钦州湾潮流特性数值模拟研究

王宇龙 宁春平 钟广达

摘要：文章基于MIKE21软件建立钦州湾地区水动力模型，并用实测水文数据进行验证，运用该模型对2021年洪水期与枯水期钦州湾潮流场进行模拟，分析不同时期的潮流特性。结果表明：钦州湾地区潮流为不规则全日潮，枯水期潮差大于洪水期潮差，潮差大小受地形影响较大；潮流涨落为往复流，涨潮历时大于落潮历时，落潮流速大于涨潮流速，最大流速出现在湾颈龙门水道处；外湾最大流速出现在西槽处，东槽次之，中槽的集流束能效果在枯水期有所显现，洪水期不明显；三墩港口对外湾潮流影响较大，由于离岸码头的修建，阻隔了东侧水体的流动，水体都由西侧进出外湾。

关键词：钦州湾；潮流场；数值模拟；MIKE21

中图分类号：U612.23 A 05 011 4

0 引言

潮流是指海水在天体（太阳和月球）引力作用下进行周期性运动的现象，也是河口地区重要的水动力条件之一，开展潮流特性研究有助于更好地认识河口地区水动力过程。钦州湾是我国南部沿海的重要出海口之一，一些专家学者通过对该地区潮流场的研究已得到一些成果。李树华［1］根据实测资料与历史资料对钦州湾潮流和温盐的分布进行总结，发现钦州湾潮波以驻波式振动为主，并带有前进潮波的某些特征。陈波等［2］对广西沿岸主要海湾的潮流进行数值计算，得到潮流均为往复流且落潮流速大于涨潮流的结论。邱绍芳等［3］根据观测资料分析钦州湾潮流特性后得出：落潮流速大于涨潮流，东部最大涨落潮流速大于西部，最大流速出现在龙门水道附近；外湾（钦州湾）为气旋式环流，水体东进西出，湾内泥沙等从西部进入外海。蒋磊明等［4］根据FV COM模型模拟结果与观测资料，计算出钦州湾地区平均潮差纳潮量为7.55×108 m3，大、小潮水交换的半更换周期分别为1.70个周期和4.53个周期。张伯虎等［5］根据实测资料与地形综合分析，发现钦州湾的潮流深槽是潮流作用于葫芦形复式港湾的必然产物，是在内湾纳潮蓄能、湾颈狭道强流、颈口岛礁分流喷射冲刷而成的，并给出了潮流深槽稳定临界条件。董德信等［6］利用实测资料结合准调和分析方法总结了钦州湾潮流季节特征，发现钦州湾属不规则全日潮海区，茅尾海潮流夏季强于冬季，潮汐河口在夏季受径流影响强烈。吕赫等［7］基于无结构网格有限体积水动力模型分析了围填海工程累积效应对水动力环境的影响，结果表明，工程后钦州湾外湾潮汐振幅减小，茅尾海内振幅增加，水体半交换周期有所增加且在围填海地区水交换能力下降。李少朗等［8］利用潮流准调和分析方法，对2019年钦州湾近海海域３个站位的潮流资料进行了分析。

本文基于MIKE 21软件水动力模型，对钦州湾潮流场进行模拟研究，分析该地区洪水期与枯水期的潮流特性，所得结果可为工程实施、灾害防治等方面提供理论依据。

1 钦州湾数值模型

1.1 模型简介

数值模型采用由丹麦水资源及水环境研究所（DHI）开发的MIKE 21软件中的二维水动力模块（FM），采用基于笛卡尔坐标下的平面非结构三角形网格系统，通过有限体积法对控制方程进行离散求解，该软件在复杂边界处理方面较稳定，计算结果精确，已在国内外许多工程研究中得到了广泛应用，并得到业界的高度认可。

1.2 模型的建立

钦州湾近似于一个葫芦海湾，湾首及湾口都很开阔，中部较窄，呈两头大中间细的喇叭状，其主要由三大部分组成，即外湾、内湾、湾颈。外湾是钦州湾的主体部分，指湾口至湾颈的区域;湾颈指龙门水道;内湾指茅尾海一带［1］。研究区域如图1所示。

模型上游以欽江青年船闸为节点，包括青年水闸至钦江河口以及钦州湾，范围大约为东西25.9  km、南北48.2 km的区域（图2），建模长度约为48.8 km，面积约为320 km2，模型采用非结构三角形网格，非结构网格总共为185 400个。钦江段网格沿流向40 m，沿河宽方向约为20 m；沙井至钦州湾沿轴向50 m，模型基于2000国家大地坐标系建立，高程基于1985国家基准面。模型的上游为现青年水闸实测来流过程，下游为钦州湾海洋测站潮位过程。模型的计算时间步长为30 s，沿程河床糙率采用ks=0.05 m，陆地边界采用干湿边界辨别法，水深＜0.005 m时为干网格，水深＞0.1 m时为湿网格。

2 模型验证

采用2021年枯水期实测的大、小潮潮流资料与模型计算结果进行验证，验证点位如图1所示。验证情况（图3）表明，所建立的潮流数学模型的模拟结果无论是数值上还是相位上均与原型水体运动达到了较好的相似性，可用于当地水流运动规律的模拟中，结果具有良好的可信度，能够较为真实地反映茅尾海及钦江河段的潮位、流速变化过程。

3 潮流特性分析

钦江是钦州湾地区水流主要来源，上游来流经河口流入茅尾海再通过龙门水道流入钦州湾外湾 ，在此取钦江（A点）、河口地区（B点）、茅尾海内（C点）、龙门水道（D点）4处作为特征点分析钦州湾地区潮流特性。

3.1 潮位特征

3.1.1 洪水期潮位（图4）

在洪水期，钦州湾潮流为不规则全日潮，大潮时为规则的全日潮，小潮时有两天发生了一天内出现两次高潮与两次低潮的情况，呈现半日潮特征；涨潮历时（14 h）大于落潮历时（10 h）。统计特征点位潮差情况，钦江最大潮差3.69 m，平均潮差1.58 m；河口地区最大潮差4.89 m，平均潮差2.53 m；茅尾海内最大潮差4.19 m，平均潮差2.34 m；龙门水道处最大潮差4.69 m，平均潮差2.45 m。潮差由大到小依次为河口地区、龙门水道、茅尾海内、钦江。潮差的大小受引潮力、地形等因素的影响，随着潮汐上涌潮差逐渐减小，钦州湾由于其独特的葫芦形结构，最大潮差出现在地形收束的河口地区，潮汐上溯到钦江河道内时经历了能量损耗，导致潮差变小。

3.1.2 枯水期潮位（图5）

在枯水期，潮流同洪水期相同，仍为不规则全日潮，仅在小潮出现两次半日潮特征，涨潮历时大于落潮历时。统计特征点位潮差情况，如表1所示，钦江最大潮差4.17 m，平均潮差2.17 m；河口地区最大潮差5.67 m，平均潮差2.63 m；茅尾海内最大潮差4.63 m，平均潮差2.40 m；龙门水道处最大潮差5.49 m，平均潮差2.63 m。潮差由大到小依次为河口地区、龙门水道、茅尾海内、钦江，该特征与洪水期相同。由于枯水期上游来流变小，外海潮汐优势更加明显，与洪水期相比各点潮差均有所增大，钦江最大潮差增大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；茅尾海内最大潮差增大0.44 m，平均潮差增大0.06 m；龙门水道最大潮差增大0.8 m，平均潮差增大0.18 m。4个典型区域最大潮差增幅均＞0.4 m，平均潮差中，只有钦江内增幅较大。

3.2 流速与流场特征

3.2.1 洪水期

在洪水期时，由流向图（图6）与流速图（图7）可以看出，钦州湾水流呈现往复流的特征，最大流速出现在龙门水道处（D点）；洪水期钦江（A点）涨潮平均流速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；河口处涨潮平均流速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；茅尾海内涨潮平均流速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；龙门水道处涨潮平均流速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。流速从大到小依次为龙门水道、钦江、茅尾海、河口。

由图8可知，涨潮时潮流沿西南方向流入外湾，最大流速出现在西槽［5］处，东槽次之，中槽集流效果未显现，这可能与填海工程与河口淤积等的影响有关，水流随后在外湾转西北方向经龙门水道进入茅尾海，三墩码头的修建阻隔了外湾东侧水体的流动，水流全部由西侧进出。落潮时潮流方向与涨潮时方向相反，特征类似。钦州湾内涨急落急时刻最大流速都出现在湾颈龙门水道附近，落潮流速大于涨潮流速，这与以往的研究结论相同。

3.2.2 枯水期

枯水期时，钦州湾潮流涨退流向呈现明显的往复流特点，由于地形的收束作用，最大流速出现在龙门水道处，落潮流速大于涨潮流速。枯水期钦江内涨潮平均流速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；河口处涨潮平均流速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；茅尾海内涨潮平均流速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；龙门水道处涨潮平均流速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、图9～11所示，相较于洪水期，枯水期涨潮最大流速都有所增大，涨潮平均流速在钦江、河口、茅尾海处减小，龙门水道点未变；落潮最大流速在钦江、河口减小，在茅尾海、龙门水道增大，落潮平均流速在钦江、茅尾海减小，龙门水道增大，茅尾海未变。其中钦江涨潮最大流速、龙门水道涨落潮最大流速变化较大，其他地方变化幅度较小，流速大小排序与洪水期相同，依次为龙门水道、钦江、茅尾海、河口。

此外，相比于洪水期，钦州湾外湾中槽的束流集能作用更加明显，特别在涨急时刻，外湾3条深槽处流速明显大于其他地方，流速西槽＞东槽＞中槽，其他区域流态并未发生明显变化。

4 结语

本文基于MIKE 21软件建立钦州湾地区水动力模型，模拟并分析2021年洪水期与枯水期的潮流特性，最终得出以下结论：

（1）钦州湾地区潮流为不规则全日潮，大潮时为全日潮，小潮时出现几日半日潮，枯水期潮差大于洪水期潮差，典型点位洪水期最大潮差4.89 m，枯水期最大潮差5.67 m，潮差受地形影响较大。

（2）钦州湾潮流涨落为往复流，涨潮历时大于落潮历时，由于地形收束作用，最大流速出现在湾颈龙门水道处，落潮流速大于涨潮流速，典型点位洪水期最大流速可达1.01 m/s，枯水期可达1.25 m/s。

（3）外湾最大流速出现在西槽处，东槽次之，中槽集流束能效果在枯水期有所显现，在洪水期不明显。三墩港口对钦州湾外湾潮流影响较大，由于离岸码头的修建，外湾流态发生改变，水体为西进西出。

参考文献

［1］李树华.钦州湾的流况及其水文特征［J］.海洋湖沼通报，1988（3）：15-20.

［2］陈 波，邱绍芳，葛文标，等.广西沿岸主要海湾潮流的数值计算［J］.广西科学，2001（4）：295-300.

［3］邱绍芳，侍茂崇，陈 波.钦州湾潮流特征分析［J］.海洋通报，2003，22（3）：9-14.

［4］蒋磊明，陈 波，邱绍芳，等.钦州湾潮流模拟及其纳潮量和水交换周期计算［J］.广西科学，2009，16（2）：193-195，199.

［5］张伯虎，陈沈良，谷国传，等.钦州湾潮流深槽的成因与稳定性探讨［J］.海岸工程，2010，29（3）：43-50.

［6］董德信，李谊纯，陈宪云，等.钦州湾潮流季节变化特征［J］.广西科学，2014，21（4）：351-356.

［7］吕 赫，张少峰，宋德海，等.围填海累积效应对钦州湾水动力环境的影响［J］.海洋与湖沼，2021，52（4）：823-833.

［8］李少朗，崔力维，马 欣.基于实测资料的钦州湾外海海域潮流特征分析［J］.海洋湖沼通报，2022，44（6）：33-40.

收稿日期：2023-10-08