EFDC模型在水动力环境影响评价中的应用

福建省环境科学研究院 郭素铭



EFDC模型在水动力环境影响评价中的应用

福建省环境科学研究院 郭素铭

运用EFDC模型在拟建的福建东山华浮码头进行模型构建，通过东山大澳渔港的3个站位实测潮位潮流数据验证模型模拟结果，表明模拟结果可信；进一步模拟福建东山华浮码头建设前后，码头所在海域及周边海域的潮流流向和流速的变化情况，模拟结果显示，福建东山华浮码头的建设对所在海域水动力环境的影响较小，也体现了该模型对东山湾海域的适用性。

福建东山华浮码头 EFDC 水动力 模拟

福建东山湾海洋环境自然资源非常丰富，地理位置优越，是天然的旅游胜地。但是，随着经济不断发展，越来越多的码头出现在东山湾海岸，改变了东山湾海岸的岸线分布情况，对航道的正常通行产生了影响，也改变了局部的冲淤环境，造成局部水域泥沙淤积严重，失去原使用功能。因此，通过模型对码头建设前后水动力环境的模拟，可以较好地掌握工程建设前后水动力环境可能产生的变化，从而采取相应的措施，从海洋环境保护角度对工程可行性做出明确结论，为管理部门决策、建设单位海洋环境管理提供科学依据。

1 研究区域概况

东山县是福建省第二大岛，位于厦、漳、泉闽南三角经济区的南端，东濒台湾海峡，西临诏安湾与诏安一水之隔；康美镇地处东山县东北部，东接铜陵镇，西连樟塘镇，地理位置优越。

拟建东山华浮码头位于东山县康美镇城垵村东北侧，地处东山港区城垵作业区，其地理坐标为东经117°30′、北纬23°44′。东北向与厦门经济特区毗邻，南与广东省汕头市接壤，东濒台湾海峡，与台湾省隔海相望；水路离厦门77海里、距汕头73海里、距广州332海里，陆路距东山县城约10km，距漳州市约160km，规划的厦深铁路东山铁路支线的终点站紧邻港区，水陆交通十分方便。具体地理位置见图1。

2 模型简介

环境流体动力学模型，简称EFDC模型(Environmental Fluid Dynamics Computer Code)是由美国Virginia海洋研究所的Hamrick等根据多个数学模型集成开发研制的综合模型，现在是美国环保署(EPA)推荐使用的模型。该模型是一个多任务、高集成的环境流体动力学模块式计算程序包，用于模拟水系统一维、二维和三维流场、物质输送（包括温、盐、非粘性和粘性泥沙的输送）、生态过程及淡水入流。其模拟范围为：河口、河流、湖泊、水库、湿地以及自近岸到陆架的海域。可以同时考虑风、浪、潮、径流的影响，并可同步布设水工建筑物。该模型到目前为止已经用于几十个海域的相关计算，得到广泛的应用[1-10]，被誉为21世纪最有发展前途的环境流体动力学模型。采用该数学模型对本工程海域潮流场进行模拟计算，计算中采用水平方向上的变笛卡尔正交坐标与垂直方向上的Sigma坐标相结合以及三维数学模型二维化的方法。

图1 拟建东山华浮码头地理位置图

动力学方程是基于三维水动力学方程组，在水平方向上采用曲线正交坐标变化和在垂直方向上采用Sigma坐标变换得到的，经过两种变换后的流体动力学方程组分别为：

式(1)～(6)中u和v分别为坐标x和y方向上的水平速度分量；mx和my为水平坐标变换因子；经坐标变换后垂直方向z方向的速度w与坐标变换前的垂直速度w*间的关系为：

H = h＋δ为总水深；p为压力；动量方程(1)和(2)中，f为Coriolis系数，Av为垂直紊动粘性系数；Qu和Qv为动量源汇项；QS和QT为温盐源汇项；ρ为海水密度；S为海水盐度；T为海水温度；b为浮力；连续方程(4)是在区间(0，1)对z积分并用垂直边界条件当z = (0，1)时，w = 0，运动边界条件和方程(7)以得到深度积分连续方程(5)。

给出垂向紊动和扩散系数，方程(1)～(8)则给出了一个求解变量u，v，w，p，S，T和ζ的封闭的系统。紊动粘性和扩散系数采用的是Mellor和Yamada(1982)模型，模型相关的参数由下式确定：

以上各式中，q为紊动强度，l为紊动长度，Rq为Richardson数，v和b是稳定函数，以分别确定稳定和非稳定垂向密度分层环境的垂直混合或输送的增减。

紊动强度和混合长度由下列方程确定：

式中B1、E1、E2和E3均为经验常数；Qq和Ql为附加源汇项；例如子网格水平扩散；垂直耗散系数Aq一般取与垂直紊动粘性系数Av相等；上述式中m = mxmy。

式(1)～(8)与Mellor和Yamada(1982)紊动模型(10)～(13)一起及适当的初边值条件给出了一个求解u，v，w，p，S，T，ρ和ζ的封闭的系统。

动力学方程采用有限体积法和有限差分结合的方法来求解，水平方向采用交错网格离散。数值解分为沿水深积分长波重力波的外模式和与垂直流结构相联系的内模式求解。

3 模型构建

3.1 模型模拟边界

计算区域包括整个东山湾，见图2，海岸线主要采用岸线修测成果，并结合历史海图和遥感图确定；采用变迪卡尔正交网格，工程附近网格最密50m×50m，最大网格间距为200m×200m，水平网格数为224×189，总网格数24139；设东和南两个开边界，用实测潮位数据驱动，由于实测潮流潮位数据的时间为1月，故不考虑漳江的径流；垂向分为1层，计算时间步长1s；由于该海区潮差较大，采用动边界。

图2 东山湾网格图

3.2 模拟运算过程及检验

模拟采用零初始条件，为了保证计算的稳定性，强迫的边界潮位从零开始逐步增加，经过两个潮周期后达到正常变化，第三个潮周期后形成稳定的潮波，选择大潮周期计算结果做分析。利用东山大澳中心渔港3个站位实测潮位潮流数据作为对比，结果见图3～图6，从验证结果看，潮位和流速验证较好，比较准确地反映了潮汐特征，可以认为模拟结果是可信的。

图3 潮位验证曲线

图4 A站位流速流向验证曲线

图5 B 站位流速流向验证曲线

图6 C 站位流速流向验证曲线

4 水动力变化模拟结果

4.1 流场变化

工程前后数学模型陆地边界：考虑到大澳中心渔港已经批建，而且据了解，对面岛附近的渔港防波堤正在建设中，故把中心渔港防波堤等填海区加入原始海岸线边界，作为工 程前陆地边界，然后进行数学模型的模拟计算；工程后既包括本工程填海区，又包括东侧临近的已批未建的旗滨码头填海区，作为工程后的陆地边界进行数值模拟；对工程前后的数值模拟结果进行比较分析。工程附近海域工程实施前后海域的大潮涨急、落急的流场见图7～图10。

图7 工程前附近海域涨急流场图

图8 工程附近海域工程后涨急流场图

图9 工程前附近海域落急流场图

图10 工程后附近海域落急流场图

从图7～图10可以看出，工程附近海域工程施工后的潮流场趋势仍与工程前相同，工程附近流态略有变化。本工程的填海基本位于滩涂之上，水深较浅，本身流速较小。工程后，本工程对潮流有阻挡和挑流作用，涨潮时，潮流从旗滨码头和本工程东侧连线往北流动，到达本工程码头后，沿着本工程的东北侧填海区延线往西北流动，在本工程北端往西流动；另有一小股涨潮流沿着旗滨码头前缘外西北流动，然后往西流入旗滨码头北侧与本工程形成的呈“凹入”地形的滩涂中，流速较小；落潮，潮流趋势相反。

4.2 流速变化

为了进一步分析工程实施前后流速的变化规律，选择了工程附近36个试验点（位置见图11），进行工程前后流速比较，结果见表1。

图11 工程前后模拟流速比较点位置图

表1 工程前后试验点流速比较表（单位m/s）

根据表1和图7～图10中对试验点进行工程前后流速的比较分析，可以看出：工程实施前，涨潮时，一部分涨潮流先往西流入工程西南侧的小澳中，然后受地形影响往西北流出，到达小澳北端的突出角后转往西流动；落潮时相反，小澳内潮水汇入落潮流，流速较小。

工程实施后，流速变化的点主要有14、15、19、20、21、22、25。14点位于本工程与旗滨码头形成的凹入地形中，流速变化率最大，工程后该处的流速明显减小，涨潮减少为60%，落潮减少为67%；根据前面的分析，涨、落潮流流向变化也很大，涨落潮流从凹入地形口出入。15点位于本工程西侧，由于受工程挑流的影响，涨、落潮最大减少变化量都为0.07m/s。19、25点位于旗滨玻璃厂东侧，受填海区阻挡的作用，涨落潮的流速都有所减小。点20、21、22涨潮时，由于工程的挑流束窄作用，流速变大，落潮时20点由于工程的挑流作用及填海区汇入20点潮水量的减少，流速变小，21、22在落潮时由于束窄作用流速略微变大。本工程的建设对工程西侧的潮流基本没有影响，1~13试验点流速变化最大仅为0.01m/s。工程对北侧较远的点17、18、23、24、29、30、35、36也基本没有影响，流速变化最大也仅为0.01m/s。东侧较远处的26、27、28、31、32、33、34变化很小，流速变化均小于等于0.01m/s。

总之，本工程填海会使码头前沿极小段航道区垂直潮流方向靠码头一侧潮流流速增大约0.04m/s，远离码头一侧潮流流速减小约0.05m/s，对航道区其他区域的潮流流速基本没有影响；会使旗滨码头附近潮流流速有所减小，减小约0.01m/s左右；对工程附近其他码头及整个东山湾的潮流流速没有影响。

5 结论

EFDC模型对于东山湾海域具有较强的适用性，模拟结果较为准确，预测值与实测值的拟合程度较好。模拟结果显示，东山华浮码头的建设对所在海域水动力环境影响较小。该模型有较大的应用和推广价值，还可以对未来发展进行定量的预测研究，为实际的决策过程提供科学依据。

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