第四小組18原楠

答辯人：原楠指導(dǎo)老師：陳學(xué)恩膠州灣及鄰近海域海洋動(dòng)力數(shù)值模擬CONTENTS目錄區(qū)域簡(jiǎn)介研究現(xiàn)狀本文工作模式配置結(jié)果分析結(jié)論展望01區(qū)域簡(jiǎn)介膠州灣地理情況：山東半島南部半封閉淺水海灣海域面積397平方千米水動(dòng)力情況：正規(guī)半日潮，平均潮差2.71米漲潮時(shí)小于落潮時(shí)，漲落潮流流速最大值在灣口風(fēng)浪為主，80%以上時(shí)間段有效波高在0.5m以下大橋概況：2006年動(dòng)工東部始于青島主城區(qū)，西部直達(dá)黃島全長(zhǎng)36.48公里，有鉆孔灌注樁5238個(gè)02研究現(xiàn)狀1）孫英蘭等(1994)采用三角網(wǎng)格建立二維潮流模型得出潮流、潮位、余流等數(shù)據(jù)用來預(yù)測(cè)膠州灣跨海大橋的建立對(duì)相關(guān)海洋要素的影響；水動(dòng)

2）鮑獻(xiàn)文、閆菊(1999)利用ECOM建立了海域三維數(shù)值模式，模擬了潮流力

三維分布結(jié)構(gòu)和潮致余流水平分布情況，結(jié)果與實(shí)測(cè)基本吻合；

3）王永剛等(2004)采用了了趨近法對(duì)模式進(jìn)行了改進(jìn)使得研究區(qū)域渤、黃、東海各分潮的調(diào)和常數(shù)模擬值與驗(yàn)潮站計(jì)算值的偏差減小；呂新剛等(2008)利用POM模式在六大分潮驅(qū)動(dòng)下建立了海域潮流和潮汐的數(shù)值模型，研究了潮汐、潮流、潮波傳播特征，指出漫灘過程對(duì)潮流流速模擬的重要性；陳金瑞、陳學(xué)恩(2011)采用模式FVCOM在八大分潮驅(qū)動(dòng)下建立了三維數(shù)值模型，研究了海域潮汐和潮流的變化情況，揭示了納潮量、能通量等的特征；研究現(xiàn)狀黃培基(1988)利用波浪浮標(biāo)對(duì)膠州灣內(nèi)的兩測(cè)站進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)并做了波譜計(jì)算，揭示了研究海域的風(fēng)浪特征為短風(fēng)區(qū)及風(fēng)浪譜隨風(fēng)區(qū)成長(zhǎng)的變化情況海浪研究現(xiàn)狀7對(duì)膠州灣數(shù)值模擬近年來才有學(xué)者進(jìn)行高分辨率三維模擬自2006年膠州灣跨海大橋動(dòng)工以來，研究大橋的建立對(duì)膠州灣海域水動(dòng)力影響的工作需要進(jìn)一步加強(qiáng)

3）波浪、潮汐的聯(lián)合作用對(duì)近岸泥沙輸運(yùn)也有較大影響，對(duì)研究區(qū)域海浪的研究也較少。鑒于膠州灣對(duì)周邊區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大影響，有必要基于三維數(shù)值模型更為精確的研究其水動(dòng)力特征，模擬分析大橋的建立對(duì)潮汐潮流的影響，同時(shí)探究區(qū)域海浪的特征?？偨Y(jié)研究現(xiàn)狀803本文工作0

1無膠州灣跨海大橋潮汐潮流模擬；0

2有膠州灣跨海大橋潮汐潮流模擬；0

1膠州灣海域網(wǎng)格未加密海浪模擬；0

2膠州灣海域網(wǎng)格加密后海浪模擬本文工作：基于FVCOM

（Finite-Volume

Coastal

Ocean

Model）基于SWAN

（Simulating

Waves

Nearshore）04模式配置模式配置：FVCOM

（Finite-Volume

Coastal

Ocean

Model）模式配置網(wǎng)格設(shè)置

初始條件

邊界條件；SWAN

（Simulating

Waves

Nearshore）模式配置 網(wǎng)格設(shè)置初始條件無橋網(wǎng)格研究區(qū)域：120.00°E~121.20°E

35.50°N~36.50°N灣內(nèi)海岸線和水深數(shù)據(jù)：中華人民共和國(guó)海事局出版的海圖灣外海岸線和水深數(shù)據(jù)：NOAA和ETOP垂向：7個(gè)sigma層，水平方向：三角形節(jié)點(diǎn)數(shù)25956個(gè)，三角形單元數(shù)49729個(gè)，開邊界節(jié)點(diǎn)數(shù)：73個(gè)分辨率：50m——3000m內(nèi)模時(shí)間步長(zhǎng)：4s外模時(shí)間步長(zhǎng)：0.8s。FVCOM模式配置網(wǎng)格設(shè)置初始條件邊界條件13有橋網(wǎng)格研究區(qū)域：120.00°E~121.20°E

35.50°N~36.50°N灣內(nèi)海岸線和水深數(shù)據(jù)：中華人民共和國(guó)海事局出版的海圖灣外海岸線和水深數(shù)據(jù)：NOAA和ETOP垂向：7個(gè)sigma層水平方向：三角形節(jié)點(diǎn)數(shù)105265個(gè)，三角形單元數(shù)206878個(gè)開邊界節(jié)點(diǎn)數(shù)：73個(gè)分辨率：6m——3000m內(nèi)模時(shí)間步長(zhǎng)：0.6s外模時(shí)間步長(zhǎng)：0.1s根據(jù)跨海大橋中的四部分：大沽河航道橋、紅島航道橋、紅島互通立交橋、艙口航道橋的實(shí)際橋墩分布位置在網(wǎng)格中以島嶼邊界的形式實(shí)現(xiàn)FVCOM模式配置網(wǎng)格設(shè)置初始條件邊界條件14無橋模式運(yùn)行時(shí)間：2008年7月25日——2008年9月2日，共37天，有橋模式運(yùn)行時(shí)間：2008年7月25日到2008年8月7日，共14天。溫度場(chǎng)和鹽度場(chǎng)：常數(shù)不考慮時(shí)空變化；初始水位場(chǎng)和流場(chǎng)：0；氣象因素：不考慮蒸發(fā)、降水及太陽(yáng)輻射15FVCOM模式配置網(wǎng)格設(shè)置初始條件邊界條件開邊界：取在遠(yuǎn)離灣口的較大海域，八大分潮驅(qū)動(dòng)，分潮的調(diào)和常數(shù)根據(jù)軟件OTIS插值獲得16FVCOM模式配置網(wǎng)格設(shè)置初始條件邊界條件未加密網(wǎng)格研究區(qū)域：120.00°E~121.20°E

35.50°N~36.50°N灣內(nèi)海岸線和水深數(shù)據(jù)：中華人民共和國(guó)海事局出版的海圖灣外海岸線和水深數(shù)據(jù)：NOAA和ETOP垂向：7個(gè)sigma層，水平方向：三角形節(jié)點(diǎn)數(shù)25956個(gè)，三角形單元數(shù)49729個(gè)，開邊界節(jié)點(diǎn)數(shù)：73個(gè)分辨率：50m——3000m陸地邊界數(shù)：12個(gè)開邊界數(shù)：1個(gè)SWAN模式配置網(wǎng)格設(shè)置初始條件17加密后網(wǎng)格研究區(qū)域：120.00°E~121.20°E

35.50°N~36.50°NSWAN模式配置網(wǎng)格設(shè)置灣內(nèi)海岸線和水深數(shù)據(jù)：中華人民共和國(guó)海事局出版的海圖灣外海岸線和水深數(shù)據(jù)：NOAA和ETOP垂向：7個(gè)sigma層，水平方向：三角形節(jié)點(diǎn)數(shù)105265個(gè)，三角形單元數(shù)208592個(gè)開邊界節(jié)點(diǎn)數(shù)：73個(gè)分辨率：50m——3000m初始條件18波向：24個(gè)，

分辨率：15°，最低離散頻率：0.05，最高離散頻率：4.0，輸入條件：風(fēng)場(chǎng)輸入，輸入的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)源于NCEP，時(shí)間間隔為6小時(shí)，精度30′×30′，風(fēng)場(chǎng)范圍：31.0668°N~41.7088°N,117.1875°E~128.125°E，計(jì)算區(qū)域：35.5°N~36.0°N,120.0°E~120.0°E，計(jì)算時(shí)間：2008年1、5、8、10月1日~31日，計(jì)算間隔：每隔1小時(shí)計(jì)算一次，輸出間隔：每月5日開始每隔一小時(shí)輸出有效波高和波向數(shù)據(jù)。19SWAN模式配置網(wǎng)格設(shè)置初始條件05結(jié)果分析結(jié)果分析：潮汐結(jié)果分析（FVCOM）潮汐類型潮汐驗(yàn)證無橋潮汐結(jié)果分析有橋潮汐結(jié)果分析潮流結(jié)果分析（FVCOM）無橋潮流結(jié)果分析有橋潮流結(jié)果分析海浪結(jié)果分析（SWAN）網(wǎng)格未加密海浪結(jié)果分析網(wǎng)格加密后海浪結(jié)果分析潮汐類型潮汐結(jié)果分析：潮型數(shù)：正規(guī)半日潮：結(jié)論：1）海域潮汐類型正規(guī)半日潮2）灣口到灣內(nèi)數(shù)值變化范圍小海域潮汐類型穩(wěn)定。此結(jié)論與中國(guó)海灣志四分冊(cè)一致。22潮汐驗(yàn)證潮汐結(jié)果分析：結(jié)論：1）觀測(cè)值和模擬結(jié)果偏差較小，范圍為（-6,2）振幅的模擬精度要高于相位。對(duì)研究海域水位影響較大的M2、S2分潮的偏差更小4）5號(hào)碼頭實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果吻合程度比小麥島要高。綜上，認(rèn)為模式模擬精度較高。23無橋潮汐結(jié)果分析潮汐結(jié)果分析：整個(gè)研究海域同潮圖（從左到右依次為M2.S2.K1.O1分潮

振幅單位：m

）結(jié)論：上圖中藍(lán)線為等振幅線，紅線為同潮時(shí)線對(duì)于灣外大片海域：1）等振幅線和同潮時(shí)線大體垂直；2）M2、S2、K1、O1四大分潮的振幅從東南向西北逐增，增加的尺度范圍分別為28cm

10cm

1.5cm2cm，說明M2、S2分潮對(duì)灣外海域水位增幅影響較大，相位從東北到西南逐增，說明灣外潮波傳播方向?yàn)闁|北到西南；24無橋潮汐結(jié)果分析（灣內(nèi)）潮汐結(jié)果分析：灣內(nèi)同潮圖（從左到右依次為M2.S2.K1.O1分潮振幅單位：m）結(jié)論：上圖中藍(lán)線為等振幅線，紅線為同潮時(shí)線對(duì)于灣內(nèi)海域：1）等振幅線和等遲角線分布較為稀疏，變化尺度小，M2、S2分潮振幅分別有13cm、4cm的變化范圍；等振幅線從灣口向內(nèi)越來越趨于與岸線平行，且數(shù)值增大；等遲角線趨于與岸線垂直；此結(jié)論與鮑獻(xiàn)文、閆菊(1999)的結(jié)果一致25有橋潮汐結(jié)果分析潮汐結(jié)果分析：漲急、落急、漲平、落平四個(gè)時(shí)刻有無橋水位差示意圖（單位：cm）結(jié)論：由于大橋的阻隔作用研究海域的水位有2cm的變化范圍；漲潮時(shí)刻，外海東部海域有橋水位低于無橋水位，西部海域有橋水位高于無橋水位，落潮時(shí)呈相反的變化趨勢(shì)（可進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)格減小誤差），漲潮時(shí)橋以北海域水位有較為平穩(wěn)的變化趨勢(shì)（顏色沒有深的突變）；在漲平時(shí)刻大橋以北有橋水位略低于無橋，落平時(shí)刻有橋水位高于無橋水位。26無橋潮流結(jié)果分析潮流結(jié)果分析：潮流圖（從左到右依次為漲急、漲平、落急、落平時(shí)刻的潮流圖）結(jié)論：1）灣口附近的潮流變化復(fù)雜流速較大，漲急時(shí)刻流速最大可達(dá)1.8m/s,落急時(shí)刻流速最大達(dá)1.6m/s，外海潮流為東北西南走向，通過灣口處有多個(gè)渦旋。27有橋潮流結(jié)果分析潮流結(jié)果分析：有橋潮流圖（從左到右依次為漲急、漲平、落急、落平時(shí)刻潮流圖）結(jié)論：1）較無橋潮流結(jié)果，大橋位置處潮流有較大的變化，因大橋的阻隔灣口處潮流變化不及無橋時(shí)復(fù)雜；灣外潮流仍為東北西南走向，漲急時(shí)刻的最大流速可達(dá)2.2883m/s，略高于無橋模式，落急時(shí)刻的最大流速 為1.4752m/s，略低于無橋模式。28網(wǎng)格未加密結(jié)果分析海浪結(jié)果分析：結(jié)論：1）模式中取正北方向?yàn)?°，對(duì)于膠州灣海域海浪的方向集中于偏東北向，有效波高較小，模擬結(jié)果值大多低于0.5m，模擬結(jié)果的季節(jié)性差異較小上：區(qū)域波高波向圖（單位：m） 下：波向頻數(shù)分布圖從左到右依次是2008/1/15/12（冬）、2008/5/15/12（春）2008/8/15/12（夏）2008/10/15/12（秋）29海浪結(jié)果分析：網(wǎng)格加密后結(jié)果分析結(jié)論：1）灣內(nèi)網(wǎng)格大范圍加密波向變化比較復(fù)雜。

2）有效波高有明顯的季節(jié)性變化趨勢(shì)，對(duì)于灣外：秋冬季節(jié)有效波高較小，低于0.5m，春夏季節(jié)有效波高最大可達(dá)2m，但大多數(shù)區(qū)域有效波高也在0.5m范圍內(nèi)，東北海域要高于西南海域?yàn)硟?nèi)，因?yàn)晨谳^小，外海風(fēng)浪對(duì)其影響不大，在春季東北海域有一個(gè)明顯的大值區(qū)域，夏季西南部有一大值區(qū)域。網(wǎng)格加密后波向在各方位分布更為均勻上：區(qū)域波高波向圖（單位：m） 下：波向頻數(shù)分布圖從左到右依次是2008/1/15/12（冬）、2008/5/15/12（春）2008/8/15/12（夏）2008/10/15/12（秋）3006結(jié)論展望結(jié)論：通過模式FVCOM對(duì)膠州灣及其鄰近海域進(jìn)行潮汐、潮流數(shù)值模擬得出如下結(jié)論：潮汐類型為正規(guī)半日潮。灣外等振幅線和同潮時(shí)線大體垂直，灣外到灣內(nèi)各分潮的振幅逐漸增大，

M2、S2分潮增加的尺度范圍分別為28cm

10cm對(duì)灣外海域水位增幅影響較大；相位從東北到西南逐增，說明灣外潮波傳播方向?yàn)闁|北到西南。對(duì)于灣內(nèi)海域，從灣口向內(nèi)振幅增大但增大范圍較小，等振幅線趨于與岸線平行，等遲角線趨于與岸線垂直。因大橋的阻隔研究海域水位在大橋建成前后有2cm的變化范圍，漲潮時(shí)橋以北區(qū)域有橋水位要低于 無橋，落潮時(shí)橋以北海域有橋水位要高于無橋。無橋?yàn)晨诟浇某绷髯兓瘡?fù)雜流速較大，漲急時(shí)刻流速最大可達(dá)1.8m/s,落急時(shí)刻流速最大達(dá)1.6m/s，灣口有多個(gè)渦旋。有橋潮流在大橋位置處有較大的變化，因大橋的阻隔灣口處潮流變化不及無橋時(shí)復(fù)雜，漲急時(shí)刻的最大流速可達(dá)2.2883m/s，落急時(shí)刻的最大流速為1.4752m/s。兩者潮流均為東北西南走向。結(jié)論：33通過模式SWAN對(duì)膠州灣及其鄰近海域進(jìn)行海浪的數(shù)值模擬得出如下結(jié)論：1）因網(wǎng)格加密，進(jìn)一步精細(xì)化海底地形，模擬結(jié)果與未加密網(wǎng)格模擬結(jié)果存在差異。前者海浪存在明顯的季節(jié)變化，多數(shù)區(qū)域有效波高在0.5m范圍內(nèi)，灣外東北部存在最大值，可達(dá)2m，后者有效波高大都低于0.5m，且集中分布于正北到東部區(qū)域。因未與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，所以模式的準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步驗(yàn)證對(duì)于利用FVCOM進(jìn)行的潮汐