游艇碼頭水質(zhì)保障數(shù)值模擬

孔令雙，顧峰峰，沈 淇，王 巍

（上海河口海岸科學(xué)研究中心，上海 201201）

寧波市萬(wàn)年基業(yè)游艇碼頭位于寧波市北侖梅山水道西北側(cè)（見(jiàn)圖1），港池及其臨近區(qū)域的建設(shè)通過(guò)開(kāi)挖和回填的方式進(jìn)行，港池挖深至底高程-3.50 m（1985國(guó)家高程基準(zhǔn)）。港池水體與梅山水道連接，梅山水道南北兩端興建圍堤，工程建成后，水道內(nèi)為幾近靜止的水域環(huán)境。港池內(nèi)水體流通會(huì)把港池內(nèi)的污染物質(zhì)輸移出港池，幫助水生物數(shù)量穩(wěn)定在合理范圍內(nèi)，減少有毒物沉積。港池內(nèi)水體流通主要依靠港池邊壁的進(jìn)水系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。

水體中污染物質(zhì)擴(kuò)散輸移的數(shù)值模擬建立在水動(dòng)力模型基礎(chǔ)上，關(guān)于水動(dòng)力以及污染物質(zhì)輸運(yùn)的數(shù)值模擬已有諸多研究成果[1-10]。本文采用三維數(shù)學(xué)模型模擬寧波市游艇碼頭港池污染物質(zhì)輸移特性，評(píng)估通過(guò)水體循環(huán)達(dá)到水質(zhì)置換效果。

圖1 游艇碼頭位置圖

1 模型計(jì)算條件

模型水動(dòng)力及物質(zhì)輸運(yùn)采用上海河口海岸科學(xué)研究中心自主研發(fā)的三維水動(dòng)力、泥沙及物質(zhì)輸運(yùn)模型。該模型采用三角形網(wǎng)格，能很好地模擬復(fù)雜岸線，物理量守恒，精度和計(jì)算效率高，已經(jīng)應(yīng)用于多項(xiàng)研究中。

模型控制方程采用有限體積法進(jìn)行離散求解，離散方法采用Casulli半隱格式，即水流連續(xù)方程中流速梯度項(xiàng)，動(dòng)量方程中水位梯度項(xiàng)采用θ法；對(duì)流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)和科氏力項(xiàng)采用顯格式；摩阻項(xiàng)采用隱格式。

1.1 計(jì)算范圍和網(wǎng)格

模型計(jì)算區(qū)域包括梅山水道和擬建游艇港池（內(nèi)港池、南港池、北港池）（見(jiàn)圖2、圖3）。模型整個(gè)計(jì)算域面積約 1 060.00×104m2，容積約 3 760.00×104m3；內(nèi)港池面積約3.40×104m2，容積約11.90×104m3；南港池面積約3.50×104m2，容積約12.25×104m3；北港池面積約2.10×104m2，容積約7.35×104m3；整個(gè)開(kāi)挖面積約16.10×104m2，容積約 56.35×104m3。

模型計(jì)算網(wǎng)格為三角形網(wǎng)格，空間步長(zhǎng)最小0.10 m（見(jiàn)圖2、圖3）。

圖2 計(jì)算區(qū)域及計(jì)算網(wǎng)格圖

圖3 港池局部區(qū)域網(wǎng)格圖

1.2 計(jì)算地形

梅山水道計(jì)算地形采用2013年2月實(shí)測(cè)地形（見(jiàn)圖4），港池為挖入式港池，底部高程為-3.50 m（1985國(guó)家高程基準(zhǔn)）。

1.3 初始條件

圖4 模型計(jì)算地形圖

設(shè)定的初始條件為3個(gè)港池范圍內(nèi)的所有水體受到100%污染，梅山水道為清水環(huán)境，污染濃度為0%（見(jiàn)圖5）。污染水體在流動(dòng)水體攜帶下向外海輸移，港池內(nèi)的污染物濃度降低。

圖5 初始污染物濃度分布圖

1.4 邊界條件

港池的水體流動(dòng)驅(qū)動(dòng)力主要依靠港池邊壁處的進(jìn)水，在進(jìn)入港池的流動(dòng)水體和水位差的驅(qū)動(dòng)下，港池內(nèi)的水體流動(dòng)，從而攜帶水體中的污染物質(zhì)輸出港池。

1.5 模型計(jì)算說(shuō)明

本次計(jì)算主要考慮港池水體與梅山水道水體交換的能力，在港池邊壁供水驅(qū)動(dòng)的作用下，使得港池內(nèi)的水體流動(dòng)起來(lái)，攜帶污染物質(zhì)出港池，進(jìn)入梅山水道，進(jìn)而在潮漲潮落的過(guò)程中輸移入海，從而凈化港池內(nèi)的水體。污染物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)只考慮隨水流的遷移和擴(kuò)散，不考慮其它形式的運(yùn)動(dòng)。

2 計(jì)算方案及結(jié)果

由于游艇碼頭港池開(kāi)挖項(xiàng)目一期主要針對(duì)內(nèi)港池的開(kāi)挖利用，南港池和北港池的開(kāi)挖利用在后期進(jìn)行，因此本次計(jì)算方案重點(diǎn)是對(duì)內(nèi)港池供水口設(shè)置方案的水體循環(huán)進(jìn)行計(jì)算，南港池和北港池初步設(shè)置1個(gè)供水口。

2.1 方案說(shuō)明

內(nèi)港池供水口設(shè)置流量為0.50 m3/s，出水點(diǎn)沿港池南側(cè)小范圍分布。配置1路DN 600及1路DN 500總管，共分17路DN 200支管、12路DN 200支管配水，均為側(cè)面出水（見(jiàn)圖6），每路支管均開(kāi)設(shè)Φ 100出水孔3只（見(jiàn)圖7）；南港池供水設(shè)計(jì)流量為0.60 m3/s，北港池設(shè)計(jì)流量為0.35 m3/s，南港池和北港池各設(shè)置1個(gè)供水口。

圖6 內(nèi)港池出水孔平面布置

圖7 縱向出水孔布置

2.2 計(jì)算結(jié)果

圖8 為方案水體置換1 ～ 10 d港池污染物濃度分布圖（垂向平均）。從計(jì)算結(jié)果看，內(nèi)港池水體循環(huán)4 d后，港池西側(cè)浮碼頭區(qū)域污染物質(zhì)濃度還較高，在10% ～ 30%，其它區(qū)域污染物質(zhì)已基本排輸干凈；水體循環(huán)5 d后，純凈水域面積向外擴(kuò)展，港池西側(cè)浮碼頭區(qū)域污染物濃度均在20%以?xún)?nèi)；水體循環(huán)6 d后，港池內(nèi)污染物的濃度基本均在10%以?xún)?nèi)（小部分區(qū)域?yàn)?1%）。由于內(nèi)港池出口處浮碼頭的影響，在出口彎道北側(cè)存在污染物濃度超過(guò)10%的區(qū)域，該區(qū)域的范圍和濃度值隨著時(shí)間逐漸減小。7 d以后，該區(qū)域的濃度在40% ～ 60%；8 d以后，該區(qū)域的濃度在40%以?xún)?nèi)；9 d以后，該區(qū)域的濃度在30%以?xún)?nèi)；10 d以后，該區(qū)域的濃度在20%以?xún)?nèi)，且濃度超過(guò)10%的區(qū)域面積逐步減小為僅一岸壁附近窄長(zhǎng)條小區(qū)域。

圖8 計(jì)算方案內(nèi)港池濃度分布圖

3 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)寧波市游艇碼頭開(kāi)挖式港池的污染物輸移擴(kuò)散問(wèn)題，利用三維物質(zhì)擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬計(jì)算。因出水孔的直徑為100 mm，所以網(wǎng)格空間步長(zhǎng)最小為0.10 m。游艇碼頭內(nèi)港池邊壁設(shè)置29路進(jìn)水管路，南北港池各設(shè)1個(gè)進(jìn)水管路。在初始水體靜止的條件下，向港池內(nèi)輸水，在水流的驅(qū)動(dòng)下，港池的水體流動(dòng)起來(lái)，將污染物質(zhì)向港池外輸送。計(jì)算結(jié)果表明，內(nèi)港池水體循環(huán)4 d后，港池大部分區(qū)域的污染物質(zhì)已基本排輸干凈，港池西側(cè)浮碼頭區(qū)域由于浮碼頭的阻擋作用污染物質(zhì)濃度還較高。隨著外界水體的輸入，港池內(nèi)污染物的濃度和范圍不斷減小。7 d以后，港池內(nèi)污染物質(zhì)幾乎排輸干凈，在內(nèi)港池出口彎道北側(cè)區(qū)域的濃度在40% ～ 60%。10 d以后，污染物濃度超過(guò)10%的僅岸壁附近窄長(zhǎng)條小區(qū)域。

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