欽州灣潮流特性數值模擬研究

王宇龍 寧春平 鐘廣達

摘要：文章基于MIKE21軟件建立欽州灣地區水動力模型，并用實測水文數據進行驗證，運用該模型對2021年洪水期與枯水期欽州灣潮流場進行模擬，分析不同時期的潮流特性。結果表明：欽州灣地區潮流為不規則全日潮，枯水期潮差大于洪水期潮差，潮差大小受地形影響較大；潮流漲落為往復流，漲潮歷時大于落潮歷時，落潮流速大于漲潮流速，最大流速出現在灣頸龍門水道處；外灣最大流速出現在西槽處，東槽次之，中槽的集流束能效果在枯水期有所顯現，洪水期不明顯；三墩港口對外灣潮流影響較大，由于離岸碼頭的修建，阻隔了東側水體的流動，水體都由西側進出外灣。

關鍵詞：欽州灣；潮流場；數值模擬；MIKE21

中圖分類號：U612.23 A 05 011 4

0 引言

潮流是指海水在天體（太陽和月球）引力作用下進行周期性運動的現象，也是河口地區重要的水動力條件之一，開展潮流特性研究有助于更好地認識河口地區水動力過程。欽州灣是我國南部沿海的重要出?？谥?，一些專家學者通過對該地區潮流場的研究已得到一些成果。李樹華［1］根據實測資料與歷史資料對欽州灣潮流和溫鹽的分布進行總結，發現欽州灣潮波以駐波式振動為主，并帶有前進潮波的某些特征。陳波等［2］對廣西沿岸主要海灣的潮流進行數值計算，得到潮流均為往復流且落潮流速大于漲潮流的結論。邱紹芳等［3］根據觀測資料分析欽州灣潮流特性后得出：落潮流速大于漲潮流，東部最大漲落潮流速大于西部，最大流速出現在龍門水道附近；外灣（欽州灣）為氣旋式環流，水體東進西出，灣內泥沙等從西部進入外海。蔣磊明等［4］根據FV COM模型模擬結果與觀測資料，計算出欽州灣地區平均潮差納潮量為7.55×108 m3，大、小潮水交換的半更換周期分別為1.70個周期和4.53個周期。張伯虎等［5］根據實測資料與地形綜合分析，發現欽州灣的潮流深槽是潮流作用于葫蘆形復式港灣的必然產物，是在內灣納潮蓄能、灣頸狹道強流、頸口島礁分流噴射沖刷而成的，并給出了潮流深槽穩定臨界條件。董德信等［6］利用實測資料結合準調和分析方法總結了欽州灣潮流季節特征，發現欽州灣屬不規則全日潮海區，茅尾海潮流夏季強于冬季，潮汐河口在夏季受徑流影響強烈。呂赫等［7］基于無結構網格有限體積水動力模型分析了圍填海工程累積效應對水動力環境的影響，結果表明，工程后欽州灣外灣潮汐振幅減小，茅尾海內振幅增加，水體半交換周期有所增加且在圍填海地區水交換能力下降。李少朗等［8］利用潮流準調和分析方法，對2019年欽州灣近海海域３個站位的潮流資料進行了分析。

本文基于MIKE 21軟件水動力模型，對欽州灣潮流場進行模擬研究，分析該地區洪水期與枯水期的潮流特性，所得結果可為工程實施、災害防治等方面提供理論依據。

1 欽州灣數值模型

1.1 模型簡介

數值模型采用由丹麥水資源及水環境研究所（DHI）開發的MIKE 21軟件中的二維水動力模塊（FM），采用基于笛卡爾坐標下的平面非結構三角形網格系統，通過有限體積法對控制方程進行離散求解，該軟件在復雜邊界處理方面較穩定，計算結果精確，已在國內外許多工程研究中得到了廣泛應用，并得到業界的高度認可。

1.2 模型的建立

欽州灣近似于一個葫蘆海灣，灣首及灣口都很開闊，中部較窄，呈兩頭大中間細的喇叭狀，其主要由三大部分組成，即外灣、內灣、灣頸。外灣是欽州灣的主體部分，指灣口至灣頸的區域;灣頸指龍門水道;內灣指茅尾海一帶［1］。研究區域如圖1所示。

模型上游以欽江青年船閘為節點，包括青年水閘至欽江河口以及欽州灣，范圍大約為東西25.9? km、南北48.2 km的區域（圖2），建模長度約為48.8 km，面積約為320 km2，模型采用非結構三角形網格，非結構網格總共為185 400個。欽江段網格沿流向40 m，沿河寬方向約為20 m；沙井至欽州灣沿軸向50 m，模型基于2000國家大地坐標系建立，高程基于1985國家基準面。模型的上游為現青年水閘實測來流過程，下游為欽州灣海洋測站潮位過程。模型的計算時間步長為30 s，沿程河床糙率采用ks=0.05 m，陸地邊界采用干濕邊界辨別法，水深＜0.005 m時為干網格，水深＞0.1 m時為濕網格。

2 模型驗證

采用2021年枯水期實測的大、小潮潮流資料與模型計算結果進行驗證，驗證點位如圖1所示。驗證情況（圖3）表明，所建立的潮流數學模型的模擬結果無論是數值上還是相位上均與原型水體運動達到了較好的相似性，可用于當地水流運動規律的模擬中，結果具有良好的可信度，能夠較為真實地反映茅尾海及欽江河段的潮位、流速變化過程。

3 潮流特性分析

欽江是欽州灣地區水流主要來源，上游來流經河口流入茅尾海再通過龍門水道流入欽州灣外灣 ，在此取欽江（A點）、河口地區（B點）、茅尾海內（C點）、龍門水道（D點）4處作為特征點分析欽州灣地區潮流特性。

3.1 潮位特征

3.1.1 洪水期潮位（圖4）

在洪水期，欽州灣潮流為不規則全日潮，大潮時為規則的全日潮，小潮時有兩天發生了一天內出現兩次高潮與兩次低潮的情況，呈現半日潮特征；漲潮歷時（14 h）大于落潮歷時（10 h）。統計特征點位潮差情況，欽江最大潮差3.69 m，平均潮差1.58 m；河口地區最大潮差4.89 m，平均潮差2.53 m；茅尾海內最大潮差4.19 m，平均潮差2.34 m；龍門水道處最大潮差4.69 m，平均潮差2.45 m。潮差由大到小依次為河口地區、龍門水道、茅尾海內、欽江。潮差的大小受引潮力、地形等因素的影響，隨著潮汐上涌潮差逐漸減小，欽州灣由于其獨特的葫蘆形結構，最大潮差出現在地形收束的河口地區，潮汐上溯到欽江河道內時經歷了能量損耗，導致潮差變小。

3.1.2 枯水期潮位（圖5）

在枯水期，潮流同洪水期相同，仍為不規則全日潮，僅在小潮出現兩次半日潮特征，漲潮歷時大于落潮歷時。統計特征點位潮差情況，如表1所示，欽江最大潮差4.17 m，平均潮差2.17 m；河口地區最大潮差5.67 m，平均潮差2.63 m；茅尾海內最大潮差4.63 m，平均潮差2.40 m；龍門水道處最大潮差5.49 m，平均潮差2.63 m。潮差由大到小依次為河口地區、龍門水道、茅尾海內、欽江，該特征與洪水期相同。由于枯水期上游來流變小，外海潮汐優勢更加明顯，與洪水期相比各點潮差均有所增大，欽江最大潮差增大0.48 m，平均潮差增大0.59 m；河口地區最大潮差增大0.78 m，平均潮差增大0.1 m；茅尾海內最大潮差增大0.44 m，平均潮差增大0.06 m；龍門水道最大潮差增大0.8 m，平均潮差增大0.18 m。4個典型區域最大潮差增幅均＞0.4 m，平均潮差中，只有欽江內增幅較大。

3.2 流速與流場特征

3.2.1 洪水期

在洪水期時，由流向圖（圖6）與流速圖（圖7）可以看出，欽州灣水流呈現往復流的特征，最大流速出現在龍門水道處（D點）；洪水期欽江（A點）漲潮平均流速0.34 m/s，最大流速0.78 m/s，落潮平均流速0.48 m/s，最大流速0.79 m/s；河口處漲潮平均流速0.14 m/s，最大流速0.27 m/s，落潮平均流速0.16 m/s，最大流速0.39 m/s；茅尾海內漲潮平均流速0.17 m/s，最大流速0.45 m/s，落潮平均流速0.26 m/s，最大流速0.47 m/s；龍門水道處漲潮平均流速0.42 m/s，最大流速1.01 m/s，落潮平均流速0.55 m/s，最大流速1.01 m/s。流速從大到小依次為龍門水道、欽江、茅尾海、河口。

由圖8可知，漲潮時潮流沿西南方向流入外灣，最大流速出現在西槽［5］處，東槽次之，中槽集流效果未顯現，這可能與填海工程與河口淤積等的影響有關，水流隨后在外灣轉西北方向經龍門水道進入茅尾海，三墩碼頭的修建阻隔了外灣東側水體的流動，水流全部由西側進出。落潮時潮流方向與漲潮時方向相反，特征類似。欽州灣內漲急落急時刻最大流速都出現在灣頸龍門水道附近，落潮流速大于漲潮流速，這與以往的研究結論相同。

3.2.2 枯水期

枯水期時，欽州灣潮流漲退流向呈現明顯的往復流特點，由于地形的收束作用，最大流速出現在龍門水道處，落潮流速大于漲潮流速?？菟跉J江內漲潮平均流速0.31 m/s，最大流速0.97 m/s，落潮平均流速0.45 m/s，最大流速0.74 m/s；河口處漲潮平均流速0.12 m/s，最大流速0.30 m/s，落潮平均流速0.16 m/s，最大流速0.34 m/s；茅尾海內漲潮平均流速0.14 m/s，最大流速0.47 m/s，落潮平均流速0.24 m/s，最大流速0.51 m/s；龍門水道處漲潮平均流速0.42 m/s，最大流速1.21 m/s，落潮平均流速0.58 m/s，最大流速1.25 m/s。如表2、圖9～11所示，相較于洪水期，枯水期漲潮最大流速都有所增大，漲潮平均流速在欽江、河口、茅尾海處減小，龍門水道點未變；落潮最大流速在欽江、河口減小，在茅尾海、龍門水道增大，落潮平均流速在欽江、茅尾海減小，龍門水道增大，茅尾海未變。其中欽江漲潮最大流速、龍門水道漲落潮最大流速變化較大，其他地方變化幅度較小，流速大小排序與洪水期相同，依次為龍門水道、欽江、茅尾海、河口。

此外，相比于洪水期，欽州灣外灣中槽的束流集能作用更加明顯，特別在漲急時刻，外灣3條深槽處流速明顯大于其他地方，流速西槽＞東槽＞中槽，其他區域流態并未發生明顯變化。

4 結語

本文基于MIKE 21軟件建立欽州灣地區水動力模型，模擬并分析2021年洪水期與枯水期的潮流特性，最終得出以下結論：

（1）欽州灣地區潮流為不規則全日潮，大潮時為全日潮，小潮時出現幾日半日潮，枯水期潮差大于洪水期潮差，典型點位洪水期最大潮差4.89 m，枯水期最大潮差5.67 m，潮差受地形影響較大。

（2）欽州灣潮流漲落為往復流，漲潮歷時大于落潮歷時，由于地形收束作用，最大流速出現在灣頸龍門水道處，落潮流速大于漲潮流速，典型點位洪水期最大流速可達1.01 m/s，枯水期可達1.25 m/s。

（3）外灣最大流速出現在西槽處，東槽次之，中槽集流束能效果在枯水期有所顯現，在洪水期不明顯。三墩港口對欽州灣外灣潮流影響較大，由于離岸碼頭的修建，外灣流態發生改變，水體為西進西出。

參考文獻

［1］李樹華.欽州灣的流況及其水文特征［J］.海洋湖沼通報，1988（3）：15-20.

［2］陳 波，邱紹芳，葛文標，等.廣西沿岸主要海灣潮流的數值計算［J］.廣西科學，2001（4）：295-300.

［3］邱紹芳，侍茂崇，陳 波.欽州灣潮流特征分析［J］.海洋通報，2003，22（3）：9-14.

［4］蔣磊明，陳 波，邱紹芳，等.欽州灣潮流模擬及其納潮量和水交換周期計算［J］.廣西科學，2009，16（2）：193-195，199.

［5］張伯虎，陳沈良，谷國傳，等.欽州灣潮流深槽的成因與穩定性探討［J］.海岸工程，2010，29（3）：43-50.

［6］董德信，李誼純，陳憲云，等.欽州灣潮流季節變化特征［J］.廣西科學，2014，21（4）：351-356.

［7］呂 赫，張少峰，宋德海，等.圍填海累積效應對欽州灣水動力環境的影響［J］.海洋與湖沼，2021，52（4）：823-833.

［8］李少朗，崔力維，馬 欣.基于實測資料的欽州灣外海海域潮流特征分析［J］.海洋湖沼通報，2022，44（6）：33-40.

收稿日期：2023-10-08