李可萌，張慶河*，高山紅，張娜，，楊華

（1.天津大學(xué)水利工程仿真與國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.中國海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；3.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456）

0 引言

連云港海岸為黏性細(xì)顆粒泥沙組成的淤泥質(zhì)海岸，在極端天氣如臺(tái)風(fēng)過程作用下，可能形成較強(qiáng)烈的泥沙運(yùn)動(dòng)，并在航道或港池中形成浮泥，甚至影響船舶的正常航行[1]。因此，研究臺(tái)風(fēng)影響下連云港海域的泥沙運(yùn)動(dòng)和航道中浮泥變化過程對于連云港深水航道建設(shè)具有重要意義。本文利用大氣模型WRF模擬風(fēng)場，利用SWAN風(fēng)浪模型和FVCOM水動(dòng)力泥沙模型建立波流泥沙耦合模型模擬海域水動(dòng)力和泥沙運(yùn)動(dòng)，并將二維浮泥運(yùn)動(dòng)和固結(jié)模型嵌入FVCOM中，形成三維黏性泥沙和浮泥運(yùn)動(dòng)模型，對2012年“達(dá)維”臺(tái)風(fēng)影響下連云港海域的泥沙運(yùn)動(dòng)和航道中浮泥的形成與變化過程進(jìn)行模擬，并和現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以討論強(qiáng)風(fēng)浪過程中浮泥形成對連云港航道的影響。

1 浮泥運(yùn)動(dòng)模型介紹

連云港臺(tái)風(fēng)期間浮泥運(yùn)動(dòng)模型由以下幾部分構(gòu)成：包含數(shù)據(jù)同化模塊WRFDA的大氣模型WRF，波浪模型SWAN，水動(dòng)力模型FVCOM，以及懸沙運(yùn)動(dòng)和浮泥運(yùn)動(dòng)及固結(jié)模型。

WRF模型是得到廣泛應(yīng)用的中尺度大氣模型[2]，可以模擬臺(tái)風(fēng)過程風(fēng)場。WRF模型中WRFDA模塊是可以單獨(dú)安裝編譯單獨(dú)使用的模塊，目前支持三維變分?jǐn)?shù)據(jù)同化、四維變分?jǐn)?shù)據(jù)同化、集合卡爾曼變換數(shù)據(jù)同化以及混合資料同化，通過衛(wèi)星遙感或?qū)崪y數(shù)據(jù)同化可以提高風(fēng)場模擬精度。

波浪模型SWAN是由荷蘭Delft理工大學(xué)開發(fā)的第三代海浪模式。SWAN模型可以模擬風(fēng)浪生成和近岸區(qū)傳播的多種物理過程，可描述臺(tái)風(fēng)浪在近岸區(qū)的變形[3]。

FVCOM是由美國馬薩諸塞大學(xué)海洋科技研究院和伍茲霍爾海洋研究所聯(lián)合開發(fā)，主要用于三維水動(dòng)力泥沙數(shù)值模擬。模型采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，可適用于復(fù)雜岸線情況[4]。浮泥模型選用楊小宸所建浮泥運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型[5-6]，并嵌于FVCOM模型中。

上述模型實(shí)現(xiàn)了近岸波流耦合，其數(shù)據(jù)傳遞利用MCT實(shí)現(xiàn)[7]，模型框圖如圖1所示。

圖1 浮泥模型數(shù)據(jù)交換示意圖Fig.1 Data exchangeof fluid mud model

2 2012年“達(dá)維”臺(tái)風(fēng)過程風(fēng)浪流與泥沙運(yùn)動(dòng)模擬

2012年第10號超級臺(tái)風(fēng)“達(dá)維”于北京時(shí)間2012年7月28日20時(shí)，在日本東京東南方約1 330 km的西北太平洋洋面上生成。北京時(shí)間7月31日早晨，在西北太平洋洋面上加強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴。北京時(shí)間8月1日08時(shí)，在日本九州島東南部海面加強(qiáng)為臺(tái)風(fēng)。下面采用本文前述模型對該臺(tái)風(fēng)過程風(fēng)場、波浪場、水動(dòng)力、懸沙和浮泥過程進(jìn)行模擬。

2.1 模型設(shè)置

2.1.1 WRF模型設(shè)置

WRF模型采用大小模型嵌套計(jì)算，其中大模型網(wǎng)格空間精度為9 km，網(wǎng)格數(shù)為300×200，大模型的緯度范圍為27.04°N—42.25°N，經(jīng)度范圍為116.03°E—143.97°E。小模型網(wǎng)格空間精度為3 km，網(wǎng)格數(shù)為390×390，小模型的緯度范圍為29.02°N—40.81°N，經(jīng)度范圍為116.00°E—129.42°E。小模型的計(jì)算地形范圍見圖2。WRF模型垂向采用σ坐標(biāo)，分為34層。WRF模型初始場采用美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心NCEP網(wǎng)站提供的6 h一次、精度1°×1°的FNL再分析數(shù)據(jù)（https://rda.ucar.edu/datasets/ds083.2/），初始溫度采用全球海洋觀測系統(tǒng)（NEAR_GOOS）日平均海表溫度數(shù)據(jù)（MGDSST）（http：//near-goos1.jodc.go.jp/）。

圖2 波浪小模型示意圖Fig.2 Subdomain of wave model

為了提高風(fēng)場模擬精度，本文采用NOAA-18單顆衛(wèi)星的AMSUA亮溫資料（https://rda.ucar.edu/datasets/ds735.0）進(jìn)行數(shù)據(jù)同化，利用CRTM快速輻射傳輸模式處理AMSU-A亮溫資料。AMSU-A全功率微波掃描輻射計(jì)一共包含15個(gè)探測通道，本文選擇5～9通道，同化資料時(shí)間窗口設(shè)定為同化時(shí)刻的±1 h。

2.1.2 SWAN模型設(shè)置

SWAN模型采用水平向大小模型嵌套計(jì)算，小模型緯度范圍為34.4°N—35.4°N，經(jīng)度范圍為119.3°E—120.1°E，網(wǎng)格空間步長最大為1 500 m，最小為20 m，地形范圍見圖2。風(fēng)場模型嵌套區(qū)域的計(jì)算結(jié)果為波浪模擬提供風(fēng)場，波浪大模型計(jì)算結(jié)果為小模型提供波浪譜邊界條件，大、小模型計(jì)算時(shí)間步長均為5 min。

2.1.3 FVCOM模型和泥沙模型設(shè)置

水動(dòng)力模型采用與波浪模型相同的大小區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行嵌套計(jì)算。由風(fēng)場模型嵌套區(qū)域的計(jì)算結(jié)果為潮流模擬提供風(fēng)場，大模型邊界水位由Mike軟件系統(tǒng)[8]提供，小模型邊界水位由大模型計(jì)算結(jié)果提供。大模型外模計(jì)算時(shí)間步長為1.0 s，內(nèi)模計(jì)算時(shí)間步長為10 s。小模型外模計(jì)算時(shí)間步長為0.2 s，內(nèi)模時(shí)間步長為2 s，垂向平均分為10層，底部粗糙高度取為0.000 1 m。

連云港泥沙中值粒徑d50取為0.004 mm，密度取為2 650 kg/m3。沖刷模型[9]見式（1）。

式中：E0為沖刷系數(shù)，取為0.001 5 kg/（m2·s）-1；τb為床面剪切應(yīng)力；τc為臨界沖刷應(yīng)力，取為[10]1.20 N/m2；a1、a2、a3、a4分別取為-0.144、0.904、-0.823、0.204。淤積模型[11]見式（2）。

式中：τd為臨界淤積應(yīng)力，取為0.07 N/m2；C為質(zhì)量含沙量。黏性泥沙沉速公式[12]見式（3）。

式中：a、b、m、n分別取為1.05、0.58、2.37和4[5]。浮泥的流變參數(shù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)來確定[1]，流變方程見式（4）。

式中：τB為賓漢體臨界切應(yīng)力；η為剛體系數(shù)。τB和η的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系見式（5）。

式中：Sv為體積含沙濃度；α1取為0.188 4；α2取為0.000 54；β1取為2.186 5；β2取為2.069 6。

SWAN模型和FVCOM模型通過MCT進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)交換時(shí)間間隔為30 min。

2.2 模型模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的比較

為了驗(yàn)證模型的合理性，收集研究區(qū)域測站氣象、水文資料與模擬結(jié)果進(jìn)行比較，“達(dá)維”臺(tái)風(fēng)過程氣象和水文測站位置標(biāo)注在圖2中。

2.2.1 風(fēng)場模擬結(jié)果

圖3顯示了同化模擬得到的“達(dá)維”臺(tái)風(fēng)路徑與中央氣象臺(tái)確定的臺(tái)風(fēng)路徑比較情況（以下均指北京時(shí)間）。

圖3 臺(tái)風(fēng)路徑結(jié)果對比圖Fig.3 Comparison of tracks of Typhoon Damrey

圖4 為氣象測站A處模擬風(fēng)速、風(fēng)向與實(shí)測結(jié)果的對比結(jié)果。由圖可知，計(jì)算臺(tái)風(fēng)路徑與實(shí)測路徑吻合較好，除了最大風(fēng)速有所差異外，模擬與實(shí)測風(fēng)速和風(fēng)向總體是比較一致的?？傮w上看，風(fēng)場模擬結(jié)果較好地反應(yīng)了實(shí)際“達(dá)維”臺(tái)風(fēng)場，可以進(jìn)一步作為波浪和潮流計(jì)算的輸入條件。

2.2.2 波浪與潮流場模擬

圖4 測站A風(fēng)速、風(fēng)向結(jié)果對比圖Fig.4 Comparison of wind speedsand directions of station A

利用計(jì)算得到“達(dá)維”臺(tái)風(fēng)風(fēng)場驅(qū)動(dòng)波浪模型和潮流模型并進(jìn)行波流耦合計(jì)算。圖5顯示了測站A的有效波高模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的對比圖。圖6是測站A潮位計(jì)算結(jié)果與實(shí)測過程比較情況。圖7顯示了測站B的模擬表層流速和流向與實(shí)測結(jié)果的對比情況?？芍?，波浪和流場模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合較好。

圖5 測站A有效波高對比圖Fig.5 Comparison of significant waveheightsof station A

圖6 測站A潮位對比圖Fig.6 Comparison of water elevations of station A

圖7 測站B流速、流向表層對比圖Fig.7 Comparison of current velocities and directions of station B

2.2.3 泥沙浮泥模擬

連云港徐圩航道浮泥測站位置見圖2，沿航道包含E1、E2、E3、E4、E5和E6六個(gè)測點(diǎn)?！斑_(dá)維”臺(tái)風(fēng)風(fēng)后測量采用音叉密度儀和分層取樣器確定浮泥厚度[13]。

利用考慮“達(dá)維”臺(tái)風(fēng)影響的波浪、潮流耦合模型來驅(qū)動(dòng)泥沙、浮泥模型，得到測站B的含沙量底層結(jié)果如圖8所示。含沙量最大時(shí)刻的底層含沙量分布圖見圖9。比較懸沙與波浪、水流變化過程可知，含沙量變化趨勢與波浪的變化趨勢一致。最大含沙量出現(xiàn)在波浪最大值附近，說明波浪起著重要的掀沙作用。由于含沙量測量是在風(fēng)后進(jìn)行的，此時(shí)測站波浪已經(jīng)明顯減小，因此實(shí)測底層含沙量也比較?。ㄒ妶D8中8月5日8時(shí)—8月6日6時(shí)計(jì)算與實(shí)測含沙量）。

圖8 測站B含沙量底層對比圖Fig.8 Comparison of sediment concentration of bottom layer of station B

圖9 含沙量底層分布圖Fig.9 Distribution of sediment concentration of bottom layer

圖10 徐圩航道測站浮泥厚度變化歷時(shí)圖Fig.10 Thickness change of fluid mud of Xuweichannel stations

圖10 顯示了測點(diǎn)浮泥厚度隨時(shí)間變化的過程。浮泥厚度變化趨勢與含沙量變化趨勢趨于一致，當(dāng)8月2日18時(shí)含沙量受波浪作用急劇增大時(shí)，測站開始產(chǎn)生浮泥，之后至8月3日12時(shí)含沙量一直很大，此時(shí)淤積起主要作用。8月3日18時(shí)至4日0時(shí)，浮泥厚度趨于穩(wěn)定。8月4日6時(shí)之后，臺(tái)風(fēng)影響基本消散，含沙量變得很小，此時(shí)浮泥厚度開始下降，固結(jié)起主要作用。圖中同時(shí)反映了8月5日8時(shí)測站浮泥厚度對比情況，可見計(jì)算值與實(shí)測值吻合較好?？梢哉J(rèn)為浮泥模型較好地反映了“達(dá)維”臺(tái)風(fēng)期間航道浮泥厚度先增大后減小的變化趨勢。洪柔嘉[14]定義重度為1 060～1 200 kg/m3的低濃度淤泥為浮泥。本文模型中模擬計(jì)算的浮泥密度隨時(shí)間推移增加，由1 080 kg/m3逐漸增加至1 180 kg/m3，始終屬于浮泥重度范圍內(nèi)，體現(xiàn)了浮泥的固結(jié)作用。

3 結(jié)語

利用包含數(shù)據(jù)同化模塊WRFDA的大氣模型WRF，波浪模型SWAN，水動(dòng)力模型FVCOM，以及懸沙運(yùn)動(dòng)和浮泥運(yùn)動(dòng)及固結(jié)模型建立起的浮泥運(yùn)動(dòng)集成模型，模擬了“達(dá)維”臺(tái)風(fēng)作用下連云港的黏性泥沙及浮泥運(yùn)動(dòng)情況。模擬結(jié)果與實(shí)測值吻合較好，表明該模型能夠合理地反映“達(dá)維”臺(tái)風(fēng)作用下連云港黏性泥沙及浮泥運(yùn)動(dòng)過程。波浪具有重要的掀沙作用，含沙量隨波高的增大而增大，當(dāng)波高減小時(shí)，含沙量也隨之降低。浮泥的厚度變化趨勢與含沙量的變化趨勢趨于一致，浮泥厚度先增加后減小，前期淤積起主導(dǎo)作用，后期固結(jié)起主導(dǎo)作用。浮泥的密度隨時(shí)間推移增加，體現(xiàn)了浮泥的固結(jié)作用。