潮量、半交换周期以及滞留时间分布，合理排污，充分利用海洋的自净能力。

关键词：海州湾;FVCOM;纳潮量;半交换周期;滞留时间;

作者简介：张鹏(1995—),男，硕士研究生，研究方向物理海洋学。E-mail:zhangpeng598800@sina.com;*张瑞瑾(1975—),女，副教授，博士，主要从事物理海洋和流体力学教学与科研工作。E-mail:ruijinz@dlou.edu.cn;

基金：国家重点研发计划项目(2019YFC1407700);国家自然科学基金资助项目(32302232);设施渔业教育部重点实验室项目(2021-MOEKLECA-KF-06);山东省重点研发计划项目(2019JZZY020713);

引用：张鹏, 张瑞瑾, 黄靖茗, 等. 基于 FVCOM 模型的海州湾纳潮量和水交换能力研究[J]. 水利水电技术(中英文), 2021, 52(7): 143- 151. ZHANG Peng, ZHANG Ruijin, HUANG Jingming, et al. FVCOM Model-based study on tidal prism and water exchange capacity of Haizhou Bay [J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2021, 52(7): 143- 151.

0 引 言

海州湾(见图1)位于江苏省东北端，是南黄海最西面的开敞海湾，南始于高公岛，北至日照市佛手咀，西面连接陆地，东面接邻黄海，岸线长度86 km, 面积约876 km2,是我国重要的紫菜和海珍品养殖基地，具有非常大的资源开发和生态环境价值。近年来，由于养殖面积的不断扩大、围填海和人类活动的影响等，导致海湾生态环境压力日益增大。研究海湾水文特征对于保护海湾水环境和利用其本身的自净循环能力有重要意义，其中纳潮量和水交换能力是研究海湾水交换速率和污染物在海水中输移扩散的重要依据。目前，关于纳潮量的计算已经有很多研究成果。张坤利用MIKE21 FM模型对钦州湾潮流进行了模拟，计算了钦州湾大小潮的纳潮量，得出在有无径流的情况下的半交换周期；乔贯宇利用ADCP湾口走航测流数据，通过POM模式模拟胶州湾纳潮量；王雪等根据FVCOM模式的模拟结果和实测资料，采用两种方法计算了胶州湾平均纳潮量。关于水交换能力的研究主要有三种方法：第一，箱式模型。主要计算海水平均交换时间，也是最早用于研究水交换能力的方法。许苏清等利用ADI模型对浔江湾水交换能力和水动力特征进行了研究。第二，拉格朗日跟踪法。褚芹芹等采用FVCOM模型，模拟了秦皇岛近岸7个河口保守污染物在风和潮流作用下的粒子漂移轨迹；贡冠群建立了三维水动力模型，采用水质点拉格朗日跟踪运动的方法和箱式模型方法，计算了净交换率和交换时间。第三，对流-扩散模型。主要是建立对流扩散模型，并在研究区域加入保守物质来模拟交换能力。董礼先等采用对流-扩散模型对象山港半交换时间和平均滞留时间进行了研究；王兴刚等也采用对流-扩散方法对连云港半交换时间和平均滞留时间进行了研究。

为了对海州湾纳潮量和水交换能力有一个全面的认识，本文基于FVCOM水动力模型，叠加DYE模块，选取纳潮量、半交换周期和滞留时间为评价指标，开展对海州湾纳潮量和水交换能力的研究，以期为海州湾合理开发、科学管理和合理利用等提供支持。

1 模型和方法1.1 模型简介

FVCOM模式是基于有限体积法、自由表面、三维原始方程的海洋数值模式。在垂向上采用σ坐标系，该坐标系可以更好的拟合复杂的海底地形；在水平方向上采用非结构化网格，该网格可以更好的拟合复杂的岸线，该模型被广泛应用于近岸和区域海洋模拟中，取得了良好的模拟效果。

1.2 模型配置

模型计算区域为119.18°—120.27°E,34.4°—35.78°N,水深数据来自海图，模型计算使用平均海平面作为基准面，并采用球面坐标系，在海州湾附近岸线及岛屿进行网格加密。整个计算区域由28 755个网格和14 843个网格节点组成。开边界处分辨率为0.03°,近岸分辨率为0.005°。垂向上采用σ坐标，共分为7层。为了保证CFL稳定条件，将外模时间步长设置成1 s, 内模时间步长设置成10 s。模型启用干湿淹没网格判定，将最小水深设为0.05 m。模型采用冷启动，水平湍动涡粘系数采用smagorinsky参数化湍封闭模型计算，本模型取为常数值0.2;垂向湍动涡粘系数采用Mellor-Yamada2.5阶湍流闭合模型计算，本模型取为常数值0.000 1。底摩擦系数按下式给出

开边界使用OTPS预报的8大分潮调和常数驱动，模拟时间为110 d。具体网格和水深地形如图2所示。

1.3 模型验证

采用实测潮流、潮位数据对数值模型进行验证。此次观测在大潮期间进行，观测时间为2019年9月29日—2019年9月30日。共布设了6个潮流定点观测站点和2个潮位站，站位位置如图3所示。

1.3.1 潮位验证

图4为潮位验证结果，从图中可以看出，两个站位模拟值和实测值潮汐周期变化和潮位振幅一致，为了进一步评估模型模拟结果的可靠性，使用均方根误差(RMS)[12]公式和Skill[13]公式来分析潮位数据

Skill值越接近1,模拟值与实测值越接近，反之越接近0差异越大。表1是均方根误差(RMS)和Skill值计算结果，从表中可知岚山港和连云港的计算值和模拟值的均方根误差均小于0.24,Skill值0.98,说明模型潮位的计算结果与实际值吻合良好，模型可以较好的模拟潮位过程。

表1 潮位验证结果

Table 1 Tide level verification results

站 位

RMS

Skill

岚山港

0.24

0.98

连云港

0.22

0.98

1.3.2 潮流验证

采用6个潮流实测站位流速资料对模拟结果进行验证，其中，图5为表层流速的验证结果，表2为各点流速均方根误差结果。由图表可知，模拟值和实测值基本吻合，涨落潮转向时刻基本相同，A1—A6流速均方根误差均小于0.14,表明模拟结果与实测结果吻合良好，数值模型可以用来模拟该海区的潮流场。

1.3.3 潮流场

图6和图7为海州湾涨急时刻和落急时刻流场分布，由图可知，海州湾潮流流向呈现东北—西南向的往复流。涨潮时，海州湾湾外潮流流向由北向南，但受西侧地形影响呈西南向，平均流速为0.50 m/s; 落潮时，海州湾海域流向与涨潮时相反，平均流速为0.41 m/s, 涨潮平均流速略大于落潮平均流速，海州湾流速最大区域位于北部岚山港附近沿岸海域，涨落潮最大流速分别1.21 m/s和0.93 m/s。

表2 各点流速均方根误差

Table 2 Root mean square error of flow velocity at each point

点 位

RMS

A1

0.14

A2

0.09

A3

0.10

A4

0.06

A5

0.05

A6

0.10

2 结果与讨论2.1 欧拉余流

保守物质的扩散主要受到潮余流的影响，因此分析本海区潮余流大小和分布情况对于分析保守物质的扩散有着重要意义。欧拉余流是指海域内某一空间水质点在一个潮周期后潮流速度的平均值，表示某一空间水质点周期平均后的位置变化，主要是由底摩擦效应和地形引起，虽然在量级上比潮流要小，但对于物质运输起到关键作用，本文取25 h稳定后的结果进行分析，得到海州湾表中底三层欧拉余流场，计算公式为

海州湾属于正规半日潮海区，M2分潮占主导地位，因此本文计算M2分潮下欧拉余流场分布情况(见图8)。海州湾整体欧拉余流较弱，平均流速大小为5 cm/s, 且欧拉余流流速大小分布与潮流流速大小分布相似，在沿岸和湾口区域流速较大而在湾内流速较小；并且在海州湾岚山港和连云港之间海域，还存在一个较大的逆时针余流涡旋，这也是海州湾最为主要的余流涡旋。

2.2 纳潮量

纳潮量是一个海湾环境评价的重要指标，纳潮量的大小反应了海湾的自净能力，决定海湾与外海的交换强度。通常情况下，纳潮量是指平均潮差条件下海湾可能接纳的潮水量，计算公式为

由上述公式计算得出的纳潮量误差较大，与实际存在一些偏差，为精确计算，杨世伦等对该公式进行了改进，将纳潮量概念应用到每一个网格单元上，具体公式为

表3给出了海州湾大、中和小潮纳潮量变化，其中在计算大、中和小潮时，均取当月的最大、最小和中间时刻进行计算，由表可知，海州湾在大潮时期的纳潮量比中潮时期大0.8×109 m3,为小潮时期2倍。

表3 海州湾纳潮量

Table 3 Tide tidal prism in Haizhou Bay

大潮纳潮量/m3

中潮纳潮量/m3

小潮纳潮量/m3

3.8×109

3.0×109

1.9×109

2.3 保守物质时空分布特征

为了分析海州湾不同区域的保守物质分布情况，本文把海州湾分为三个区域：即岚山区、连云区和赣榆区，具体区划如图9所示。模拟了不同时刻保守物质浓度扩散情况，在这里，将湾内保守物质初始浓度设为1,湾外海域设为0。模拟时间为110 d, 模拟结束后得到浓度水平分布变化图，从浓度水平分布变化图中可以看出，距湾口断面距离不同，海州湾内浓度的下降速度明显不同，即便是相同距离下，不同区域浓度的下降速度也不尽相同，这里取初始时刻、第30 d、第60 d和第90 d的浓度分布情况进行分析，主要表现为：第30 d, 湾口大部分高浓度保守物质扩散到外海，岚山区整体浓度下降速度要比连云区下降更快，但湾顶赣榆区北部和南部还有很大一部分还没有充分交换；第60 d, 除连云区和赣榆区南部一部分浓度下降不明显，其他区域浓度明显减少，分析原因是由于在该区域存在一个逆时针余流涡旋，使保守物质浓度扩散速度较慢，从而导致浓度下降较慢；第90 d, 海州湾整体水体基本都参与了水体交换，相对于赣榆区，连云区浓度要更低。

2.4 海州湾半交换周期

水交换是指水体之间在一些动力作用下和周围水体产生混合。一般都是通过交换周期的长短、快慢或强弱来描述水体的交换情况，这里使用半交换周期来评价海州湾水交换能力。其中半交换周期是指湾内保守物质交换出50%到湾外所经历的时间，在一定程度上表征了海水的交换能力，在东山湾、铁山塆、大连湾等均有应用。

图11为海州湾整体浓度随时间变化情况，从图中可以看出，随着时间的增加，浓度呈现为下降趋势，在第72 d的时候，平均浓度下降到初始浓度的50%,第72 d后浓度下降速度要比72 d前慢，原因是由于保守物质很大一部分扩散到外海，且逐渐趋于稳定状态。

为了进一步分析海州湾不同区域的水交换能力，我们分别计算每个区域的半交换周期，以分析不同区域的水交换能力，经计算可知，岚山区、连云区和赣榆区3个区域半交换周期分别为，41 d、64 d和91 d。赣榆区位于海州湾内侧，水交换最慢，该海区涨潮时从岚山区和连云区进入，岚山区的落潮流强于连云区的落潮流，所以岚山区的水交换时间小于连云区的水交换时间。

2.5 滞留时间空间分布特征

滞留时间是指湾内水体在周围海水的影响下能够维持在湾内的平均时间。定义水体浓度降低至初始浓度的1/e时所需要的时间视为海水的滞留时间。

图12为海州湾滞留时间水平分布。从图中可以看出，海州湾湾口处滞留时间最短，大部分区域在30 d以内，而大部分赣榆区和一部分连云区滞留时间基本都要大于110 d, 主要呈现两个特点，距离湾口越近滞留时间越短，距湾口相同距离下，岚山区要比连云区滞留时间更短，分布特征与保守物质时空分布特征相似。

3 结 论

本文利用FVCOM模型模拟了海州湾欧拉余流场情况、纳潮量、保守物质浓度变化情况和滞留时间分布情况，结论如下：

(1)海州湾整体欧拉余流流速较小，平均值为5cm/s, 在湾内存在一个半径较大的逆时针余流涡旋，且余流流速在中央位置小，沿岸区域大。

(2)对海州湾纳潮量进行了计算，海州湾大潮时期纳潮量为3.8×109m3,比中潮大0.8×109 m3,为小潮时期2倍。

(3)海州湾保守物质浓度分布特征表现为：距湾口越近，浓度下降越快，相同距离下海州湾北部要比南部浓度下降更快。

(4)海州湾半交换周期表现为：整体海域半交换周期为72 d, 岚山区半交换周期为41 d, 连云区半交换周期为64 d, 赣榆区半交换周期为91 d。

(5)海水滞留时间表现为：湾口滞留时间最短，基本小于30 d, 而赣榆区大部分区域和连云区一部分区域滞留时间都要大于110 d。所以应尽量避免在赣榆区排放污染物，连云区也不是一个很好的选择，建议最好选择在交换能力最强岚山区附近。

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