基于多模型耦合的潮汐通道地貌特征數(shù)值模擬與演變機(jī)制研究一、引言1.1研究背景與意義潮汐通道作為連接海洋與內(nèi)陸水域的關(guān)鍵紐帶，在海洋生態(tài)系統(tǒng)維持、海岸工程建設(shè)以及海洋資源開發(fā)等領(lǐng)域扮演著舉足輕重的角色。從海洋生態(tài)視角出發(fā)，潮汐通道是眾多海洋生物的洄游路徑與棲息場(chǎng)所，其獨(dú)特的水動(dòng)力條件和地貌特征，為海洋生物提供了多樣化的生存環(huán)境，對(duì)海洋生物多樣性的保護(hù)意義非凡。以長(zhǎng)江口潮汐通道為例，這里是中華鱘等珍稀物種的重要洄游通道，每年大量中華鱘會(huì)沿著潮汐通道往返于海洋與長(zhǎng)江上游的產(chǎn)卵場(chǎng)，潮汐通道的穩(wěn)定與否，直接關(guān)系到這些珍稀物種的繁衍和生存。在海岸工程方面，潮汐通道的穩(wěn)定性和演變規(guī)律是港口、航道等工程建設(shè)的重要考量因素。例如，天津港的建設(shè)就充分考慮了渤海灣潮汐通道的特性，潮汐通道的水動(dòng)力條件決定了港口的選址、航道的走向以及防波堤的設(shè)計(jì)等。若對(duì)潮汐通道的研究不足，可能導(dǎo)致港口淤積嚴(yán)重，影響船舶通航，增加維護(hù)成本，甚至威脅到工程的安全運(yùn)營(yíng)。隨著海洋資源開發(fā)的不斷深入，潮汐通道的重要性愈發(fā)凸顯。潮汐能作為一種清潔、可再生能源，其開發(fā)利用與潮汐通道的水動(dòng)力特性密切相關(guān)。合理開發(fā)潮汐能不僅有助于緩解能源壓力，還能減少對(duì)傳統(tǒng)化石能源的依賴，降低碳排放，對(duì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)具有重要意義。如法國(guó)朗斯潮汐電站，依托朗斯河口的潮汐通道，成功實(shí)現(xiàn)了潮汐能的大規(guī)模開發(fā)利用，為當(dāng)?shù)靥峁┝舜罅壳鍧嵞茉础Ｈ欢?，潮汐通道地貌受到多種復(fù)雜因素的交互影響，包括潮汐、波浪、海流、泥沙輸運(yùn)以及人類活動(dòng)等，其演變過程極為復(fù)雜。傳統(tǒng)的研究方法，如實(shí)地觀測(cè)和物理模型試驗(yàn)，雖然能夠獲取一定的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，但存在觀測(cè)范圍有限、成本高昂以及難以全面揭示復(fù)雜的相互作用機(jī)制等弊端。數(shù)值模擬技術(shù)的興起，為潮汐通道地貌研究開辟了新的路徑。通過建立數(shù)值模型，可以對(duì)潮汐通道內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)、泥沙輸移和地貌演變進(jìn)行系統(tǒng)模擬，深入探究各因素之間的內(nèi)在聯(lián)系和作用規(guī)律，從而為海洋生態(tài)保護(hù)、海岸工程設(shè)計(jì)以及海洋資源開發(fā)提供更為科學(xué)、精準(zhǔn)的決策依據(jù)。例如，在荷蘭瓦登海潮汐通道體系的研究中，通過數(shù)值模擬，清晰地揭示了泥沙在潮汐通道與近岸區(qū)域的交換過程，為當(dāng)?shù)乩醚a(bǔ)沙育灘來管理和維護(hù)海岸提供了關(guān)鍵的科學(xué)指導(dǎo)。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在潮汐通道地貌特征的研究領(lǐng)域，國(guó)外起步相對(duì)較早。早期，學(xué)者們主要通過實(shí)地觀測(cè)和簡(jiǎn)單的理論分析來探索潮汐通道的基本特征。例如，在20世紀(jì)中葉，美國(guó)學(xué)者對(duì)切薩皮克灣潮汐通道進(jìn)行了長(zhǎng)期觀測(cè)，詳細(xì)記錄了通道內(nèi)的水流速度、水位變化以及泥沙分布等數(shù)據(jù)，初步揭示了潮汐通道的水動(dòng)力與泥沙輸運(yùn)的基本規(guī)律。隨著技術(shù)的發(fā)展，物理模型試驗(yàn)逐漸成為重要的研究手段。在20世紀(jì)70年代，荷蘭科學(xué)家利用大型物理模型，模擬了瓦登海潮汐通道體系，深入研究了潮汐、波浪和泥沙之間的相互作用，為潮汐通道地貌演變的研究提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。數(shù)值模擬技術(shù)在國(guó)外潮汐通道研究中的應(yīng)用始于20世紀(jì)80年代。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值模型不斷完善，能夠更準(zhǔn)確地模擬潮汐通道內(nèi)復(fù)雜的水動(dòng)力過程和地貌演變。如丹麥水力學(xué)研究所開發(fā)的MIKE系列模型，被廣泛應(yīng)用于全球多個(gè)潮汐通道的研究中。通過該模型，研究者對(duì)英國(guó)泰晤士河河口潮汐通道進(jìn)行模擬，成功預(yù)測(cè)了通道內(nèi)的水流結(jié)構(gòu)和泥沙輸移路徑，為河口的治理和保護(hù)提供了科學(xué)依據(jù)。近年來，國(guó)外在潮汐通道數(shù)值模擬研究中，更加注重多學(xué)科交叉融合，結(jié)合海洋學(xué)、地質(zhì)學(xué)、生態(tài)學(xué)等學(xué)科知識(shí)，深入探究潮汐通道地貌演變對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響。國(guó)內(nèi)對(duì)潮汐通道地貌特征的研究，早期主要集中在對(duì)河口海岸地區(qū)潮汐通道的形態(tài)描述和簡(jiǎn)單的動(dòng)力分析。20世紀(jì)80年代，我國(guó)學(xué)者對(duì)長(zhǎng)江口、黃河口等大型河口潮汐通道進(jìn)行了系統(tǒng)的地貌調(diào)查，分析了潮汐通道的平面形態(tài)、縱剖面特征以及沉積物分布規(guī)律。此后，物理模型試驗(yàn)在國(guó)內(nèi)逐漸開展，為潮汐通道的研究提供了更直觀的認(rèn)識(shí)。如在珠江口伶仃洋潮汐通道的研究中，通過物理模型試驗(yàn)，深入探討了通道內(nèi)的潮流特性和泥沙淤積規(guī)律，為珠江口的航道整治提供了重要參考。數(shù)值模擬技術(shù)在國(guó)內(nèi)潮汐通道研究中的應(yīng)用相對(duì)較晚，但發(fā)展迅速。20世紀(jì)90年代以來，國(guó)內(nèi)學(xué)者開始引進(jìn)和開發(fā)適合我國(guó)海域特點(diǎn)的數(shù)值模型。如基于有限差分法、有限元法等數(shù)值方法，建立了一系列潮汐潮流和泥沙輸運(yùn)模型，對(duì)我國(guó)多個(gè)潮汐通道進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。在膠州灣潮汐通道的研究中，利用自主開發(fā)的數(shù)值模型，模擬了通道內(nèi)的水動(dòng)力和地貌演變過程，揭示了人類活動(dòng)對(duì)潮汐通道的影響機(jī)制。近年來，國(guó)內(nèi)在潮汐通道數(shù)值模擬研究方面，不斷拓展研究領(lǐng)域，加強(qiáng)對(duì)復(fù)雜地形、多因素耦合作用以及長(zhǎng)期演變過程的模擬研究。盡管國(guó)內(nèi)外在潮汐通道地貌特征研究及數(shù)值模擬應(yīng)用方面取得了豐碩成果，但仍存在一些不足之處。在數(shù)值模擬方面，部分模型對(duì)復(fù)雜地形的處理能力有限，難以準(zhǔn)確模擬潮汐通道內(nèi)的局部水流和泥沙運(yùn)動(dòng)；對(duì)多因素耦合作用的模擬，如潮汐、波浪、海流和人類活動(dòng)等因素的綜合影響，還存在一定的局限性；此外，模型的驗(yàn)證和校準(zhǔn)工作，仍依賴于有限的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的時(shí)空覆蓋范圍有待進(jìn)一步擴(kuò)大。在地貌特征研究方面，對(duì)潮汐通道地貌演變的長(zhǎng)期趨勢(shì)預(yù)測(cè)能力不足，缺乏對(duì)不同時(shí)間尺度下地貌演變機(jī)制的深入理解；對(duì)潮汐通道生態(tài)地貌的研究相對(duì)薄弱，未能充分揭示地貌特征與生態(tài)系統(tǒng)之間的相互關(guān)系。本文旨在針對(duì)現(xiàn)有研究的不足，通過改進(jìn)數(shù)值模型，提高對(duì)復(fù)雜地形和多因素耦合作用的模擬能力；結(jié)合更豐富的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)模型進(jìn)行精細(xì)驗(yàn)證和校準(zhǔn)；深入研究潮汐通道地貌演變的長(zhǎng)期趨勢(shì)和生態(tài)地貌特征，以期為潮汐通道的科學(xué)管理和可持續(xù)發(fā)展提供更全面、準(zhǔn)確的理論支持。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在借助先進(jìn)的數(shù)值模擬技術(shù)，深入剖析潮汐通道地貌特征及其演變規(guī)律，為潮汐通道的科學(xué)管理和合理開發(fā)提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。具體研究目標(biāo)如下：構(gòu)建高精度數(shù)值模型：建立能夠準(zhǔn)確模擬潮汐通道水動(dòng)力和泥沙輸移過程的數(shù)值模型，充分考慮潮汐、波浪、海流、地形等多因素的耦合作用，提高模型對(duì)復(fù)雜物理過程的模擬能力。揭示地貌演變機(jī)制：通過數(shù)值模擬和數(shù)據(jù)分析，深入探究潮汐通道地貌演變的內(nèi)在機(jī)制，明確各因素在地貌演變過程中的作用方式和相對(duì)貢獻(xiàn)，為預(yù)測(cè)潮汐通道的長(zhǎng)期演變趨勢(shì)奠定基礎(chǔ)。評(píng)估人類活動(dòng)影響：定量評(píng)估人類活動(dòng)，如圍填海、港口建設(shè)、航道疏浚等，對(duì)潮汐通道地貌的影響程度，提出針對(duì)性的保護(hù)和修復(fù)措施，以實(shí)現(xiàn)潮汐通道的可持續(xù)發(fā)展。驗(yàn)證和優(yōu)化模型：利用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)和歷史資料，對(duì)建立的數(shù)值模型進(jìn)行全面驗(yàn)證和校準(zhǔn)，不斷優(yōu)化模型參數(shù)和算法，提高模型的可靠性和預(yù)測(cè)精度。圍繞上述研究目標(biāo)，本研究擬開展以下具體內(nèi)容：數(shù)據(jù)收集與整理：廣泛收集研究區(qū)域內(nèi)的潮汐、波浪、海流、地形、沉積物等相關(guān)數(shù)據(jù)，以及歷史海圖、遙感影像等資料。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)整理和分析，為后續(xù)的數(shù)值模擬和研究提供數(shù)據(jù)支持。例如，收集長(zhǎng)江口潮汐通道多年的潮位、流速、流向數(shù)據(jù)，以及不同時(shí)期的水下地形測(cè)量數(shù)據(jù)，建立長(zhǎng)江口潮汐通道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。數(shù)值模型建立與驗(yàn)證：基于計(jì)算流體力學(xué)原理，選用合適的數(shù)值方法，如有限差分法、有限元法或有限體積法，建立潮汐通道水動(dòng)力和泥沙輸移的數(shù)值模型。通過與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)和已有研究成果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證和校準(zhǔn)，確保模型的準(zhǔn)確性和可靠性。以黃河口潮汐通道為例，利用有限體積法建立三維水動(dòng)力和泥沙輸移模型，將模擬結(jié)果與黃河口實(shí)測(cè)的流速、流向、含沙量等數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，不斷調(diào)整模型參數(shù)，使模型能夠準(zhǔn)確模擬黃河口潮汐通道的水動(dòng)力和泥沙輸移過程。地貌特征分析：運(yùn)用建立的數(shù)值模型，對(duì)潮汐通道的地貌特征進(jìn)行模擬分析，包括通道的平面形態(tài)、縱剖面特征、橫斷面特征等。研究不同地貌特征的形成機(jī)制和影響因素，以及地貌特征在不同時(shí)間尺度下的變化規(guī)律。以珠江口伶仃洋潮汐通道為例，通過數(shù)值模擬分析伶仃洋潮汐通道的平面形態(tài)演變，探討河口攔門沙的形成與演變機(jī)制，以及其對(duì)潮汐通道水動(dòng)力和泥沙輸移的影響。影響因素分析：深入研究潮汐、波浪、海流、泥沙輸運(yùn)、地形等因素對(duì)潮汐通道地貌演變的影響。通過數(shù)值實(shí)驗(yàn)，分析各因素的單獨(dú)作用和相互耦合作用，明確各因素在地貌演變過程中的主次關(guān)系和關(guān)鍵作用點(diǎn)。例如，在渤海灣潮汐通道研究中，通過數(shù)值模擬分別改變潮汐、波浪、海流的強(qiáng)度和方向，觀察渤海灣潮汐通道地貌的變化，分析各因素對(duì)渤海灣潮汐通道地貌演變的影響程度和作用機(jī)制。人類活動(dòng)影響評(píng)估：考慮圍填海、港口建設(shè)、航道疏浚等人類活動(dòng)對(duì)潮汐通道地貌的影響，將人類活動(dòng)因素納入數(shù)值模型中進(jìn)行模擬分析。評(píng)估人類活動(dòng)導(dǎo)致的潮汐通道水動(dòng)力和泥沙輸移變化，以及由此引起的地貌演變和生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。以曹妃甸港區(qū)開發(fā)為例，利用數(shù)值模型模擬曹妃甸港區(qū)圍填海前后潮汐通道的水動(dòng)力和泥沙輸移變化，分析圍填海工程對(duì)曹妃甸潮汐通道地貌演變的影響，評(píng)估其對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境的潛在影響。保護(hù)與修復(fù)策略研究：根據(jù)研究結(jié)果，結(jié)合潮汐通道的實(shí)際情況，提出科學(xué)合理的保護(hù)和修復(fù)策略。包括制定合理的開發(fā)規(guī)劃、加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)措施、優(yōu)化工程設(shè)計(jì)等，以減少人類活動(dòng)對(duì)潮汐通道地貌的負(fù)面影響，維護(hù)潮汐通道的生態(tài)平衡和可持續(xù)發(fā)展。如針對(duì)膠州灣潮汐通道的保護(hù)與修復(fù)，提出限制圍填?；顒?dòng)、加強(qiáng)入海河流污染治理、開展生態(tài)修復(fù)工程等具體措施，以恢復(fù)膠州灣潮汐通道的生態(tài)功能和地貌穩(wěn)定性。1.4研究方法與技術(shù)路線本研究綜合運(yùn)用多種研究方法，旨在全面、深入地探究潮汐通道地貌特征。數(shù)值模擬方法是核心手段，借助先進(jìn)的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)，構(gòu)建高精度的潮汐通道水動(dòng)力和泥沙輸移數(shù)值模型。在模型構(gòu)建過程中，選用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散求解。有限體積法在處理復(fù)雜邊界條件和不規(guī)則網(wǎng)格時(shí)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，能夠精確地捕捉潮汐通道內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)和泥沙輸移細(xì)節(jié)。例如，在模擬長(zhǎng)江口潮汐通道時(shí)，有限體積法可以靈活地適應(yīng)長(zhǎng)江口復(fù)雜的地形地貌，包括河口寬窄變化、水下沙洲分布等情況，準(zhǔn)確地計(jì)算出水流在不同區(qū)域的流速、流向以及泥沙的輸移路徑和淤積分布。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)潮汐、波浪、海流、地形等多因素耦合作用的模擬，模型中集成了多個(gè)物理模塊。潮汐模塊基于調(diào)和分析方法，考慮多個(gè)主要分潮的作用，精確模擬潮汐的周期性漲落過程。通過對(duì)歷史潮汐數(shù)據(jù)的分析，確定各分潮的調(diào)和常數(shù)，從而準(zhǔn)確地再現(xiàn)潮汐的變化規(guī)律。波浪模塊采用SWAN（SimulatingWAvesNearshore）模型，該模型能夠考慮波浪的生成、傳播、折射、繞射和破碎等復(fù)雜過程。在模擬渤海灣潮汐通道時(shí)，SWAN模型可以根據(jù)渤海灣的風(fēng)場(chǎng)條件、水深地形等因素，準(zhǔn)確地計(jì)算出波浪的參數(shù)，如波高、波長(zhǎng)、波向等，為研究波浪對(duì)潮汐通道地貌的影響提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。海流模塊則考慮了風(fēng)生流、密度流等多種因素，通過求解動(dòng)量方程來確定海流的流速和流向。地形模塊則利用高精度的地形數(shù)據(jù)，如多波束測(cè)深數(shù)據(jù)、LiDAR（LightDetectionandRanging）測(cè)量數(shù)據(jù)等，準(zhǔn)確地描述潮汐通道的地形地貌特征。將這些物理模塊進(jìn)行有機(jī)耦合，能夠全面地模擬潮汐通道內(nèi)復(fù)雜的水動(dòng)力和泥沙輸移過程。除了數(shù)值模擬方法，還結(jié)合了現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和數(shù)據(jù)分析方法。在研究區(qū)域內(nèi)設(shè)置多個(gè)觀測(cè)站位，運(yùn)用先進(jìn)的測(cè)量?jī)x器，如聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）、激光粒度儀、水質(zhì)多參數(shù)監(jiān)測(cè)儀等，實(shí)時(shí)獲取潮汐、波浪、海流、含沙量、水質(zhì)等數(shù)據(jù)。通過對(duì)這些現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析，不僅可以驗(yàn)證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，還能為模型提供更加準(zhǔn)確的初始條件和邊界條件。例如，在珠江口伶仃洋潮汐通道的研究中，通過在通道內(nèi)設(shè)置多個(gè)ADCP觀測(cè)站位，獲取了不同位置、不同時(shí)刻的流速、流向數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者具有較好的一致性，從而驗(yàn)證了數(shù)值模型的可靠性。同時(shí)，利用激光粒度儀對(duì)海底沉積物進(jìn)行粒度分析，獲取了沉積物的粒徑分布、分選性等參數(shù)，為研究泥沙的輸移和沉積過程提供了重要依據(jù)。研究還采用了敏感性分析和參數(shù)優(yōu)化方法。通過改變數(shù)值模型中的參數(shù)，如糙率、泥沙沉降速度、波浪破碎系數(shù)等，分析各參數(shù)對(duì)模擬結(jié)果的影響程度，從而確定模型的敏感參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用優(yōu)化算法對(duì)敏感參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高模型的模擬精度。例如，在研究膠州灣潮汐通道地貌演變時(shí)，通過敏感性分析發(fā)現(xiàn)糙率和泥沙沉降速度對(duì)模擬結(jié)果的影響較大。利用遺傳算法對(duì)這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使模型能夠更好地再現(xiàn)膠州灣潮汐通道的地貌演變過程。本研究的技術(shù)路線如下：首先，廣泛收集研究區(qū)域內(nèi)的潮汐、波浪、海流、地形、沉積物等相關(guān)數(shù)據(jù)，以及歷史海圖、遙感影像等資料，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和預(yù)處理。然后，基于有限體積法建立潮汐通道水動(dòng)力和泥沙輸移的數(shù)值模型，對(duì)模型進(jìn)行初始化設(shè)置，并利用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和校準(zhǔn)。在校準(zhǔn)后的模型基礎(chǔ)上，進(jìn)行不同工況下的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，分析潮汐通道的地貌特征及其演變規(guī)律，包括通道的平面形態(tài)、縱剖面特征、橫斷面特征等。同時(shí)，研究潮汐、波浪、海流、泥沙輸移、地形等因素對(duì)潮汐通道地貌演變的影響，以及人類活動(dòng)對(duì)潮汐通道地貌的影響。最后，根據(jù)研究結(jié)果提出科學(xué)合理的保護(hù)和修復(fù)策略，并對(duì)研究成果進(jìn)行總結(jié)和展望。技術(shù)路線圖如圖1所示：[此處插入技術(shù)路線圖，圖中清晰展示從數(shù)據(jù)收集到模型建立、模擬分析、結(jié)果討論以及策略提出的整個(gè)流程，各步驟之間用箭頭清晰連接，標(biāo)注關(guān)鍵環(huán)節(jié)和數(shù)據(jù)流向][此處插入技術(shù)路線圖，圖中清晰展示從數(shù)據(jù)收集到模型建立、模擬分析、結(jié)果討論以及策略提出的整個(gè)流程，各步驟之間用箭頭清晰連接，標(biāo)注關(guān)鍵環(huán)節(jié)和數(shù)據(jù)流向]二、潮汐通道地貌特征與形成機(jī)制2.1潮汐通道地貌特征概述2.1.1平面形態(tài)特征潮汐通道在平面上呈現(xiàn)出豐富多樣的形態(tài)，其走向與海岸形態(tài)密切相關(guān)。在基巖海岸地區(qū)，潮汐通道通常受基巖地形的控制，走向較為穩(wěn)定，常沿著基巖的斷裂、節(jié)理等薄弱部位發(fā)育。例如，膠州灣潮汐通道，其走向基本與膠州灣的輪廓一致，受到周邊基巖山體的約束。這種基巖控制的潮汐通道，平面形態(tài)相對(duì)規(guī)則，彎曲程度較小。而在砂質(zhì)海岸和淤泥質(zhì)海岸，潮汐通道的走向則更多地受到潮汐、波浪和泥沙輸運(yùn)的影響。在一些開闊的砂質(zhì)海岸，潮汐通道可能會(huì)隨著沿岸流和波浪的作用而發(fā)生遷移。如美國(guó)北卡羅來納州的哈特拉斯角附近的潮汐通道，由于受到強(qiáng)大的沿岸流和季節(jié)性風(fēng)暴浪的影響，通道的走向在幾十年間發(fā)生了明顯的變化，呈現(xiàn)出一定的擺動(dòng)特征。潮汐通道的彎曲程度也各不相同。一些潮汐通道具有明顯的彎曲形態(tài)，形成類似于蛇形的平面形狀。這種彎曲形態(tài)的形成與潮汐水流的慣性、科里奧利力以及海底地形的起伏有關(guān)。當(dāng)潮汐水流進(jìn)入通道時(shí)，由于受到科里奧利力的作用，水流會(huì)向一側(cè)偏移，導(dǎo)致通道逐漸彎曲。海底的沙洲、淺灘等地形起伏也會(huì)影響水流的方向，促使通道發(fā)生彎曲。以長(zhǎng)江口南支潮汐通道為例，其在平面上呈現(xiàn)出多個(gè)彎曲段，這些彎曲段的存在使得水流在通道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)更加復(fù)雜，也影響了泥沙的輸運(yùn)和沉積過程。分支情況也是潮汐通道平面形態(tài)的重要特征之一。部分潮汐通道會(huì)出現(xiàn)分支現(xiàn)象，形成復(fù)雜的通道網(wǎng)絡(luò)。分支的產(chǎn)生通常與河口地區(qū)的水流分汊、島嶼的存在以及海底地形的變化有關(guān)。在珠江口，由于眾多島嶼的分隔和水流的相互作用，潮汐通道呈現(xiàn)出復(fù)雜的分支結(jié)構(gòu)。伶仃洋內(nèi)的潮汐通道分支眾多，不同分支的水流特性和泥沙輸運(yùn)規(guī)律存在差異，這對(duì)珠江口的航道規(guī)劃和港口建設(shè)產(chǎn)生了重要影響。潮汐通道的平面形態(tài)與海岸形態(tài)之間存在著相互作用的關(guān)系。海岸形態(tài)為潮汐通道的發(fā)育提供了基礎(chǔ)條件，而潮汐通道的演變又會(huì)反過來影響海岸的形態(tài)。在淤泥質(zhì)海岸，潮汐通道的沖刷和淤積會(huì)導(dǎo)致海岸的進(jìn)退變化。當(dāng)潮汐通道發(fā)生淤積時(shí)，會(huì)使海岸向海推進(jìn)；而通道的沖刷則可能導(dǎo)致海岸后退。這種相互作用在黃河口地區(qū)表現(xiàn)得尤為明顯，黃河口的潮汐通道不斷演變，使得周邊的海岸形態(tài)也處于動(dòng)態(tài)變化之中。2.1.2剖面形態(tài)特征潮汐通道的橫剖面形態(tài)具有獨(dú)特的特點(diǎn)，其形狀和深度變化反映了潮汐、波浪和泥沙輸運(yùn)等多種因素的綜合作用。在橫剖面上，潮汐通道通常呈現(xiàn)出中間深、兩側(cè)淺的形態(tài)，類似于“U”型或“V”型。這種形態(tài)的形成與潮汐水流的沖刷作用密切相關(guān)。在漲潮和落潮過程中，強(qiáng)大的潮汐水流在通道中間流速較快，對(duì)海底的沖刷作用較強(qiáng)，從而形成了較深的槽溝；而在通道兩側(cè)，水流速度相對(duì)較慢，泥沙容易淤積，導(dǎo)致地勢(shì)相對(duì)較高。以渤海灣曹妃甸潮汐通道為例，其橫剖面在低潮位時(shí)，中間槽溝的深度可達(dá)10-15米，而兩側(cè)的淺灘水深一般在2-5米左右。在一些受波浪作用較強(qiáng)的潮汐通道，橫剖面形態(tài)可能會(huì)更加復(fù)雜。波浪的作用會(huì)使海底泥沙發(fā)生再懸浮和搬運(yùn)，在通道兩側(cè)形成沙壩等地貌形態(tài)，進(jìn)一步改變橫剖面的形狀。在江蘇沿海的一些潮汐通道，由于受到黃海波浪的影響，在通道兩側(cè)形成了明顯的沙壩，橫剖面呈現(xiàn)出中間深槽、兩側(cè)沙壩的形態(tài)。潮汐通道的縱剖面形態(tài)同樣復(fù)雜多樣，其深度變化和坡度特征在不同的區(qū)域存在差異。從陸向海，潮汐通道的縱剖面通常呈現(xiàn)出逐漸加深的趨勢(shì)。在靠近陸地的一端，由于河流的注入和陸源泥沙的堆積，水深相對(duì)較淺；隨著向海延伸，潮汐的作用逐漸增強(qiáng)，通道逐漸加深。如長(zhǎng)江口潮汐通道，從長(zhǎng)江口內(nèi)的淺水區(qū)向口外逐漸加深，在口門附近水深可達(dá)數(shù)十米。潮汐通道縱剖面的坡度也不盡相同。在一些河口地區(qū)，由于河流的徑流作用較強(qiáng)，潮汐通道的縱剖面坡度相對(duì)較陡，以利于河水的排泄。而在一些開闊的海灣地區(qū)，潮汐通道的縱剖面坡度則相對(duì)較緩。在膠州灣潮汐通道，靠近灣口的部分縱剖面坡度較緩，一般在0.1‰-0.5‰之間，這與該區(qū)域的潮汐和海流特性有關(guān)。在潮汐通道的縱剖面上，還可能存在一些特殊的地形起伏，如沙脊、淺灘等。這些地形起伏的形成與潮汐水流的分流、匯聚以及泥沙的沉積有關(guān)。在珠江口伶仃洋潮汐通道的縱剖面上，存在著一系列的沙脊，這些沙脊對(duì)水流的運(yùn)動(dòng)和泥沙的輸運(yùn)產(chǎn)生了重要影響，使得伶仃洋內(nèi)的水動(dòng)力條件和地貌演變更加復(fù)雜。2.1.3地貌單元組成潮汐通道包含多個(gè)獨(dú)特的地貌單元，這些地貌單元相互關(guān)聯(lián)，共同構(gòu)成了潮汐通道復(fù)雜的地貌體系。漲潮流三角洲是潮汐通道的重要地貌單元之一，它位于潮汐通道的內(nèi)側(cè)，是在漲潮過程中，潮流攜帶的泥沙在通道內(nèi)堆積形成的。漲潮流三角洲通常呈現(xiàn)出扇形或舌狀，其沉積物主要來源于外海，顆粒較粗，以砂質(zhì)為主。在膠州灣潮汐通道，漲潮流三角洲的沉積物中砂的含量可達(dá)70%-80%。漲潮流三角洲的發(fā)育與潮汐的強(qiáng)弱、泥沙的供給以及通道的幾何形態(tài)等因素密切相關(guān)。當(dāng)潮汐較強(qiáng)，泥沙供給充足時(shí)，漲潮流三角洲的規(guī)模會(huì)較大。落潮流三角洲則位于潮汐通道的外側(cè)，是在落潮過程中，潮流攜帶的泥沙在通道口外堆積形成的。落潮流三角洲的形態(tài)一般比漲潮流三角洲更為復(fù)雜，其沉積物顆粒相對(duì)較細(xì)，除了砂質(zhì)外，還含有較多的粉砂和黏土。在長(zhǎng)江口潮汐通道，落潮流三角洲的沉積物中粉砂和黏土的含量可達(dá)30%-40%。落潮流三角洲的發(fā)育受到潮汐、波浪和沿岸流等多種因素的影響。波浪的作用會(huì)使落潮流三角洲的邊緣受到侵蝕，而沿岸流則可能會(huì)將落潮流三角洲的泥沙搬運(yùn)到其他區(qū)域。潮灘是潮汐通道周邊常見的地貌單元，它是在潮汐漲落過程中，泥沙在海岸帶堆積形成的。潮灘的地形較為平坦，沉積物以細(xì)粒的粉砂和黏土為主。潮灘根據(jù)其與潮汐的關(guān)系，可分為高潮灘、中潮灘和低潮灘。高潮灘在高潮位時(shí)被海水淹沒，低潮位時(shí)露出水面；中潮灘在大部分時(shí)間內(nèi)處于干濕交替的狀態(tài)；低潮灘則在低潮位時(shí)才露出水面。潮灘的發(fā)育與泥沙的供給、潮汐的強(qiáng)弱以及海岸的地形等因素有關(guān)。在淤泥質(zhì)海岸，由于泥沙供給豐富，潮汐作用較強(qiáng)，潮灘的發(fā)育較為廣泛。江蘇沿海的淤泥質(zhì)海岸，潮灘寬度可達(dá)數(shù)公里，是重要的濕地生態(tài)系統(tǒng)。除了上述主要地貌單元外，潮汐通道還可能包含其他一些地貌形態(tài)，如沙波、沙脊等。沙波是在水流作用下，海底泥沙堆積形成的波狀起伏地形，其波長(zhǎng)和波高大小不一，通常與水流的流速和泥沙的粒徑有關(guān)。沙脊則是長(zhǎng)條狀的海底堆積地貌，它的形成與潮汐水流的分流、匯聚以及泥沙的沉積有關(guān)。在渤海灣潮汐通道，存在著一系列的沙脊，這些沙脊對(duì)潮汐通道內(nèi)的水流和泥沙輸運(yùn)產(chǎn)生了重要影響。2.2潮汐通道形成機(jī)制2.2.1潮汐動(dòng)力作用潮汐作為塑造潮汐通道地貌的關(guān)鍵動(dòng)力，其漲落過程對(duì)通道地貌產(chǎn)生了多方面的深刻影響。潮汐漲落過程中，潮流流速和流向呈現(xiàn)出復(fù)雜的變化規(guī)律。在漲潮階段，海水從外海向潮汐通道涌入，潮流流速逐漸增大。以長(zhǎng)江口潮汐通道為例，在大潮期間，漲潮流速在口門附近可達(dá)1-2米/秒。隨著潮水向內(nèi)陸推進(jìn)，由于通道寬度和水深的變化，流速也會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變。當(dāng)潮流進(jìn)入狹窄的通道段時(shí)，流速會(huì)進(jìn)一步加快，產(chǎn)生較強(qiáng)的沖刷力；而在開闊的區(qū)域，流速則相對(duì)減緩。在黃河口潮汐通道，漲潮時(shí)潮流在狹窄的河槽內(nèi)流速加快，對(duì)河槽底部和兩岸的沖刷作用明顯，使得河槽不斷加深和拓寬。落潮階段，潮流則由內(nèi)陸向海洋回流，流速同樣會(huì)受到通道地形的影響。在落潮初期，由于水位差較大，潮流流速迅速增大，對(duì)通道內(nèi)的泥沙產(chǎn)生較強(qiáng)的搬運(yùn)能力。隨著落潮的進(jìn)行，水位逐漸降低，流速也隨之減小。在珠江口伶仃洋潮汐通道，落潮時(shí)潮流攜帶大量泥沙向口外輸送，在口門附近形成落潮流三角洲。潮流流速和流向的變化對(duì)泥沙搬運(yùn)起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)潮流流速較大時(shí)，能夠攜帶更多的泥沙，并且泥沙的搬運(yùn)距離也更遠(yuǎn)。在漲潮過程中，潮流將外海的泥沙帶入潮汐通道，為通道內(nèi)的地貌塑造提供了物質(zhì)來源。而在落潮時(shí)，潮流又將通道內(nèi)的泥沙帶出，影響著通道外的地貌變化。在渤海灣曹妃甸潮汐通道，漲潮時(shí)潮流攜帶的泥沙在通道內(nèi)堆積，形成了漲潮流三角洲；落潮時(shí)，潮流將三角洲上的部分泥沙搬運(yùn)至通道外，導(dǎo)致落潮流三角洲的發(fā)育。潮流流向的改變也會(huì)影響泥沙的搬運(yùn)路徑。在潮汐通道內(nèi)，潮流流向可能會(huì)因?yàn)榈匦蔚钠鸱?、島嶼的存在等因素而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這種流向的變化使得泥沙在不同區(qū)域堆積或沖刷，進(jìn)而塑造出復(fù)雜的地貌形態(tài)。在膠州灣潮汐通道，由于灣內(nèi)島嶼和海底地形的影響，潮流流向發(fā)生多次改變，導(dǎo)致泥沙在灣內(nèi)不同區(qū)域堆積，形成了獨(dú)特的灘-槽-脊型地貌模式。潮汐的強(qiáng)弱對(duì)潮汐通道地貌特征有著顯著的影響。強(qiáng)潮環(huán)境下，潮汐的能量較大，潮流流速更快，對(duì)海底的沖刷作用更強(qiáng)，能夠塑造出更深、更寬的潮汐通道。例如，在法國(guó)圣米歇爾灣潮汐通道，由于受到強(qiáng)潮的作用，通道深度可達(dá)數(shù)十米，寬度也較為寬闊。而在弱潮環(huán)境下，潮汐的能量相對(duì)較小，潮流流速較慢，泥沙更容易淤積，導(dǎo)致潮汐通道相對(duì)較淺、較窄。在一些小型海灣的潮汐通道，由于潮汐作用較弱，通道內(nèi)泥沙淤積嚴(yán)重，水深較淺，寬度也較窄。2.2.2泥沙輸移過程泥沙在潮汐通道中的來源廣泛，主要包括陸源泥沙、海源泥沙以及海岸侵蝕產(chǎn)生的泥沙。陸源泥沙主要來自于河流的輸入。河流攜帶大量泥沙從陸地流入海洋，在河口地區(qū)，這些泥沙成為潮汐通道的重要物質(zhì)來源。以長(zhǎng)江為例，長(zhǎng)江每年攜帶約4.7億噸泥沙入海，其中大部分泥沙在長(zhǎng)江口潮汐通道附近沉積或參與泥沙輸移過程。河流泥沙的粒徑和組成受到流域地質(zhì)條件、氣候因素以及人類活動(dòng)的影響。在山區(qū)河流，泥沙粒徑相對(duì)較粗，而在平原河流，泥沙粒徑則相對(duì)較細(xì)。海源泥沙主要來自于外海的沉積物，通過潮流、海流等動(dòng)力作用被帶入潮汐通道。在一些開闊海域，海底沉積物在波浪和海流的作用下發(fā)生懸浮和搬運(yùn)，部分泥沙會(huì)隨著潮流進(jìn)入潮汐通道。在南海北部海域，外海的細(xì)顆粒泥沙在季風(fēng)海流和潮汐的共同作用下，被輸送到沿岸的潮汐通道中。海岸侵蝕也是泥沙的重要來源之一。在波浪、潮汐等動(dòng)力的長(zhǎng)期作用下，海岸巖石和沉積物受到侵蝕，產(chǎn)生的泥沙被帶入潮汐通道。在基巖海岸，海浪的沖擊和磨蝕作用使得基巖破碎，形成的碎屑物質(zhì)成為泥沙的一部分；在砂質(zhì)海岸，海岸的侵蝕導(dǎo)致沙灘后退，沙灘上的泥沙被搬運(yùn)到潮汐通道。泥沙在潮汐通道中的輸移路徑復(fù)雜多樣，受到潮汐、波浪、海流以及地形等多種因素的綜合影響。在潮汐的作用下，泥沙隨著潮流的漲落而進(jìn)行周期性的輸移。漲潮時(shí)，泥沙被潮流攜帶向陸地方向運(yùn)動(dòng)；落潮時(shí)，泥沙則隨潮流向海洋方向輸移。在黃河口潮汐通道，漲潮時(shí)泥沙從口外向口內(nèi)輸移，落潮時(shí)則從口內(nèi)向口外輸移。波浪對(duì)泥沙輸移也有著重要影響。在近岸區(qū)域，波浪的破碎會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的紊動(dòng)水流，使得海底泥沙發(fā)生懸浮和搬運(yùn)。當(dāng)波浪傳播到潮汐通道附近時(shí)，其產(chǎn)生的紊動(dòng)水流會(huì)與潮流相互作用，改變泥沙的輸移路徑。在江蘇沿海的一些潮汐通道，夏季風(fēng)浪較大，波浪作用使得海底泥沙大量懸浮，這些泥沙在潮流和波浪的共同作用下，被輸送到不同的區(qū)域。海流也是影響泥沙輸移的重要因素之一。在一些海域，存在著較為穩(wěn)定的海流，如海流攜帶的泥沙會(huì)對(duì)潮汐通道的泥沙輸移產(chǎn)生影響。在渤海灣，渤海沿岸流會(huì)將遼東灣和渤海灣西部的泥沙輸送到曹妃甸潮汐通道附近，參與該區(qū)域的泥沙輸移過程。地形對(duì)泥沙輸移路徑的影響也不容忽視。潮汐通道的平面形態(tài)、縱剖面特征以及海底地形的起伏都會(huì)影響潮流和泥沙的運(yùn)動(dòng)。在彎曲的潮汐通道中，潮流在彎道處會(huì)發(fā)生橫向環(huán)流，使得泥沙在彎道兩側(cè)發(fā)生不同程度的淤積和沖刷；在海底存在沙脊、淺灘等地貌的區(qū)域，泥沙會(huì)在這些地形的影響下發(fā)生堆積或繞流。泥沙在潮汐通道內(nèi)的沉積規(guī)律與流速、含沙量以及地形等因素密切相關(guān)。當(dāng)潮流流速減小，含沙量超過水流的挾沙能力時(shí)，泥沙就會(huì)發(fā)生沉積。在潮汐通道的一些流速較小的區(qū)域，如漲潮流三角洲和落潮流三角洲的內(nèi)部，泥沙容易淤積。在長(zhǎng)江口漲潮流三角洲，由于漲潮時(shí)潮流流速在三角洲內(nèi)部逐漸減小，泥沙大量沉積，使得三角洲不斷發(fā)育。地形對(duì)泥沙沉積的影響也十分顯著。在潮汐通道的低洼區(qū)域，如深槽、洼地等，泥沙更容易沉積。這些區(qū)域水流速度相對(duì)較慢，泥沙在重力作用下容易沉降。在珠江口伶仃洋潮汐通道的深槽區(qū)域，泥沙沉積厚度較大，形成了較厚的沉積層。泥沙的沉積還與泥沙的粒徑有關(guān)。一般來說，粗顆粒泥沙先沉積，細(xì)顆粒泥沙后沉積。在潮汐通道的口門附近，由于水流速度較大，粗顆粒泥沙首先沉積；而在遠(yuǎn)離口門的區(qū)域，水流速度逐漸減小，細(xì)顆粒泥沙才開始沉積。在黃河口潮汐通道口門附近，首先沉積的是粒徑較大的砂質(zhì)沉積物，而在口內(nèi)較遠(yuǎn)的區(qū)域，則主要沉積粒徑較小的粉砂和黏土。2.2.3海岸地形影響周邊海岸地形對(duì)潮汐通道的形成和發(fā)育起著至關(guān)重要的制約作用，不同類型的海岸地形會(huì)導(dǎo)致潮汐通道呈現(xiàn)出不同的特征。在基巖海岸地區(qū)，由于基巖的抗侵蝕能力較強(qiáng)，潮汐通道的走向通常受到基巖的構(gòu)造和地形的控制?；鶐r的斷裂、節(jié)理等薄弱部位往往成為潮汐通道發(fā)育的初始位置。在遼東半島的基巖海岸，潮汐通道大多沿著基巖的斷裂帶發(fā)育，其走向較為穩(wěn)定，平面形態(tài)相對(duì)規(guī)則?；鶐r海岸的地形起伏也會(huì)影響潮汐通道的地貌特征。在一些基巖海岸存在海蝕崖、海蝕洞等海蝕地貌，這些地貌會(huì)改變潮流的流向和流速，進(jìn)而影響潮汐通道的形成和演變。當(dāng)潮流經(jīng)過海蝕崖時(shí)，會(huì)在崖前形成較強(qiáng)的沖刷區(qū)，使得潮汐通道在該區(qū)域不斷加深和拓寬；而海蝕洞則可能成為潮流的通道，進(jìn)一步影響潮汐通道的形態(tài)。在砂質(zhì)海岸，潮汐通道的形成和發(fā)育與砂質(zhì)沉積物的特性以及波浪、潮汐的作用密切相關(guān)。砂質(zhì)海岸的沉積物顆粒相對(duì)較粗，透水性較好，這使得潮流在砂質(zhì)海岸的運(yùn)動(dòng)較為順暢。波浪的作用在砂質(zhì)海岸尤為顯著，波浪的沖擊和搬運(yùn)作用會(huì)使砂質(zhì)沉積物發(fā)生移動(dòng)和堆積，從而影響潮汐通道的位置和形態(tài)。在一些砂質(zhì)海岸，由于波浪的長(zhǎng)期作用，會(huì)形成離岸沙壩等地貌。離岸沙壩的存在會(huì)改變潮流的路徑，使得潮流在沙壩之間的狹窄區(qū)域流速加快，形成潮汐通道。美國(guó)北卡羅來納州的哈特拉斯角附近的砂質(zhì)海岸，離岸沙壩之間發(fā)育了多條潮汐通道，這些通道的形成與波浪和潮流的相互作用密切相關(guān)。淤泥質(zhì)海岸的潮汐通道形成和發(fā)育具有獨(dú)特的特點(diǎn)。淤泥質(zhì)海岸的沉積物主要由細(xì)顆粒的粉砂和黏土組成，這些沉積物的抗侵蝕能力較弱，容易受到潮流和波浪的搬運(yùn)和堆積作用的影響。在淤泥質(zhì)海岸，潮汐的作用相對(duì)更為重要，潮汐的漲落會(huì)使淤泥質(zhì)沉積物發(fā)生周期性的懸浮和沉積。在淤泥質(zhì)海岸，由于沉積物的細(xì)顆粒特性，潮流在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)受到較大的阻力，流速相對(duì)較慢。這使得泥沙更容易在海岸帶附近淤積，形成寬闊的潮灘。潮汐通道則在潮灘上發(fā)育，其形態(tài)通常較為彎曲，分支較多。江蘇沿海的淤泥質(zhì)海岸，潮汐通道在潮灘上蜿蜒曲折，形成了復(fù)雜的通道網(wǎng)絡(luò)。河口地區(qū)的海岸地形對(duì)潮汐通道的影響也十分復(fù)雜。河口地區(qū)既受到河流徑流的作用，又受到潮汐的影響，兩者的相互作用使得河口地區(qū)的潮汐通道具有獨(dú)特的地貌特征。在河口地區(qū)，河流攜帶的大量泥沙會(huì)在河口堆積，形成河口三角洲。河口三角洲的存在會(huì)改變潮流的流向和流速，使得潮汐通道在三角洲上發(fā)生分汊和演變。在長(zhǎng)江口，由于長(zhǎng)江攜帶的大量泥沙在河口堆積形成了巨大的河口三角洲，潮汐通道在三角洲上呈現(xiàn)出復(fù)雜的分汊結(jié)構(gòu)。不同的分汊通道具有不同的水動(dòng)力條件和泥沙輸運(yùn)規(guī)律，這對(duì)長(zhǎng)江口的航運(yùn)、生態(tài)環(huán)境等產(chǎn)生了重要影響。三、數(shù)值模擬方法與模型構(gòu)建3.1數(shù)值模擬基礎(chǔ)理論3.1.1流體力學(xué)基本方程在潮汐通道數(shù)值模擬中，Navier-Stokes方程是描述海水運(yùn)動(dòng)的核心方程，它基于牛頓第二定律，全面考慮了流體的慣性、壓力、粘性以及重力等多種因素的作用，為深入理解潮汐通道內(nèi)復(fù)雜的水流運(yùn)動(dòng)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。不可壓縮粘性流體的Navier-Stokes方程的矢量形式為：\rho\left(\frac{\partial\vec{u}}{\partialt}+(\vec{u}\cdot\nabla)\vec{u}\right)=-\nablap+\mu\nabla^{2}\vec{u}+\rho\vec{g}其中，\rho為流體密度，\vec{u}為流速矢量，t為時(shí)間，p為壓力，\mu為動(dòng)力粘性系數(shù)，\nabla為哈密頓算子，\vec{g}為重力加速度矢量。在潮汐通道模擬中，該方程準(zhǔn)確地刻畫了海水在潮汐、波浪和海流等多種動(dòng)力作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在長(zhǎng)江口潮汐通道，由于受到強(qiáng)大的潮汐力和復(fù)雜的地形影響，海水的流速和流向在不同區(qū)域和時(shí)間都發(fā)生著顯著變化，Navier-Stokes方程能夠通過對(duì)這些因素的綜合考量，精確地模擬出長(zhǎng)江口潮汐通道內(nèi)海水的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。連續(xù)性方程是描述流體質(zhì)量守恒的基本方程，其表達(dá)式為：\frac{\partial\rho}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho\vec{u})=0在不可壓縮流體的情況下，\rho為常數(shù)，連續(xù)性方程簡(jiǎn)化為\nabla\cdot\vec{u}=0。這意味著在潮汐通道內(nèi)，單位時(shí)間內(nèi)流入某一控制體積的流體質(zhì)量等于流出該體積的流體質(zhì)量，保證了模擬過程中流體質(zhì)量的守恒。在渤海灣潮汐通道的模擬中，連續(xù)性方程確保了在復(fù)雜的水動(dòng)力條件下，渤海灣內(nèi)的海水質(zhì)量分布始終保持平衡，為準(zhǔn)確模擬潮汐通道內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)提供了必要條件。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于潮汐通道這樣的復(fù)雜水域，通常需要對(duì)方程進(jìn)行簡(jiǎn)化和近似處理。例如，在考慮潮汐通道的長(zhǎng)波運(yùn)動(dòng)時(shí)，可采用淺水方程。淺水方程是在Navier-Stokes方程的基礎(chǔ)上，基于流體的水深遠(yuǎn)小于水平尺度的假設(shè)，忽略了垂向加速度和部分高階項(xiàng)后得到的。其水平方向的動(dòng)量方程為：\frac{\partialu}{\partialt}+u\frac{\partialu}{\partialx}+v\frac{\partialu}{\partialy}=-g\frac{\partial\eta}{\partialx}-\frac{1}{\rho_{0}}\frac{\partialp_{a}}{\partialx}+\frac{\tau_{sx}}{\rho_{0}}-\frac{\tau_{bx}}{\rho_{0}}+fv\frac{\partialv}{\partialt}+u\frac{\partialv}{\partialx}+v\frac{\partialv}{\partialy}=-g\frac{\partial\eta}{\partialy}-\frac{1}{\rho_{0}}\frac{\partialp_{a}}{\partialy}+\frac{\tau_{sy}}{\rho_{0}}-\frac{\tau_{by}}{\rho_{0}}-fu連續(xù)性方程為：\frac{\partial\eta}{\partialt}+\frac{\partial(hu)}{\partialx}+\frac{\partial(hv)}{\partialy}=0其中，u、v分別為x、y方向的流速分量，\eta為水位，h為水深，p_{a}為大氣壓力，\tau_{sx}、\tau_{sy}為表面風(fēng)應(yīng)力分量，\tau_{bx}、\tau_{by}為底部切應(yīng)力分量，f為科里奧利參數(shù)。淺水方程在潮汐通道模擬中具有重要應(yīng)用，它能夠在保證一定精度的前提下，大大簡(jiǎn)化計(jì)算過程，提高模擬效率。在珠江口伶仃洋潮汐通道的模擬中，淺水方程能夠有效地捕捉伶仃洋內(nèi)潮汐的傳播、水流的分汊以及水位的變化等關(guān)鍵特征，為研究伶仃洋潮汐通道的水動(dòng)力特性提供了便捷而有效的工具。3.1.2泥沙輸移理論在潮汐通道的研究中，泥沙輸移理論是理解地貌演變的關(guān)鍵。泥沙在潮汐通道中主要以懸移質(zhì)和推移質(zhì)兩種形式運(yùn)動(dòng)，它們的輸移過程受到多種因素的綜合影響。懸移質(zhì)泥沙是指在水流中呈懸浮狀態(tài)隨水流運(yùn)動(dòng)的泥沙顆粒。其輸移規(guī)律主要由水流的紊動(dòng)擴(kuò)散和重力沉降作用決定。描述懸移質(zhì)泥沙輸移的基本方程是對(duì)流擴(kuò)散方程：\frac{\partial(hC)}{\partialt}+\frac{\partial(huC)}{\partialx}+\frac{\partial(hvC)}{\partialy}=\frac{\partial}{\partialx}\left(hD_{x}\frac{\partialC}{\partialx}\right)+\frac{\partial}{\partialy}\left(hD_{y}\frac{\partialC}{\partialy}\right)-\omegaC其中，C為懸移質(zhì)含沙量，D_{x}、D_{y}分別為x、y方向的紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)，\omega為泥沙沉降速度。在長(zhǎng)江口潮汐通道，由于潮汐和徑流的共同作用，水流的紊動(dòng)強(qiáng)度較大，懸移質(zhì)泥沙的輸移受到紊動(dòng)擴(kuò)散的影響顯著。通過對(duì)流擴(kuò)散方程，可以準(zhǔn)確地模擬長(zhǎng)江口懸移質(zhì)泥沙在不同水動(dòng)力條件下的輸移路徑和濃度分布，為研究長(zhǎng)江口的泥沙淤積和沖刷規(guī)律提供重要依據(jù)。泥沙沉降速度\omega是懸移質(zhì)泥沙輸移中的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它與泥沙粒徑、形狀以及水流的紊動(dòng)特性等因素密切相關(guān)。常用的計(jì)算泥沙沉降速度的公式有斯托克斯公式：\omega=\frac{({\rho}_{s}-{\rho})g66yem0m^{2}}{18\mu}其中，\rho_{s}為泥沙顆粒密度，d為泥沙粒徑，\mu為水的動(dòng)力粘性系數(shù)。該公式適用于粒徑較小、雷諾數(shù)較低的泥沙顆粒。在實(shí)際應(yīng)用中，由于潮汐通道內(nèi)水流條件復(fù)雜，泥沙沉降速度往往需要通過實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行修正。推移質(zhì)泥沙是指在河床表面滾動(dòng)、滑動(dòng)或跳躍前進(jìn)的泥沙顆粒。其輸移主要受到水流的拖曳力作用。推移質(zhì)輸沙率的計(jì)算是研究推移質(zhì)泥沙輸移的核心問題。目前，常用的推移質(zhì)輸沙率公式有梅葉-彼德（Meyer-PeterandMüller）公式：q_=8\left(\frac{\tau_-\tau_{c}}{\rho_{s}g}\right)^{\frac{3}{2}}\sqrt{d_{50}}其中，q_為單寬推移質(zhì)輸沙率，\tau_為床面剪切應(yīng)力，\tau_{c}為臨界床面剪切應(yīng)力，d_{50}為泥沙中值粒徑。該公式基于能量平衡原理，認(rèn)為水流的能量一部分用于克服河床的阻力，另一部分用于推動(dòng)泥沙運(yùn)動(dòng)。在黃河口潮汐通道，由于水流速度較大，推移質(zhì)泥沙的輸移對(duì)河床演變有著重要影響。利用梅葉-彼德公式，可以計(jì)算黃河口潮汐通道內(nèi)推移質(zhì)泥沙的輸沙率，進(jìn)而分析推移質(zhì)泥沙對(duì)河床形態(tài)的塑造作用。除了上述公式外，還有愛因斯坦（Einstein）推移質(zhì)輸沙率公式等多種計(jì)算公式，它們各自基于不同的理論和假設(shè)，在不同的水流和泥沙條件下具有不同的適用性。在實(shí)際研究中，需要根據(jù)具體的潮汐通道特性和數(shù)據(jù)條件，選擇合適的推移質(zhì)輸沙率公式。3.1.3地形演變?cè)沓毕ǖ赖牡匦窝葑兪且粋€(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程，主要由水流對(duì)河床的沖刷和泥沙的淤積作用所驅(qū)動(dòng)。這一過程遵循著基本的質(zhì)量守恒原理，通過數(shù)學(xué)模型可以對(duì)其進(jìn)行定量描述和分析。地形演變的基本原理基于泥沙連續(xù)方程，其表達(dá)式為：\frac{\partialz_}{\partialt}=-\frac{1}{\rho_}\left(\frac{\partialq_{sx}}{\partialx}+\frac{\partialq_{sy}}{\partialy}\right)其中，z_為河床高程，\rho_為泥沙干密度，q_{sx}、q_{sy}分別為x、y方向的單寬輸沙率。該方程表明，河床高程的變化率等于單位面積上泥沙凈輸移量與泥沙干密度的比值。當(dāng)進(jìn)入某一區(qū)域的輸沙率大于流出該區(qū)域的輸沙率時(shí)，泥沙發(fā)生淤積，河床高程升高；反之，當(dāng)流出的輸沙率大于流入的輸沙率時(shí)，河床受到?jīng)_刷，高程降低。在潮汐通道中，水流對(duì)河床的沖刷作用主要取決于水流的流速和剪切應(yīng)力。當(dāng)水流速度超過泥沙的起動(dòng)流速時(shí)，泥沙開始被沖刷，脫離河床進(jìn)入水流中。泥沙的起動(dòng)流速與泥沙粒徑、形狀、床面粗糙度以及水流的紊動(dòng)特性等因素密切相關(guān)。常用的泥沙起動(dòng)流速公式有希爾茲（Shields）公式：\frac{\tau_{c}}{\left(\rho_{s}-\rho\right)gd}=\theta_{c}其中，\tau_{c}為臨界床面剪切應(yīng)力，\theta_{c}為希爾茲臨界起動(dòng)參數(shù)，d為泥沙粒徑。該公式通過建立臨界床面剪切應(yīng)力與泥沙特性之間的關(guān)系，用于判斷泥沙是否會(huì)被起動(dòng)。在長(zhǎng)江口潮汐通道，由于潮汐的周期性變化，水流的流速和剪切應(yīng)力也隨之發(fā)生周期性改變。在漲潮和落潮過程中，水流對(duì)河床的沖刷和淤積作用交替進(jìn)行。在漲潮時(shí)，水流速度較大，對(duì)河床的沖刷作用較強(qiáng)，尤其是在河口的深槽區(qū)域，水流的沖刷作用使得河床不斷加深；而在落潮時(shí)，水流攜帶的泥沙在河口的淺灘區(qū)域淤積，導(dǎo)致淺灘逐漸抬高。泥沙的淤積過程則與水流的挾沙能力密切相關(guān)。當(dāng)水流的挾沙能力小于實(shí)際含沙量時(shí)，泥沙發(fā)生淤積。水流的挾沙能力受到水流流速、水深、泥沙粒徑等多種因素的影響。常用的水流挾沙能力公式有張瑞瑾公式：S_{*}=k\left(\frac{v^{3}}{gh\omega}\right)^{m}其中，S_{*}為水流挾沙能力，v為流速，h為水深，\omega為泥沙沉降速度，k、m為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。該公式通過綜合考慮水流和泥沙的相關(guān)參數(shù)，用于計(jì)算水流在不同條件下的挾沙能力。在黃河口潮汐通道，由于黃河攜帶大量泥沙入海，河口地區(qū)的泥沙淤積現(xiàn)象較為顯著。當(dāng)黃河水流入潮汐通道后，隨著水流速度的降低，水流的挾沙能力下降，泥沙逐漸淤積在河口的潮灘和三角洲地區(qū)，使得這些區(qū)域的地形不斷發(fā)生變化，潮灘面積擴(kuò)大，三角洲向海推進(jìn)。三、數(shù)值模擬方法與模型構(gòu)建3.2模型選擇與構(gòu)建3.2.1常用數(shù)值模型介紹在潮汐通道地貌特征的數(shù)值模擬研究中，多種數(shù)值模型被廣泛應(yīng)用，每種模型都具有獨(dú)特的特點(diǎn)和適用范圍。FVCOM（Finite-VolumeCommunityOceanModel）是一種基于非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格的有限體積海洋模型，它在處理復(fù)雜地形和邊界條件方面表現(xiàn)出色。該模型能夠靈活地適應(yīng)潮汐通道復(fù)雜多變的岸線和海底地形，精確地捕捉潮汐通道內(nèi)水流的細(xì)節(jié)變化。在模擬膠州灣潮汐通道時(shí)，F(xiàn)VCOM模型可以根據(jù)膠州灣不規(guī)則的岸線和復(fù)雜的海底地形，生成與之相適應(yīng)的非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，從而準(zhǔn)確地模擬膠州灣內(nèi)潮汐的傳播、潮流的分布以及泥沙的輸移過程。FVCOM模型采用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散求解，這種方法能夠保證質(zhì)量、動(dòng)量和能量的守恒，具有較高的計(jì)算精度和穩(wěn)定性。在處理潮汐通道內(nèi)的強(qiáng)非線性問題時(shí)，如潮汐與地形的相互作用、潮流的復(fù)雜流態(tài)等，F(xiàn)VCOM模型能夠通過合理的數(shù)值格式和算法，有效地模擬這些復(fù)雜過程，為潮汐通道地貌特征的研究提供可靠的數(shù)據(jù)支持。ECOMSED（Estuarine,CoastalandOceanModelwithSedimentTransport）模型是一個(gè)綜合性的河口、海岸和海洋模型，它集成了水動(dòng)力、泥沙輸運(yùn)和水質(zhì)等多個(gè)模塊，能夠全面地模擬潮汐通道內(nèi)的物理、化學(xué)和生物過程。在泥沙輸運(yùn)模擬方面，ECOMSED模型考慮了多種因素對(duì)泥沙運(yùn)動(dòng)的影響，包括潮汐、波浪、海流、泥沙粒徑、沉降速度等，能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)泥沙在潮汐通道內(nèi)的輸移路徑和沉積分布。在研究長(zhǎng)江口潮汐通道時(shí)，ECOMSED模型可以通過其水動(dòng)力模塊精確地模擬長(zhǎng)江口的潮汐和潮流，通過泥沙輸運(yùn)模塊準(zhǔn)確地計(jì)算泥沙的輸移量和沉積量，從而深入分析長(zhǎng)江口潮汐通道地貌的演變過程。該模型還能夠考慮人類活動(dòng)對(duì)潮汐通道的影響，如圍填海、港口建設(shè)等，通過調(diào)整模型參數(shù)，模擬這些人類活動(dòng)導(dǎo)致的水動(dòng)力和泥沙輸運(yùn)變化，為長(zhǎng)江口潮汐通道的保護(hù)和管理提供科學(xué)依據(jù)。MIKE21模型是丹麥水力學(xué)研究所開發(fā)的一款通用的二維水動(dòng)力和泥沙輸運(yùn)模型，它具有強(qiáng)大的前處理和后處理功能，操作相對(duì)簡(jiǎn)便，易于使用。MIKE21模型采用有限差分法對(duì)控制方程進(jìn)行求解，能夠有效地模擬潮汐通道內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)和泥沙輸移。在珠江口伶仃洋潮汐通道的研究中，MIKE21模型通過其前處理模塊，可以方便地導(dǎo)入伶仃洋的地形數(shù)據(jù)和邊界條件，快速地生成計(jì)算網(wǎng)格。在模擬過程中，該模型能夠準(zhǔn)確地計(jì)算伶仃洋內(nèi)潮汐的漲落、潮流的流速和流向，以及泥沙的輸移和沉積。通過后處理模塊，MIKE21模型可以將模擬結(jié)果以直觀的圖形和圖表形式展示出來，便于研究者進(jìn)行分析和解讀。3.2.2模型構(gòu)建過程針對(duì)本次研究區(qū)域的潮汐通道，選擇FVCOM模型進(jìn)行數(shù)值模擬，主要基于以下多方面的考慮。研究區(qū)域的潮汐通道具有極為復(fù)雜的地形地貌特征，其岸線蜿蜒曲折，海底地形起伏多變，存在大量的淺灘、沙洲和深槽等地貌形態(tài)。FVCOM模型基于非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格的特性，能夠依據(jù)研究區(qū)域的實(shí)際地形，靈活且精準(zhǔn)地生成貼合地形的網(wǎng)格。以長(zhǎng)江口潮汐通道為例，長(zhǎng)江口擁有眾多的江心洲、汊道以及復(fù)雜的水下地形，F(xiàn)VCOM模型可以根據(jù)這些地形特征，在地形變化劇烈的區(qū)域，如河口口門、江心洲周邊等，加密網(wǎng)格，提高計(jì)算精度；而在地形相對(duì)平緩的區(qū)域，則適當(dāng)稀疏網(wǎng)格，以平衡計(jì)算效率和精度。研究區(qū)域內(nèi)潮汐、波浪、海流等動(dòng)力因素相互作用強(qiáng)烈，水流運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)出高度的復(fù)雜性和非線性。FVCOM模型采用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散求解，這種方法在處理強(qiáng)非線性問題時(shí)具有顯著優(yōu)勢(shì)，能夠準(zhǔn)確地捕捉潮汐通道內(nèi)水流的復(fù)雜流態(tài)，如潮汐與地形的相互作用導(dǎo)致的水流分離、回流等現(xiàn)象。FVCOM模型在處理多因素耦合作用時(shí)表現(xiàn)出色，能夠綜合考慮潮汐、波浪、海流等因素對(duì)水流和泥沙輸運(yùn)的影響，為研究潮汐通道地貌特征提供全面、準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。模型構(gòu)建的首要步驟是網(wǎng)格劃分。運(yùn)用專業(yè)的網(wǎng)格生成軟件，如Gmsh等，根據(jù)研究區(qū)域的高精度地形數(shù)據(jù)，包括多波束測(cè)深數(shù)據(jù)、LiDAR測(cè)量數(shù)據(jù)等，生成非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格。在網(wǎng)格劃分過程中，充分考慮地形的變化情況，在地形復(fù)雜的區(qū)域，如潮汐通道的狹窄段、彎道處以及存在沙脊、淺灘等地貌的區(qū)域，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，以確保能夠準(zhǔn)確地捕捉水流和泥沙運(yùn)動(dòng)的細(xì)節(jié)。在珠江口伶仃洋潮汐通道的網(wǎng)格劃分中，在伶仃洋內(nèi)的虎門、蕉門等河口附近，以及內(nèi)伶仃島周邊等地形復(fù)雜區(qū)域，將網(wǎng)格尺寸加密至50-100米；而在地形相對(duì)平坦的區(qū)域，網(wǎng)格尺寸則設(shè)置為200-500米。確定模型的邊界條件和初始條件也是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。邊界條件包括開邊界條件和閉邊界條件。開邊界條件主要依據(jù)研究區(qū)域周邊的潮汐、波浪和海流的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來確定。對(duì)于潮汐邊界條件，通過對(duì)研究區(qū)域周邊驗(yàn)潮站多年的潮汐數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)和分析，獲取主要分潮的調(diào)和常數(shù)，從而確定開邊界處的潮位過程。以渤海灣潮汐通道為例，利用渤海灣周邊多個(gè)驗(yàn)潮站的潮汐數(shù)據(jù)，通過調(diào)和分析得到M2、S2、K1、O1等主要分潮的調(diào)和常數(shù)，將其應(yīng)用于FVCOM模型的開邊界條件設(shè)置中，以準(zhǔn)確模擬渤海灣潮汐通道的潮汐變化。波浪邊界條件則根據(jù)研究區(qū)域的波浪觀測(cè)數(shù)據(jù)或通過波浪模型，如SWAN模型模擬得到的波浪參數(shù)來確定。海流邊界條件考慮了風(fēng)生流、密度流等多種因素，通過分析研究區(qū)域的風(fēng)場(chǎng)、溫度、鹽度等數(shù)據(jù)，結(jié)合海流理論和經(jīng)驗(yàn)公式，確定開邊界處的海流流速和流向。閉邊界條件主要考慮岸壁的無滑移條件，即水流在岸壁處的法向流速為零，切向流速根據(jù)岸壁的糙率和水流的特性進(jìn)行計(jì)算。初始條件則根據(jù)研究區(qū)域的前期觀測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)定初始時(shí)刻的水位、流速、含沙量等物理量的分布。在參數(shù)設(shè)置方面，模型中涉及到眾多的參數(shù)，如糙率、紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)、泥沙沉降速度等。糙率反映了河床和岸壁對(duì)水流的阻力，其取值根據(jù)研究區(qū)域的底質(zhì)類型、植被覆蓋情況等因素，參考相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和研究成果進(jìn)行確定。在淤泥質(zhì)海岸的潮汐通道中，糙率一般取值在0.025-0.035之間；而在砂質(zhì)海岸的潮汐通道，糙率取值則在0.015-0.025之間。紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)用于描述水流的紊動(dòng)特性對(duì)物質(zhì)輸運(yùn)的影響，其取值根據(jù)水流的流速、水深等因素，通過經(jīng)驗(yàn)公式或與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比進(jìn)行調(diào)整。泥沙沉降速度與泥沙粒徑、形狀等因素密切相關(guān)，可根據(jù)斯托克斯公式等相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算，并結(jié)合研究區(qū)域的實(shí)際泥沙特性進(jìn)行修正。3.2.3模型驗(yàn)證與校準(zhǔn)模型驗(yàn)證與校準(zhǔn)是確保數(shù)值模型準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵步驟，通過將模型模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致對(duì)比，能夠有效檢驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谀M潮汐、潮流、泥沙輸移和地形演變等方面的精度。在潮汐模擬驗(yàn)證方面，選取研究區(qū)域內(nèi)多個(gè)具有代表性的驗(yàn)潮站的實(shí)測(cè)潮位數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證依據(jù)。以長(zhǎng)江口潮汐通道為例，在長(zhǎng)江口沿岸分布著多個(gè)驗(yàn)潮站，如吳淞驗(yàn)潮站、高橋驗(yàn)潮站等，收集這些驗(yàn)潮站在不同潮期的潮位數(shù)據(jù)，包括高潮位、低潮位以及潮位過程曲線。將FVCOM模型模擬得到的潮位結(jié)果與實(shí)測(cè)潮位進(jìn)行對(duì)比分析，通過計(jì)算兩者之間的誤差指標(biāo)，如均方根誤差（RMSE）、平均絕對(duì)誤差（MAE）等，來評(píng)估模型對(duì)潮汐模擬的準(zhǔn)確性。若模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的誤差在合理范圍內(nèi)，說明模型能夠較好地再現(xiàn)研究區(qū)域的潮汐變化；若誤差較大，則需要對(duì)模型的參數(shù)、邊界條件等進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。在潮流模擬驗(yàn)證中，利用聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）在研究區(qū)域內(nèi)不同位置、不同深度實(shí)測(cè)的流速和流向數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。在珠江口伶仃洋潮汐通道的研究中，使用ADCP在伶仃洋內(nèi)多個(gè)斷面進(jìn)行測(cè)量，獲取不同潮時(shí)的流速和流向數(shù)據(jù)。將模型模擬的潮流結(jié)果與ADCP實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析流速和流向的模擬誤差，判斷模型對(duì)潮流運(yùn)動(dòng)的模擬能力。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在一些復(fù)雜地形區(qū)域，如河口的分汊處、島嶼周邊等，潮流的模擬誤差可能相對(duì)較大，這可能是由于模型對(duì)復(fù)雜地形的處理不夠精細(xì)，或者邊界條件的設(shè)置存在一定偏差。針對(duì)這些問題，進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)格劃分，加密復(fù)雜地形區(qū)域的網(wǎng)格，同時(shí)對(duì)邊界條件進(jìn)行更精確的設(shè)定，以提高模型對(duì)潮流模擬的準(zhǔn)確性。泥沙輸移模擬的驗(yàn)證則依賴于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的含沙量數(shù)據(jù)以及泥沙粒徑分布數(shù)據(jù)。在研究區(qū)域內(nèi)設(shè)置多個(gè)采樣點(diǎn)，定期采集水樣，通過實(shí)驗(yàn)室分析獲取水樣中的含沙量和泥沙粒徑信息。將模型模擬的含沙量分布和泥沙輸移路徑與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，檢查模型是否能夠準(zhǔn)確模擬泥沙在潮汐通道內(nèi)的輸移過程。在黃河口潮汐通道的研究中，通過在黃河口不同區(qū)域采集水樣，分析含沙量和泥沙粒徑，發(fā)現(xiàn)模型在模擬泥沙輸移時(shí)，對(duì)于粗顆粒泥沙的輸移路徑模擬較為準(zhǔn)確，但對(duì)于細(xì)顆粒泥沙的模擬存在一定偏差。經(jīng)過分析，這可能是由于模型中對(duì)細(xì)顆粒泥沙的絮凝作用考慮不足，或者紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)的取值不夠合理。針對(duì)這些問題，在模型中引入細(xì)顆粒泥沙的絮凝模型，同時(shí)根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以提高模型對(duì)泥沙輸移模擬的精度。地形演變模擬的驗(yàn)證相對(duì)復(fù)雜，需要利用不同時(shí)期的地形測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。通過對(duì)研究區(qū)域的歷史海圖、多波束測(cè)深數(shù)據(jù)等進(jìn)行整理和分析，獲取不同時(shí)間的地形信息。將模型模擬的地形演變結(jié)果與實(shí)際地形變化進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估模型對(duì)地形演變的預(yù)測(cè)能力。在膠州灣潮汐通道的研究中，收集了膠州灣不同時(shí)期的海圖和地形測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)比模型模擬的地形演變結(jié)果與實(shí)際地形變化，發(fā)現(xiàn)模型能夠較好地模擬潮汐通道的整體演變趨勢(shì)，但在局部區(qū)域的地形變化模擬上還存在一定誤差。通過進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)這些誤差可能是由于模型中對(duì)一些次要因素，如生物作用、化學(xué)作用等對(duì)地形演變的影響考慮不夠全面。針對(duì)這些問題，在模型中適當(dāng)考慮生物和化學(xué)因素對(duì)地形演變的作用，同時(shí)優(yōu)化模型的參數(shù)設(shè)置，以提高模型對(duì)地形演變模擬的準(zhǔn)確性。四、案例研究4.1膠州灣潮汐通道模擬4.1.1膠州灣地貌與水文概況膠州灣坐落于中國(guó)山東半島南部，處于黃海西部，地理坐標(biāo)介于北緯35°58′至36°18′、東經(jīng)120°04′至120°23′之間，宛如一顆璀璨的明珠鑲嵌在黃海之濱。其獨(dú)特的地理位置使其成為連接內(nèi)陸與海洋的重要樞紐，在區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和海洋生態(tài)系統(tǒng)中扮演著舉足輕重的角色。膠州灣呈現(xiàn)出典型的半封閉海灣形態(tài)，整體略呈扇形，東西寬約28千米，南北寬約32千米，海岸線長(zhǎng)度達(dá)220.02千米，總面積約為374.4平方千米。這種特殊的形態(tài)和規(guī)模，使得膠州灣的潮汐通道地貌獨(dú)具特色。灣口以團(tuán)島頭和薛家島腳子石一線為界，與黃海相通，狹窄的灣口猶如一扇大門，控制著海灣與外海之間的物質(zhì)和能量交換。在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)期，膠州灣經(jīng)歷了復(fù)雜的演化過程。它曾是地質(zhì)斷陷造就的斷控型盆地，在距今11000年左右的全新世初，由于冰后期海面回升，海洋侵灌，這里逐漸從一個(gè)陸域盆地演變?yōu)闇\水海灣。隨著時(shí)間的推移，在河流的輸沙和海水的頂托作用下，陸域平原面積不斷擴(kuò)大，海灣中淺水水域也不斷增加，膠州灣原有古河道逐漸成為主要潮汐通道。這些潮汐通道在平面形態(tài)上蜿蜒曲折，部分段落存在明顯的彎曲和分支現(xiàn)象。通道的走向受到周邊基巖山體和海底地形的影響，在一些區(qū)域，通道沿著基巖的斷裂帶或低洼地帶發(fā)育，形成了相對(duì)穩(wěn)定的走向。膠州灣的潮汐通道地貌單元豐富多樣，漲潮流三角洲和落潮流三角洲是其中的重要組成部分。漲潮流三角洲位于潮汐通道的內(nèi)側(cè)，是在漲潮過程中，潮流攜帶的泥沙在通道內(nèi)堆積形成的。其沉積物主要來源于外海，顆粒較粗，以砂質(zhì)為主。在膠州灣潮汐通道，漲潮流三角洲的沉積物中砂的含量可達(dá)70%-80%。落潮流三角洲則位于潮汐通道的外側(cè)，是在落潮過程中，潮流攜帶的泥沙在通道口外堆積形成的，其沉積物顆粒相對(duì)較細(xì)，除了砂質(zhì)外，還含有較多的粉砂和黏土。潮灘也是膠州灣潮汐通道周邊常見的地貌單元，它是在潮汐漲落過程中，泥沙在海岸帶堆積形成的。潮灘的地形較為平坦，沉積物以細(xì)粒的粉砂和黏土為主。根據(jù)其與潮汐的關(guān)系，潮灘可分為高潮灘、中潮灘和低潮灘。高潮灘在高潮位時(shí)被海水淹沒，低潮位時(shí)露出水面；中潮灘在大部分時(shí)間內(nèi)處于干濕交替的狀態(tài)；低潮灘則在低潮位時(shí)才露出水面。在膠州灣的一些海岸區(qū)域，潮灘寬度可達(dá)數(shù)公里，是眾多海洋生物的棲息地，具有重要的生態(tài)價(jià)值。膠州灣及附近海域?qū)倥瘻貛Ъ撅L(fēng)型氣候，空氣濕潤(rùn)，四季分明。這種氣候條件對(duì)膠州灣的水文特征產(chǎn)生了重要影響。膠州灣的潮汐為半日潮，平均潮差達(dá)2.71米。在一個(gè)潮汐周期內(nèi)，海水兩次漲潮和兩次落潮，漲潮和落潮的時(shí)間大致相等。這種半日潮的特性使得膠州灣的潮汐通道內(nèi)水流呈現(xiàn)出周期性的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，對(duì)泥沙的輸運(yùn)和地貌的塑造產(chǎn)生了重要作用。在冬季寒潮大風(fēng)時(shí)，膠州灣的波高可達(dá)1.9米，而平時(shí)海浪尺度較小。波浪的作用在膠州灣潮汐通道地貌演變中不可忽視。波浪的沖擊和搬運(yùn)作用會(huì)使海岸帶的泥沙發(fā)生移動(dòng)和堆積，影響潮汐通道的岸線形態(tài)和海底地形。在一些海岸區(qū)域，波浪的長(zhǎng)期作用導(dǎo)致海岸侵蝕，使得潮灘面積減小，潮汐通道的寬度和深度也發(fā)生相應(yīng)變化。流入膠州灣的河流眾多，水系發(fā)達(dá)，以灣區(qū)為中心呈輻射式分布。主要河流包括漕汶河、島耳河、洋河、南膠萊河、大沽河、桃源河、洪江河、石橋河、墨水河、白沙河、李村河等10多條。其中，大沽河是流入膠州灣的最大河流，其流量約占大沽河、墨水河、白沙河及洋河4條河流總流量的85.6％。這些河流攜帶大量泥沙輸入膠州灣，在河口區(qū)造成較寬闊的河口三角洲、潮坪等地貌單元。河流帶來的泥沙不僅為潮汐通道地貌的塑造提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，還對(duì)膠州灣的水動(dòng)力條件和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了重要影響。河流的徑流作用會(huì)改變潮汐通道內(nèi)的水流速度和流向，影響泥沙的輸運(yùn)路徑和沉積區(qū)域。4.1.2模型應(yīng)用與設(shè)置在膠州灣潮汐通道的模擬研究中，選用FVCOM模型作為核心模擬工具，這主要源于該模型在處理復(fù)雜地形和邊界條件方面的卓越能力，以及對(duì)多因素耦合作用的精準(zhǔn)模擬優(yōu)勢(shì)。FVCOM模型基于非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，能夠緊密貼合膠州灣復(fù)雜多變的岸線和海底地形。在膠州灣的模擬中，通過對(duì)多波束測(cè)深數(shù)據(jù)和LiDAR測(cè)量數(shù)據(jù)的精細(xì)分析，利用專業(yè)的網(wǎng)格生成軟件Gmsh，生成了高質(zhì)量的非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格。在網(wǎng)格劃分過程中，充分考慮了膠州灣潮汐通道的地形變化情況。在潮汐通道的狹窄段、彎道處以及存在沙脊、淺灘等地貌的區(qū)域，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理，以確保能夠準(zhǔn)確地捕捉水流和泥沙運(yùn)動(dòng)的細(xì)節(jié)。在團(tuán)島和薛家島之間的膠州灣灣口區(qū)域，由于地形復(fù)雜，水流變化劇烈，將網(wǎng)格尺寸加密至50-100米；而在地形相對(duì)平坦的區(qū)域，網(wǎng)格尺寸則設(shè)置為200-500米。這種精細(xì)化的網(wǎng)格劃分策略，有效提高了模型的計(jì)算精度，使得模擬結(jié)果能夠更準(zhǔn)確地反映膠州灣潮汐通道的實(shí)際情況。確定模型的邊界條件和初始條件是模擬過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對(duì)于邊界條件，開邊界條件主要依據(jù)膠州灣周邊的潮汐、波浪和海流的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來確定。在潮汐邊界條件方面，收集了膠州灣周邊多個(gè)驗(yàn)潮站多年的潮汐數(shù)據(jù)，如青島驗(yàn)潮站、黃島驗(yàn)潮站等，通過調(diào)和分析獲取了M2、S2、K1、O1等主要分潮的調(diào)和常數(shù)。將這些調(diào)和常數(shù)應(yīng)用于FVCOM模型的開邊界條件設(shè)置中，以準(zhǔn)確模擬膠州灣潮汐通道的潮汐變化。在波浪邊界條件方面，根據(jù)膠州灣的波浪觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合SWAN模型模擬得到的波浪參數(shù)，確定了開邊界處的波浪要素，包括波高、波長(zhǎng)、波向等。海流邊界條件則考慮了風(fēng)生流、密度流等多種因素，通過分析膠州灣的風(fēng)場(chǎng)、溫度、鹽度等數(shù)據(jù)，結(jié)合海流理論和經(jīng)驗(yàn)公式，確定了開邊界處的海流流速和流向。閉邊界條件主要考慮岸壁的無滑移條件，即水流在岸壁處的法向流速為零，切向流速根據(jù)岸壁的糙率和水流的特性進(jìn)行計(jì)算。在膠州灣的模擬中，根據(jù)膠州灣海岸的底質(zhì)類型和植被覆蓋情況，參考相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定了岸壁的糙率。在淤泥質(zhì)海岸區(qū)域，糙率取值在0.025-0.035之間；在砂質(zhì)海岸區(qū)域，糙率取值在0.015-0.025之間。初始條件則根據(jù)膠州灣的前期觀測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)定了初始時(shí)刻的水位、流速、含沙量等物理量的分布。在水位初始條件設(shè)置中，參考了膠州灣驗(yàn)潮站的實(shí)測(cè)潮位數(shù)據(jù)，將初始時(shí)刻的水位設(shè)置為接近實(shí)測(cè)潮位的數(shù)值。在流速初始條件設(shè)置中，根據(jù)前期的海流觀測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)定了初始時(shí)刻的流速大小和方向。在含沙量初始條件設(shè)置中，通過對(duì)膠州灣不同區(qū)域的水樣分析，獲取了不同區(qū)域的含沙量數(shù)據(jù)，以此為依據(jù)設(shè)定了初始時(shí)刻的含沙量分布。在參數(shù)設(shè)置方面，模型中涉及到眾多的參數(shù)，如糙率、紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)、泥沙沉降速度等。糙率反映了河床和岸壁對(duì)水流的阻力，除了根據(jù)底質(zhì)類型和植被覆蓋情況確定岸壁糙率外，對(duì)于河床糙率，也根據(jù)膠州灣海底的沉積物特性進(jìn)行了合理取值。在泥沙粒徑較大的區(qū)域，糙率相對(duì)較大；在泥沙粒徑較小的區(qū)域，糙率相對(duì)較小。紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)用于描述水流的紊動(dòng)特性對(duì)物質(zhì)輸運(yùn)的影響，其取值根據(jù)水流的流速、水深等因素，通過經(jīng)驗(yàn)公式或與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比進(jìn)行調(diào)整。在膠州灣潮汐通道的模擬中，通過對(duì)不同區(qū)域水流紊動(dòng)特性的分析，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化取值。在水流流速較大、水深較深的區(qū)域，紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)相對(duì)較大；在水流流速較小、水深較淺的區(qū)域，紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)相對(duì)較小。泥沙沉降速度與泥沙粒徑、形狀等因素密切相關(guān)，可根據(jù)斯托克斯公式等相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算，并結(jié)合膠州灣的實(shí)際泥沙特性進(jìn)行修正。在膠州灣的模擬中，對(duì)不同粒徑的泥沙進(jìn)行了沉降速度計(jì)算，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了修正。對(duì)于粗顆粒泥沙，其沉降速度相對(duì)較大；對(duì)于細(xì)顆粒泥沙，其沉降速度相對(duì)較小。4.1.3模擬結(jié)果與分析通過FVCOM模型對(duì)膠州灣潮汐通道進(jìn)行模擬，得到了豐富的結(jié)果，這些結(jié)果為深入了解膠州灣潮汐通道的水動(dòng)力和地貌演變提供了重要依據(jù)。在潮流場(chǎng)方面，模擬結(jié)果清晰地展示了膠州灣潮汐通道內(nèi)潮流的流速和流向變化。在漲潮過程中，海水從灣口涌入潮汐通道，潮流流速逐漸增大。在灣口附近，漲潮流速在大潮期間可達(dá)1-2米/秒。隨著潮水向內(nèi)陸推進(jìn)，由于通道寬度和水深的變化，流速也會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變。在狹窄的通道段，流速進(jìn)一步加快，產(chǎn)生較強(qiáng)的沖刷力；而在開闊的區(qū)域，流速則相對(duì)減緩。在團(tuán)島附近的狹窄通道段，漲潮流速可達(dá)2-3米/秒，對(duì)海底的沖刷作用明顯，使得該區(qū)域的海底地形相對(duì)較深。落潮階段，潮流由內(nèi)陸向海洋回流，流速同樣受到通道地形的影響。在落潮初期，由于水位差較大，潮流流速迅速增大，對(duì)通道內(nèi)的泥沙產(chǎn)生較強(qiáng)的搬運(yùn)能力。隨著落潮的進(jìn)行，水位逐漸降低，流速也隨之減小。在薛家島附近的潮汐通道，落潮時(shí)潮流攜帶大量泥沙向?yàn)晨谕廨斔停跒晨诟浇纬陕涑绷魅侵?。通過對(duì)潮流場(chǎng)模擬結(jié)果的分析，還發(fā)現(xiàn)了一些特殊的流態(tài)。在潮汐通道的彎道處，潮流會(huì)發(fā)生橫向環(huán)流，使得彎道兩側(cè)的流速和流向存在差異。這種橫向環(huán)流對(duì)泥沙的輸運(yùn)和沉積產(chǎn)生了重要影響，導(dǎo)致彎道內(nèi)側(cè)泥沙淤積，外側(cè)泥沙沖刷。在膠州灣潮汐通道的一些彎道處，內(nèi)側(cè)形成了明顯的淤積帶，而外側(cè)則出現(xiàn)了沖刷坑。在泥沙輸移方面，模擬結(jié)果揭示了泥沙在膠州灣潮汐通道內(nèi)的輸移路徑和沉積分布。在漲潮過程中，潮流將外海的泥沙帶入潮汐通道，為通道內(nèi)的地貌塑造提供了物質(zhì)來源。在落潮時(shí)，潮流又將通道內(nèi)的泥沙帶出，影響著通道外的地貌變化。在膠州灣潮汐通道的模擬中，發(fā)現(xiàn)漲潮時(shí)泥沙主要從灣口向?yàn)硟?nèi)輸移，在通道內(nèi)的一些流速較小的區(qū)域，如漲潮流三角洲，泥沙發(fā)生淤積；落潮時(shí)，泥沙則從灣內(nèi)向?yàn)晨谕廨斠?，在灣口附近的落潮流三角洲和淺灘區(qū)域沉積。通過對(duì)泥沙輸移模擬結(jié)果的分析，還可以了解到不同粒徑泥沙的輸移特性。粗顆粒泥沙由于其沉降速度較大，在輸移過程中更容易在近岸區(qū)域和流速較小的區(qū)域沉積；而細(xì)顆粒泥沙則由于其沉降速度較小，能夠隨著潮流輸移到較遠(yuǎn)的區(qū)域。在膠州灣潮汐通道，粗顆粒泥沙主要沉積在灣口附近和潮汐通道的內(nèi)側(cè)，而細(xì)顆粒泥沙則在灣內(nèi)和灣口外的較深水域沉積。在地形演變方面，模擬結(jié)果展示了膠州灣潮汐通道在長(zhǎng)期的水動(dòng)力和泥沙輸移作用下的地貌變化。隨著時(shí)間的推移，潮汐通道的平面形態(tài)、縱剖面特征和橫斷面特征都發(fā)生了明顯的改變。在平面形態(tài)上，潮汐通道的彎曲程度和分支情況發(fā)生了變化。由于潮流的沖刷和泥沙的淤積，一些彎曲段的曲率發(fā)生了改變，部分分支通道的寬度和長(zhǎng)度也有所變化。在縱剖面特征上，潮汐通道的深度和坡度發(fā)生了調(diào)整。在潮流沖刷較強(qiáng)的區(qū)域，通道深度增加，坡度變陡；而在泥沙淤積的區(qū)域，通道深度減小，坡度變緩。在橫斷面特征上，潮汐通道的槽-灘結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化，槽的寬度和深度以及灘的面積和高程都有所改變。通過對(duì)地形演變模擬結(jié)果的分析，還可以預(yù)測(cè)膠州灣潮汐通道未來的地貌變化趨勢(shì)。在當(dāng)前的水動(dòng)力和泥沙輸移條件下，預(yù)計(jì)膠州灣潮汐通道的灣口區(qū)域?qū)⒗^續(xù)受到?jīng)_刷，通道深度和寬度可能會(huì)進(jìn)一步增加；而在灣內(nèi)的一些淤積區(qū)域，如漲潮流三角洲和潮灘，面積可能會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大。4.2甬舟航道潮汐潮流模擬4.2.1甬舟航道特征甬舟航道位于浙江省舟山群島與寧波大陸之間，地處長(zhǎng)江、錢塘江、甬江三江入海交匯處，地理坐標(biāo)大致介于121.78°-122.5°E、29.7°-30.1°N之間。該航道周邊島嶼眾多，地形極為復(fù)雜，是連接舟山港與寧波港的重要水上通道，在區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和海上運(yùn)輸中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。甬舟航道的潮汐通道地貌呈現(xiàn)出獨(dú)特的特征。在平面形態(tài)上，航道蜿蜒曲折，其走向受到周邊島嶼和海底地形的顯著影響。航道在一些區(qū)域沿著島嶼之間的狹窄水道延伸，形成了相對(duì)狹窄且彎曲的通道段；而在另一些區(qū)域，由于島嶼的分隔和水流的分汊，航道出現(xiàn)了分支現(xiàn)象，形成了復(fù)雜的通道網(wǎng)絡(luò)。在金塘島與冊(cè)子島之間的航道段，航道寬度較窄，最窄處僅數(shù)百米，且存在明顯的彎道，這對(duì)船舶的航行操作提出了較高要求；而在一些開闊海域，航道則出現(xiàn)了多個(gè)分支，不同分支的水流特性和水深條件存在差異，需要根據(jù)船舶的類型和吃水深度選擇合適的航線。甬舟航道的橫剖面形態(tài)也較為復(fù)雜，中間深、兩側(cè)淺的特征明顯。在航道的深槽區(qū)域，水深可達(dá)數(shù)十米，能夠滿足大型船舶的通航需求；而在航道兩側(cè)的淺灘區(qū)域，水深較淺，一般在數(shù)米至十幾米之間。在蝦峙門航道，深槽區(qū)域的水深可達(dá)20-30米，能夠容納15萬噸級(jí)以上的大型船舶通行；而兩側(cè)的淺灘水深則在5-10米左右，對(duì)船舶的航行安全構(gòu)成一定威脅。甬舟航道的縱剖面形態(tài)從陸向海呈現(xiàn)出逐漸加深的趨勢(shì)。在靠近陸地的一端，由于河流的注入和陸源泥沙的堆積，水深相對(duì)較淺；隨著向海延伸，潮汐的作用逐漸增強(qiáng)，航道逐漸加深。在甬江入?？诟浇降浪钶^淺，一般在10米以下；而向東海方向延伸，在蝦峙門等主要航道段，水深逐漸增加至20米以上。甬舟航道周邊的海洋環(huán)境復(fù)雜多變，潮汐、波浪和海流等動(dòng)力因素相互作用強(qiáng)烈。該海域的潮汐受外海潮波的控制，潮汐性質(zhì)多為不規(guī)則半日潮。在一個(gè)潮汐周期內(nèi)，海水兩次漲潮和兩次落潮，但漲潮和落潮的時(shí)間、潮差等存在一定差異。甬舟航道的最大可能潮差介于4.5-4.7米之間，較大的潮差使得航道內(nèi)的水流速度和流向變化較大，對(duì)船舶的航行安全產(chǎn)生重要影響。波浪對(duì)甬舟航道的影響也不容忽視。該海域?yàn)l臨東海，是我國(guó)沿海的大浪區(qū)，長(zhǎng)周期波浪可傳入本海域。受季風(fēng)影響，冬季以偏N向浪為主，波高較大；夏季以偏S向浪居多，波高較冬季小。在冬季寒潮大風(fēng)期間，甬舟航道的波高可達(dá)2-3米，對(duì)船舶的航行穩(wěn)定性造成威脅；而在夏季，波高一般在1-2米之間。海流在甬舟航道的水動(dòng)力環(huán)境中也扮演著重要角色。該海域的海流主要包括沿岸流和潮汐引起的潮流。沿岸流的流速和流向受到地形、季風(fēng)等因素的影響，在不同季節(jié)和區(qū)域存在一定變化；潮流則與潮汐的漲落密切相關(guān)，在漲潮和落潮過程中，潮流的流速和流向發(fā)生周期性改變。在一些狹窄的航道段，潮流的流速可達(dá)1-2米/秒，對(duì)船舶的航行產(chǎn)生較大的推力或阻力。4.2.2基于FVCOM的模擬為了深入研究甬舟航道的潮汐潮流特性，運(yùn)用FVCOM模型對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬。FVCOM模型基于非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，能夠靈活地適應(yīng)甬舟航道復(fù)雜的地形地貌，準(zhǔn)確地捕捉潮汐潮流的細(xì)節(jié)變化。在網(wǎng)格劃分方面，利用Gmsh等專業(yè)網(wǎng)格生成軟件，根據(jù)甬舟航道及其附近海域的高精度地形數(shù)據(jù)，包括多波束測(cè)深數(shù)據(jù)、LiDAR測(cè)量數(shù)據(jù)等，生成非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格。在地形復(fù)雜的區(qū)域，如島嶼周邊、航道的狹窄段和彎道處，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，以提高計(jì)算精度。在金塘大橋附近的航道區(qū)域，由于橋梁的存在使得水流條件復(fù)雜，將網(wǎng)格尺寸加密至50-100米；而在地形相對(duì)平坦的開闊海域，網(wǎng)格尺寸則設(shè)置為200-500米。確定模型的邊界條件和初始條件是模擬的關(guān)鍵步驟。對(duì)于邊界條件，開邊界條件主要依據(jù)甬舟航道周邊的潮汐、波浪和海流的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來確定。在潮汐邊界條件方面，收集了甬舟航道周邊多個(gè)驗(yàn)潮站多年的潮汐數(shù)據(jù)，如舟山驗(yàn)潮站、寧波驗(yàn)潮站等，通過調(diào)和分析獲取了M2、S2、K1、O1等主要分潮的調(diào)和常數(shù)。將這些調(diào)和常數(shù)應(yīng)用于FVCOM模型的開邊界條件設(shè)置中，以準(zhǔn)確模擬甬舟航道的潮汐變化。波浪邊界條件則根據(jù)甬舟航道的波浪觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合SWAN模型模擬得到的波浪參數(shù)，確定了開邊界處的波浪要素，包括波高、波長(zhǎng)、波向等。海流邊界條件考慮了風(fēng)生流、密度流等多種因素，通過分析甬舟航道的風(fēng)場(chǎng)、溫度、鹽度等數(shù)據(jù)，結(jié)合海流理論和經(jīng)驗(yàn)公式，確定了開邊界處的海流流速和流向。閉邊界條件主要考慮岸壁的無滑移條件，即水流在岸壁處的法向流速為零，切向流速根據(jù)岸壁的糙率和水流的特性進(jìn)行計(jì)算。在甬舟航道的模擬中，根據(jù)航道周邊海岸的底質(zhì)類型和植被覆蓋情況，參考相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定了岸壁的糙率。在淤泥質(zhì)海岸區(qū)域，糙率取值在0.025-0.035之間；在砂質(zhì)海岸區(qū)域，糙率取值在0.015-0.025之間。初始條件則根據(jù)甬舟航道的前期觀測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)定了初始時(shí)刻的水位、流速、含沙量等物理量的分布。在水位初始條件設(shè)置中，參考了甬舟航道驗(yàn)潮站的實(shí)測(cè)潮位數(shù)據(jù)，將初始時(shí)刻的水位設(shè)置為接近實(shí)測(cè)潮位的數(shù)值。在流速初始條件設(shè)置中，根據(jù)前期的海流觀測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)定了初始時(shí)刻的流速大小和方向。在含沙量初始條件設(shè)置中，通過對(duì)甬舟航道不同區(qū)域的水樣分析，獲取了不同區(qū)域的含沙量數(shù)據(jù)，以此為依據(jù)設(shè)定了初始時(shí)刻的含沙量分布。在參數(shù)設(shè)置方面，模型中涉及到眾多的參數(shù)，如糙率、紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)、泥沙沉降速度等。糙率除了根據(jù)岸壁情況確定外，對(duì)于河床糙率，也根據(jù)甬舟航道海底的沉積物特性進(jìn)