大海域潮流场数值模拟分析.pdf

中国新技术新产品2024 NO.1（下）-123-生 态 与 环 境 工 程1 工程概况山心沙岛位于防城港市企沙镇东南海域，东临钦州湾，南濒北部湾。北纬 21 3518.2，东经 108 3051.2，岸线长1.9km，离岸距离为 340m。西北侧陆域为山新村，是一个以海洋捕捞和海水养殖为主的渔村，距钦州港西航道 4n mile、企沙镇政府 1km、港口区政府 25km。工程海域地处北回归线以南低纬度地区，气候属于我国亚热带海洋性季风气候，冬季温和，夏季多雨，季风明显，受灾害性天气影响较明显。防城港湾年平均风速为 3.1m/s，月平均最大风速出现在 12 月份，为 3.9m/s，其次是 1 月和 2月，为 3.7m/s；最小平均风速出现在 8 月份，为 2.3m/s。防城港的潮汐为正规全日潮，其潮位特征值如下（1985 国家高程基准）：最高潮位为 3.60m（2008.11.1607：09），最低潮位为-2.03m（2002.12.818：53），平均潮位为 0.62m，平均大海域潮流场数值模拟分析刘华峥杨琴琴（烟台仲伯企业管理咨询有限公司，山东 烟台 264000）摘 要：本文以防城港市山心沙岛生态岛礁建设项目为研究对象，采用数值模拟的手段，建立大海域潮流场平面二维数值模型，对项目建设前后的潮流场状况进行数值模拟。结果表明，现状潮流流速通常50cm/s，工程东南侧海域流速略大；涨急时刻流速通常60cm/s；高潮、低潮时刻工程潮流流速均10cm/s；工程建成后，西南和北东侧涨急时刻流速主要呈现变小的趋势，最大降幅约17.5cm/s，南、东南和西北侧涨急时刻流速呈现增大的趋势，流速最大降幅约为18.5cm/s；涨急时刻流速变化5.0cm/s 的区域主要集中在工程区周边0.8km 内。关键词：大海域；潮流场；数值模拟；水动力；防城港中图分类号：U652文献标志码：A并同时在智能终端界面显示故障具体信息，从而帮助技术人员及时解决故障问题。本文设计的煤炭洗选系统工艺流程如图 3 所示。3.2.2 人机界面设计本文设计的煤炭洗选智能化自动控制系统人机界面主要分为主画面、运行参数显示、仪表参数、显示终端操作以及历史数据曲线、故障报警等模块。PLC 智能控制系统通过CAN 总线将洗选系统的实时运行数据传送至人机界面，并以动画形式对洗选过程进行动态显示。此外，在人机交互界面还可以对洗选系统进行启动、停止等控制操作。4 结语综上所述，本文设计的煤炭洗选智能化自动控制优化方案采用 TCP/IP 协议和 CAN 控制总线建立洗选系统的数据传输模式。在该模式中，以 PLC 智能控制系统为核心，对煤炭洗选系统进行智能化控制，不仅能显著提升系统运行效率，还解决了传统洗选系统兼容性差、维护成本高的问题，对推动选煤厂的可持续发展具有重要意义。参考文献1 赵银良.选煤厂煤炭洗选工艺改造优化研究 J.山西化工，2022，42（2）：120-121，124.2 郭鲜平.煤炭洗选系统智能化自动控制优化设计 J.能源与节能，2020（10）：110-111.3 苏强.母杜柴登选煤厂增设末煤洗选系统必要性分析 J.选煤技术，2020（3）：57-60.4 牛超.末煤系统提质增效工艺流程优化设计与实践 J.洁净煤技术，2018，24（增刊2）：10-13.5 董其峰，潘月军，韩喜龙，等.补连塔选煤厂煤洗选系统节能增效改造 J.内蒙古煤炭经济，2018（17）：78-79.6 张金平，秦书明.王庄煤业地面洗选智能监控系统的设计与应用 J.煤矿机械，2015，36（7）：245-247.图 3 煤炭洗选系统工艺流程（上接第44页）中国新技术新产品2024 NO.1（下）-124-生 态 与 环 境 工 程高潮为 1.92m，平均低潮为-0.52m，最大潮差为 5.29m，平均潮差为 2.44m。2 潮汐潮流数学模型控制方程为更好地模拟大海鱼潮流场的变化，研究计算采用前后处理功能强大的平面二维数值模拟程序 MIKE21FM，该程序采用标准 Galerkin 有限元法进行水平空间离散，具有非结构三角网格剖分功能，在网格剖分上可以进行人工参数输入参数达到任意控制网格的目的，可以用于划分海洋与陆地的复杂边界，在时间上采用显式迎风差分格式离散动量方程与输运方程，提供稳健的计算结果，其具有高强度的计算算力，已在全球 70 多个国家得到成功计算算例1-2。平面二维数值模拟程序 MIKE21FM 模拟潮汐潮流采用的质量守恒控制方程如公式（1）所示，动量方程如公式（2）、公式（3）所示3。?txhuyhv0（1）?utuuxvuyxuxyuyfvgu uvxx?22 22C hgxZ?（2）?vtuvxvvyxvxyvyfugu uvxx?22 22C hgyZ?（3）式中：为水位；h 为静水深；H 为总水深，H=h+；u、v 分别为 x、y 方向垂向平均流速；g 为重力加速度；f 为科氏力参数（f=2sin，为计算海域所处地理纬度）；CZ为谢才系数，n 为曼宁系数；x、y 为 x、y 方向水平涡动黏滞系数。求解以上控制方程，须满足初始条件如公式（4）、公式（5）所示4-6。（x，y，t0）=0 （4）u（x，y，t0）=v（x，y，t0）=0（5）3 潮汐潮流数值模拟项目海域数学模型计算域范为图中开边界和岸线围成的海域，计算域坐标范围为 19 0607.27N20 4015.65N，东经1064838.90E1095514.26E。采用无结构三角网格对海岸与陆地边界进行模拟。模拟区域内由25218 个节点和39851 个三角单元组成，最小空间步长约为 20m。数值模拟计算域和项目附近海域网格分布如图 1 所示。模型水域开边界引用卫星高度计资料、OTIS 资料、越南由岛、海南八所港、后水湾和广东角尾 4 点历史潮位观测资料，闭边界为大海域和周边岸线。根据 CFL 条件对模型计算时间步长进行动态调整，采用考虑亚尺度网格效应的Smagorinsky（1963）公式计算水平涡动黏滞系数，如公式（6）所示7。Ac lS Ssijij=2 22（6）式中：cs为常数；l 为特征混合长度；Sij为亚尺度网格。4 数值模拟计算结果分析4.1 大海域潮流场模拟结果分析大海域计算潮流场为工程海域现状的流场，计算结果如图 2、图 3 所示。图 2 是落急时刻潮流场，计算域内的潮流由钦州湾内流向湾外，整体由北往南流，大部分海域流速为 20cm/s80cm/s，在钦州湾两侧码头、防波堤等构筑物附近海域潮流流速较大，近岸海域流速较小；工程附近近图 1 工程建成后附近海域现状计算网格图12000 10000 8000 6000 4000 2000距离距离10005000900011000中国新技术新产品2024 NO.1（下）-125-生 态 与 环 境 工 程岸海域流速较小，流速通常在 25cm/s45cm/s，流向主要由东北向西南方向流。图 3 是涨急时刻潮流场，计算域内的潮流由钦州湾外流向湾内，整体由南往北流，大部分海域流速在 25cm/s85cm/s，在钦州湾两侧码头和防波堤等构筑物附近海域潮流流速较大，近岸海域流速较小；工程附近近岸海域流速较小，流速通常在 30cm/s50cm/s，流向主要表 1 距离工程不同距离处涨急最大流速及对应流向对比统计表对比点距离/（m）涨急最大流速/（cms-1）对应流向/（）工程前工程后差值百分比/工程前工程后差值1NE50044.3943.66-0.73-0.0242.5742.180.392NE100047.6747.16-0.51-0.0127.2026.840.353NE150047.4947.00-0.50-0.0129.2128.510.704NE200039.9139.55-0.36-0.0129.2828.350.925SE50057.5858.510.940.0252.0452.05-0.016SE100059.1960.100.910.0244.5744.72-0.157SE150060.4060.34-0.060.0043.6243.74-0.128SE200055.9555.72-0.240.0045.7545.95-0.209SW50022.5521.76-0.79-0.0461.1463.92-2.7810SW100017.8617.85-0.010.0039.2739.83-0.5611SW150020.1620.720.570.0318.0518.70-0.6512SW200017.8417.950.110.01344.77346.17-1.4013NW邻近26.8530.363.500.1368.3557.7110.64图 2 大海域计算潮流场（落急时刻）图 3 大海域计算潮流场（涨急时刻）距离距离7000 6000 5000 4000 30007000 6000 5000 4000 3000400040005000500060006000700070008000800090009000大于1.5 1.2-1.5 0.9-1.2 0.6-0.9 0.3-0.6 0.0-0.3 小于0.0大于1.5 1.2-1.5 0.9-1.2 0.6-0.9 0.3-0.6 0.0-0.3 小于0.01m/s1m/s流速m/s流速m/s距离距离中国新技术新产品2024 NO.1（下）-126-生 态 与 环 境 工 程由西南向东北方向流。高潮、低潮时刻钦州湾潮流流速整体较小，工程附近海域流速 10cm/s。4.2 工程周边海域预测潮流场计算结果分析根据工程方案布置，预测工程建成后的潮流场，图 4 图 7 分别为工程建成后落急、涨急时刻和高、低潮时刻计算潮流场。工程建成后与对应时刻的现状潮流场相比，工程附近大范围内海域的流速和流向整体变化不大，落急时刻潮流由东北往西南流，涨急时刻潮流由西南往东北流，工程邻近海域潮流场发生了一定的变化。从数值模拟结果的涨急落急潮流场流态可以看出，位于山心沙岛东北的钦州湾湾口核电站修建了取排水涵道，山心沙岛潮流场受到很大影响，钦州湾与山心沙岛海域的水交换能力减弱，因此会使山心沙岛周边海域海沙的来源减少，在短期内泥沙平衡被打破，在大的环境和趋势上，山心沙岛有泥沙流失和遭受冲刷的风险。为反映工程对周围潮流场的影响情况，绘制了工程前后周边海域涨急时刻流速变化图，并对不同距离处涨急时刻流速和对应流向进行了对比，结果见表 1。从表 1 可以看出，工程建成后，工程区西南和北东侧涨急时刻流速主要呈现变小的趋势，流速最大降幅约为 17.5cm/s，位于工程北东侧海域；工程区南侧、东南侧和西北侧涨急时刻流速呈现增加的趋势，流速最大增幅约为 18.5cm/s，位于工程西北侧海域。整体来看，涨急时刻流速变化主要集中在工程邻近海域，其中工程北东和西南两侧流速变缓，南、东南和西北侧流速加快，涨急时刻流速变化 5.0cm/s 的区域主要集中在工程区周围 0.8km 内。5 结论利用平面二维数值模型对防城港市山心沙岛生态岛礁建设项目建设前后的潮流场状况进行数值模拟，得出以下结论：1）工程附近现状潮流，落急时刻潮流由东北往西南流，流速通常 50cm/s，离岸海域潮流流速较大，近岸海域流速较小，工程东南侧海域流速略大；工程所在区域内潮流流速为 20cm/s45cm/s。涨急时刻，工程附近潮流由西南往东北流，流速略大于落潮流速，通常 60cm/s。高潮和低潮时刻工程附近海域潮流流速整体较小，工程邻近海域潮流流速均 10cm/s。2）工程建成后，工程区西南和北东侧涨急时刻流速主要呈现变小的趋势，流速最大降幅约为 17.5cm/s，位于工程北东侧海域；工程区南、东南和西北侧涨急时刻流速呈现增大的趋势，流速最大增幅约 18.5cm/s，位于工程西北侧海域。涨急时刻流速变化 5.0cm/s 的区域主要集中在工程区周边 0.8km 内。3）从数值模拟结果的涨急落急潮流场流态可以看出，由于山心沙岛修建取排水涵道不透水构筑物，因此山心沙岛潮流场受到很大影响，钦州湾与山心沙岛海域的水交换能力减弱，导致山心沙岛周边海域海沙的来源减少，在短期内泥沙平衡被打破，在大环境和趋势上，山心图 5 工程建成后预测潮流场（涨急时刻）图 4 工程建成后预测潮流场（落急时刻）距离距离距离距离7000 6000 5000 4000 30007000 6000 5000 4000 3000400040005000500060006000700070008000800090009000大于1.5 1.2-1.5 0.9-1.2 0.6-0.9 0.3-0.6 0.0-0.3 小于0.0大于1.5 1.2-1.5 0.9-1.2 0.6-0.9 0.3-0.6 0.0-0.3 小于0.01m/s1m/s流速m/s流速m/s中国新技术新产品2024 NO.1（下）-127-生 态 与 环 境 工 程沙岛有泥沙流失和遭受冲刷的风险。参考文献1 于寒，刘桂梅，纪棋严，等.基于 FVCOM 的福建连江海域潮汐潮流数值模拟 J.海洋预报，2022，39（6）：1-12.2 陈志琦，逄勇，张倩，等.基于水动力数值模拟的罗源湾水体交换周期及纳潮量计算 J.水资源保护，2022，38（3）：125-130.3 戴勇，徐孟飘.南通港东灶港作业区码头工程潮流数值模拟及泥沙回淤计算分析 J.水道港口，2021，42（1）：52-59.4 秦晓，纪平，赵懿珺.东山湾水动力数值模拟及其纳潮量和水交换周期计算 J.水利水电技术，2020，51（6）：93-99.5 董娇娇，孙健，陈燕珍，等.渤海岸线及水深变化对水动力影响的数值模拟 J.海洋科学进展，2020，38（4）：676-687.6 林伟波，陈晓燕.南黄海辐射沙脊群海域三维水动力数值模拟 J.水运工程，2020（9）：25-32，39.7 张静，孙省利，林建国，等.深圳湾海域环境容量及污染总量控制研究I.潮汐，潮流数值模拟 J.海洋通报，2010（1）：7-10.图 7 工程建成后预测潮流场（低潮时刻）距离距离7000 6000 5000 4000 3000400050006000700080009000大于1.5 1.2-1.5 0.9-1.2 0.6-0.9 0.3-0.6 0.0-0.3 小于0.01m/s流速m/s图 6 工程建成后预测潮流场（高潮时刻）距离距离7000 6000 5000 4000 3000400050006000700080009000大于1.5 1.2-1.5 0.9-1.2 0.6-0.9 0.3-0.6 0.0-0.3 小于0.01m/s流速m/s