圍墾工程對沙枉河口污染物輸運(yùn)影響分析

丁大志，張靜波，周向華，章衛(wèi)勝

(1. 連云港港30萬噸級航道建設(shè)指揮部，江蘇連云港 222046； 2. 連云港市贛榆縣水利局，江蘇連云港 222100; 3. 江蘇省水利廳，江蘇南京 210029； 4. 南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京 210029)

圍墾工程對沙枉河口污染物輸運(yùn)影響分析

丁大志1，張靜波2，周向華3，章衛(wèi)勝4

(1. 連云港港30萬噸級航道建設(shè)指揮部，江蘇連云港 222046； 2. 連云港市贛榆縣水利局，江蘇連云港 222100; 3. 江蘇省水利廳，江蘇南京 210029； 4. 南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京 210029)

河口兩側(cè)實(shí)施圍墾工程改變了河口形態(tài)和動(dòng)力環(huán)境，對河口污染物輸運(yùn)也將產(chǎn)生一定影響。以連云港市贛榆縣沙枉河口為例，采用平面二維擴(kuò)散輸運(yùn)模型對河口兩側(cè)高灘圍墾工程實(shí)施前后沙枉河口污染物輸運(yùn)的影響范圍進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，分析了河口兩側(cè)淺灘圍墾工程對河口污染物輸運(yùn)范圍的影響。分析結(jié)果表明，河口兩側(cè)淺灘實(shí)施圍墾工程使得河口過流通道縮窄，具有排放口向深水遷移的效應(yīng)，有利于河口受污水體向動(dòng)力較強(qiáng)的深水區(qū)稀釋；但圍墾工程實(shí)施使得通道和前沿區(qū)域動(dòng)力改變，當(dāng)兩側(cè)圍墾工程前沿水流減弱時(shí)，動(dòng)力變化不利于污染物輸運(yùn)；相反，圍墾工程促使前沿水流增加時(shí)，動(dòng)力變化則有利于污染物輸運(yùn)。

污染物輸運(yùn)； 圍墾工程； 數(shù)值計(jì)算； 水環(huán)境

圖1 沙枉河兩側(cè)圍墾工程Fig.1 Reclamation works on both sides of Shawang River estuary

河口圍墾工程對河口動(dòng)力環(huán)境、河口行洪以及地形地貌產(chǎn)生明顯影響，已經(jīng)引起工程界和相關(guān)研究人員的廣泛關(guān)注。河口圍墾工程倘若在口門以內(nèi)，則會(huì)縮短河道過水?dāng)嗝妫樗?，降低徑流下泄能力；倘若圍墾工程在口門兩側(cè)，則會(huì)使得原喇叭狀口門形成新的狹長河道，使得河道延長，擠壓水流，改變河口動(dòng)力環(huán)境[1-2]。不僅如此，圍墾工程在改變河口動(dòng)力環(huán)境的同時(shí)，對河口水質(zhì)生態(tài)環(huán)境也會(huì)帶來影響，為此，已有不少專家學(xué)者進(jìn)行了分析研究，如沈林杰[3]研究發(fā)現(xiàn)溫州圍墾工程對甌江水交換能力具有明顯影響；孫長青[4]研究發(fā)現(xiàn)膠州灣地區(qū)的填海工程對污染物輸運(yùn)影響具有顯著影響；K. Gowda等[5-6]研究發(fā)現(xiàn)，香港島的填海對濕地和海洋環(huán)境具有重要影響。對于河口而言，兩側(cè)圍墾工程對動(dòng)力環(huán)境、排污能力的影響關(guān)系到河口的水質(zhì)生態(tài)環(huán)境，是河口圍墾工程環(huán)境影響評價(jià)所必須關(guān)注的問題。本文以連云港市贛榆縣沙枉河為例，采用平面二維物質(zhì)擴(kuò)散輸運(yùn)模型對河口圍墾工程實(shí)施前后沙枉河口污染物輸運(yùn)范圍進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析河口圍墾工程對河口污染物輸運(yùn)的影響。

連云港市贛榆沿海位于黃海海州灣中南部，為典型淤泥質(zhì)海岸，岸灘平緩，高灘發(fā)育，岸邊地形一般在-4 m以上(當(dāng)?shù)乩碚摶?，下?。沙枉河口位于贛榆中部，河道寬度較小，口門寬度約30 m。為防止咸水入侵，河口口門建有擋潮閘，沙枉河為當(dāng)?shù)嘏盼酆恿鳎鬯幚韽S將處理達(dá)標(biāo)后的污水，隨經(jīng)流定期向口外排放。在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和沿海大開發(fā)背景下，贛榆沿海進(jìn)行了多塊大面積圍墾(圖1)。其中，沙枉河口北側(cè)為高灘養(yǎng)殖圍墾，面積近4.0 km2，岸線向海凸出1.4 km，圍墾前沿地形-1.5～-2.0 m左右。河口南側(cè)為贛榆新城圍墾，面積約3.3 km2，向海凸出2 km左右。兩側(cè)圍墾工程之間留有通道寬度250～350 m，圍墾前沿在-1.5～-2.0 m左右。

海州灣受黃海潮波控制，沿岸潮流為典型的往復(fù)流，流向基本為NE-SW向，為離向岸方向(圖1)。海域動(dòng)力不強(qiáng)，大潮平均流速0.20 m/s左右，最大流速一般不超過0.50 m/s，由近岸向外海潮流動(dòng)力呈增強(qiáng)趨勢。海域潮波主要呈駐波特性，漲落急流速發(fā)生在中潮位附近。沙枉河徑流量很小，20年一遇設(shè)計(jì)流量僅為165.5 m3/s。

1 平面二維水體擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型

1.1 控制方程

笛卡爾坐標(biāo)系下守恒型平面二維淺水方程：

?ζ/?t+?(HU)/?x+?(HV)/?y=0

(1)

(2)

(3)

二維水體擴(kuò)散輸運(yùn)方程：

(4)

圖2 模型范圍和計(jì)算網(wǎng)格Fig.2 Model domain and grids

1.2 模型范圍和參數(shù)

模擬范圍為35 km×40 km，計(jì)算域面積約1 400 km2。模型網(wǎng)格采用非均勻三角形網(wǎng)格，最大網(wǎng)格1 000 m，最小網(wǎng)格5 m，圖2為數(shù)學(xué)模型網(wǎng)格平面圖。

計(jì)算以COD為例，根據(jù)調(diào)查，排放期沙汪河口排放徑流為3.6萬m3/d，COD含量為16.7 mg/L，總氮(TN)15 mg/L，總磷(TP)0.5 mg/L。衰減系數(shù)根據(jù)《全國地表水水環(huán)境容量核定基數(shù)復(fù)核要點(diǎn)》規(guī)定，一般河流COD降解系數(shù)取值范圍為(0.05～0.25)/d?；诒Ｊ赜?jì)算，計(jì)算中取為0.05 /d。計(jì)算條件為大潮。

模型采用目前流行的Mike21商業(yè)軟件進(jìn)行計(jì)算，該模型采用非結(jié)構(gòu)有限體積法[7-8]，界面通量采用通量差分格式(FDS)[9]計(jì)算。動(dòng)量方程中紊動(dòng)黏性系數(shù)按Smagorinsky公式計(jì)算[10]。擴(kuò)散方程中紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)與水深和流速有關(guān)，根據(jù)雷諾分析，熱量、含有物濃度等擴(kuò)散過程與動(dòng)量的擴(kuò)散存在完全的比擬關(guān)系，其比例關(guān)系一般在1.0附近[11]。因此，本算例中取為1。

1.3 潮位與潮流驗(yàn)證

潮流數(shù)學(xué)模型采用中國近海潮波數(shù)學(xué)模型提供邊界條件。利用2011年1月實(shí)測大潮潮位、流速和流向?qū)δＰ瓦M(jìn)行了驗(yàn)證，其中包括2個(gè)潮位站：秦山島、海頭鎮(zhèn)和7條垂線流速、流向資料(站位見圖1)。圖3給出了兩個(gè)潮位站的潮位過程和1#，3#垂線流速、流向過程計(jì)算值與實(shí)測結(jié)果的比較。從比較結(jié)果可見計(jì)算潮位、流速流向過程線和實(shí)測值基本一致，說明模型能夠較好地模擬現(xiàn)場的潮流運(yùn)動(dòng)。

圖3 潮位和流速、流向驗(yàn)證Fig.3 Verification of tidal level, velocity and direction of tidal flow

2 污染物輸運(yùn)計(jì)算結(jié)果

考慮到工程施工的不同階段，以下分3種工況介紹污染物輸運(yùn)擴(kuò)散預(yù)測結(jié)果：①從現(xiàn)狀條件對沙汪河水影響的預(yù)測；②北側(cè)高灘養(yǎng)殖圍墾工程施工完成后對沙汪河排水影響的預(yù)測；③贛榆新城圍墾工程和北側(cè)高灘養(yǎng)殖圍墾工程建成后對沙汪河排水影響的預(yù)測。參考海水水質(zhì)一類標(biāo)準(zhǔn)COD濃度為[12]：2 mg/L；二類標(biāo)準(zhǔn)為3 mg/L。計(jì)算分析中以COD影響一類水、二類水面積為例進(jìn)行分析，作為數(shù)值試驗(yàn)，計(jì)算中不考慮本底濃度的影響，分析COD影響最大范圍和最遠(yuǎn)距離。

計(jì)算結(jié)果顯示(見表1)，圍墾工程實(shí)施前沙汪河COD致使海水超一類標(biāo)準(zhǔn)面積為1.34 km2，超二類標(biāo)準(zhǔn)的面積為0.75 km2；落潮方向影響最遠(yuǎn)距離分別為2.25和2.12 km。沙枉河口COD影響范圍見圖4。

表1 圍墾工程前后沙汪河COD影響范圍Tab.1 Effect domain of COD with and without reclamation works

由表1可見北側(cè)高灘圍墾工程和南側(cè)濱海新城圍墾工程建設(shè)以后下沙汪河排污COD致使海水超一類標(biāo)準(zhǔn)和超二類標(biāo)準(zhǔn)的面積和距離，相比現(xiàn)狀條件均稍有增加。

圖4 沙汪河口COD排放擴(kuò)散影響(單位：mg/L)Fig.4 Effect area of COD transport in Shawang estuary (unit: mg/L)

3 分析與討論

在二維擴(kuò)散模型中，除污染物本身的衰減外，其擴(kuò)散范圍和距離主要取決于水流動(dòng)力和水深地形。水流動(dòng)力決定污染物的擴(kuò)散方向和范圍，水流流速越大，污染物將被輸運(yùn)越遠(yuǎn)而不容易聚集；水深及地形也影響水體濃度，水深越大，在垂向上被稀釋，濃度越小。沙枉河口兩側(cè)為淺灘，河口附近通道較窄；由口門向外海，水深逐漸增加，同時(shí)水動(dòng)力也逐漸增強(qiáng)(見圖5)。河口兩側(cè)圍墾工程實(shí)施前，向兩側(cè)擴(kuò)散輸運(yùn)的污染物被落潮流帶至圍墾前沿，又被較強(qiáng)的落潮流帶至更遠(yuǎn)水域，易于稀釋。工程實(shí)施后，河口附近漲落潮流只能由通道進(jìn)出。與此同時(shí)，由近岸向外海，水深不斷增加，污染物在深水中被稀釋更加明顯，其濃度也很快衰減。因此，河口圍墾工程具有使河口受污水體向外輸運(yùn)稀釋的效應(yīng)，這對河口環(huán)境有利。

圍墾工程對排污的影響還需要考慮圍墾工程對通道及前沿水域的流速影響。本例中，由于海域水流為離向岸方向的往復(fù)流，圍墾工程實(shí)施后，圍墾前沿水流動(dòng)力有所減弱(見圖6)，不利于污染物稀釋。如果近岸以沿岸方向水流為主，一般通道內(nèi)水流可能減弱，而圍墾工程前沿水流則會(huì)增加，那么動(dòng)力變化影響效果也可能朝有利于污染物輸運(yùn)的方向發(fā)展。結(jié)合圖5分析可以發(fā)現(xiàn)，雖然河口兩側(cè)圍墾實(shí)施后前沿流速有所減弱，但沒有改變流速由近岸向外海逐漸增強(qiáng)的分布特征。

綜合以上，圍墾實(shí)施前本例中的COD影響主要在口門附近，圍墾工程實(shí)施以后，污染物被縮窄通道內(nèi)落潮流帶至圍墾前沿水域，并被較強(qiáng)的落潮流攜帶至更遠(yuǎn)水域，對河口污染水體稀釋擴(kuò)散有利。當(dāng)然，這里主要討論針對污染水體稀釋影響范圍，事實(shí)上，除了稀釋影響范圍，污染水體擴(kuò)散影響實(shí)際區(qū)域可能也是需要關(guān)心的，例如排放口附近存在環(huán)境保護(hù)區(qū)、資源保護(hù)區(qū)等要求不能被影響，此時(shí)污染物輸運(yùn)則需要針對具體情況進(jìn)行分析，河口圍墾工程對污染物排放輸運(yùn)是否有利需要進(jìn)一步具體論證。

圖6 圍墾工程實(shí)施后平均流速變化(單位：m/s)Fig.6 Changes in averaged velocity of tidal flow with reclamation works (unit: m/s)

4 結(jié) 語

河口兩側(cè)實(shí)施圍墾工程，改變了河口形態(tài)和動(dòng)力環(huán)境。兩側(cè)淺灘圍墾工程實(shí)施后，河口過流通道縮窄，利于污染物向動(dòng)力較強(qiáng)的深水域輸運(yùn)稀釋，具有排放口向深水遷移的效應(yīng)，有利河口環(huán)境。圍墾工程實(shí)施本身使得通道及前沿區(qū)域動(dòng)力改變，對污染物輸運(yùn)稀釋的影響需要根據(jù)實(shí)際情況來分析。當(dāng)兩側(cè)圍墾工程前沿水流減弱時(shí)，動(dòng)力變化不利于污染物輸運(yùn)稀釋；而圍墾工程促使前沿水流增加時(shí)，動(dòng)力變化則有利于污染物輸運(yùn)稀釋。

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Numerical analysis of influences of reclamation works on pollutant transportation along Shawang River estuary

DING Dazhi1, ZHANG Jingbo2, ZHOU Xianghua3, ZHANG Weisheng4

(1.LianyungangPort300 000DWTConstructionHeadquarter,Lianyungang222046,China; 2.WaterConservancyBureauofGanyuCounty,LianyungangCity,Lianyungang222100,China; 3.WaterResourcesDepartmentofJiangsuProvince,Nanjing210029,China; 4.NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210029,China)

The reclamation works placed on both sides of a river mouth will not only change the river topography and a dynamic environment but also have some influences on the pollutant transportation. Taking the Shawang River estuary situated in the Ganyu county of Lianyungang city, Jiangsu Province, as a case history, the pollutant transportation influenced by the reclamation works placed on both sides of a river mouth before and after construction of the reclamation works is calculated by a 2D convection-dispersion numerical model, and the influences of construction of the reclamation works on the polluted water transportation are analyzed in this paper. The results show that the reclamation works located on both sides of a river mouth may result in narrowing the flow passage and make the mouth extend towards the deep waters, which is favorable to the polluted water dilution and transportation in the deep waters by the action of stronger hydrodynamic force. Meanwhile, as the reclamation works have changed hydrodynamic force in the flow passage and the front, when the hydrodynamic force along the frond of the reclamation works goes weaker, such variation may be unfavorable to the pollutant transportation and dispersion in the waters. On the contrary, the reclamation works make the flow in the passage and the front increase, which would be advantageous to the pollutant transportation in the waters. The numerical calculation results can provide a reference for assessment of the environment impacts given by the reclamation works located at the river mouth.

pollutant transportation and dispersion; reclamation works; numerical calculation; water environment

10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.02.015

2016-04-16

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0401505)； 國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51309157)

丁大志(1978—)，男，江蘇連云港人，工程師，主要從事港口航道管理方面的研究。E-mail: lygddz@sina.com

X145

A

1009-640X(2017)02-0115-06

丁大志， 張靜波， 周向華， 等. 圍墾工程對沙枉河口污染物輸運(yùn)影響分析[J]. 水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào), 2017(2): 115-120. (DING Dazhi, ZHANG Jingbo, ZHOU Xianghua, et al. Numerical analysis of influences of reclamation works on pollutant transportation along Shawang River estuary[J]. Hydro-Science and Engineering, 2017(2): 115-120. (in Chinese))