港口建設(shè)對水動(dòng)力和水環(huán)境的綜合影響

周 芳，陳明波

(交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院，北京 100088)

中國沿海處于快速工業(yè)化和城市化形勢之下，大規(guī)模港口規(guī)劃建設(shè)活動(dòng)一直以來是我國海洋資源利用的主要形式。港口建設(shè)活動(dòng)的實(shí)施，將會(huì)產(chǎn)生大面積的區(qū)域圍填海，使得海灣水域面積逐漸縮小，伴隨著潮汐和潮流發(fā)生一定變化[1]，勢必對海灣的水動(dòng)力條件、水體交換能力等水環(huán)境產(chǎn)生影響[2-5]。

本文以丹東大東港區(qū)為研究對象，水動(dòng)力模擬以規(guī)劃港界范圍作為邊界條件，采用平面二維數(shù)值模型MIKE21FM進(jìn)行預(yù)測分析，模擬分析了大東港區(qū)規(guī)劃建成后的潮流場變化情況，通過添加平面二維非恒定的對流-擴(kuò)散模塊，進(jìn)行懸浮物擴(kuò)散預(yù)測。廢水排放預(yù)測分析采用物質(zhì)輸運(yùn)方程，通過差分?jǐn)?shù)值模擬方法模擬典型污染物濃度場，預(yù)測分析港口建設(shè)廢水排水對水環(huán)境的影響。

1 港口建設(shè)周邊環(huán)境現(xiàn)狀

本文研究的港口建設(shè)區(qū)域?yàn)榈|大東港區(qū)，大東港區(qū)位于東港市南部，中朝界河鴨綠江西水道入?？谖靼?，南臨黃海，是東北東部地區(qū)最便捷的出海通道。大東港區(qū)從北至南已建4個(gè)作業(yè)區(qū)，包含大東作業(yè)區(qū)、東溝一作業(yè)區(qū)、東溝二作業(yè)區(qū)和東溝三作業(yè)區(qū)，各作業(yè)區(qū)按功能集中布置件雜貨碼頭、集裝箱碼頭、大型油品碼頭及大型散貨碼頭，已建作業(yè)區(qū)內(nèi)人工碼頭岸線約12 km，填海造陸面積約22 km2。隨著大東港區(qū)規(guī)劃方案的實(shí)施，大東港區(qū)平面布置和作業(yè)區(qū)功能進(jìn)行局部調(diào)整，規(guī)劃布局新增東溝四作業(yè)區(qū)。大東港區(qū)規(guī)劃實(shí)施后，將建設(shè)人工碼頭岸線約18 km，填海造陸面積約36 km2(新增用地全部填海造陸形成)。

大東港區(qū)周邊的水環(huán)境敏感目標(biāo)有鴨綠江口濕地國家級自然保護(hù)區(qū)，濕地保護(hù)區(qū)總面積為814.3 km2，其中核心區(qū)160 km2，緩沖區(qū)200 km2，試驗(yàn)區(qū)454.3 km2。大東港區(qū)位于自然保護(hù)區(qū)范圍外，緊鄰自然保護(hù)區(qū)邊界。大東港區(qū)規(guī)劃邊界與鴨綠江口濕地國家級自然保護(hù)區(qū)位置關(guān)系見圖1。

圖1 大東港區(qū)規(guī)劃邊界與鴨綠江口濕地國家級自然保護(hù)區(qū)位置關(guān)系

2 港口建設(shè)對水動(dòng)力條件的影響

規(guī)劃的港界范圍(已建的大東、東溝一、東溝二、東溝三作業(yè)區(qū)和規(guī)劃的東溝四作業(yè)區(qū))作為水動(dòng)力模擬的邊界條件，采用平面二維數(shù)值模型MIKE21FM分析港區(qū)規(guī)劃建設(shè)用海對水動(dòng)力的影響。MIKE21FM采用標(biāo)準(zhǔn)Galerkin 有限元法進(jìn)行水平空間離散，在時(shí)間上，采用顯式迎風(fēng)差分格式離散動(dòng)量方程與輸運(yùn)方程。該軟件具有算法可靠、計(jì)算穩(wěn)定、界面友好、前后處理功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)。

2.1 計(jì)算網(wǎng)格和參數(shù)選取

2.1.1計(jì)算域

預(yù)測模型所建立的海域數(shù)學(xué)模型計(jì)算域坐標(biāo)范圍為北緯39°08′15.11″～ 40°04′14.45″，東經(jīng)123°09′00.51″～125°33′17.61″。模擬區(qū)內(nèi)海域采用大網(wǎng)格，河道采用小網(wǎng)格，以實(shí)現(xiàn)對河道的良好擬合。

2.1.2網(wǎng)格設(shè)置

規(guī)劃實(shí)施前整個(gè)模擬區(qū)域由6 380個(gè)節(jié)點(diǎn)和10 965個(gè)三角單元組成，規(guī)劃實(shí)施后整個(gè)模擬區(qū)域由6 385個(gè)節(jié)點(diǎn)和10 950個(gè)三角單元組成；最小空間步長約20 m，最小時(shí)間步長0.5 s。為了清楚地反映規(guī)劃用海對附近海域水動(dòng)力環(huán)境的影響，將港口附近海域網(wǎng)格進(jìn)行加密。

2.1.3水深和岸界

水深和岸界選取1:100萬海圖(10011號)、1:25萬海圖(11100號、11300號)、1:15萬海圖(11110號、11310號)、1:2.5萬海圖(11131號)及工程區(qū)附近海域?qū)崪y水深地形測量資料。

2.1.4大海域模型水邊界輸入

開邊界：A、B、C點(diǎn)均采用MIKE21全球模式預(yù)報(bào)所得連續(xù)潮位值作為開邊界輸入條件。

閉邊界：以大海域和規(guī)劃用海區(qū)周邊岸線作為閉邊界。

2.1.5計(jì)算時(shí)間步長和底床糙率

模型計(jì)算時(shí)間步長根據(jù)CFL條件進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，確保模型計(jì)算穩(wěn)定進(jìn)行，最小時(shí)間步長1.0 s。底床糙率通過曼寧系數(shù)進(jìn)行控制，曼寧系數(shù)n取30～60 ms。

2.2 數(shù)值模型驗(yàn)證

潮位驗(yàn)證采用01號浮標(biāo)(C1點(diǎn))、3#(C2點(diǎn))、大東港(C3點(diǎn))3個(gè)站位2018年的大潮、中潮、小潮期間連續(xù)觀測資料進(jìn)行驗(yàn)證，潮流驗(yàn)證采用規(guī)劃用海區(qū)周邊海域L1～L11共計(jì)11個(gè)潮流觀測站位2018年的實(shí)測資料進(jìn)行驗(yàn)證[6]。

圖2 模擬區(qū)內(nèi)潮位及潮流驗(yàn)證點(diǎn)分布

2.3 潮流場數(shù)值模擬結(jié)果

本文模擬了港口的現(xiàn)狀潮流場以及規(guī)劃后的潮流場，分析規(guī)劃實(shí)施對港區(qū)周邊海域的水動(dòng)力環(huán)境的影響。其中潮流場的數(shù)值模擬預(yù)測分析結(jié)果(圖3)如下：

圖3 計(jì)算潮流場

漲急時(shí)，港口周邊海域潮流整體由SSW向NNE流，流速普遍在0.5～1.0 ms，航道內(nèi)流速普遍在0.7～1.2 ms。受已建圍堰的掩護(hù)作用，各港池內(nèi)的流速較小，均在0.15 ms以下；港池口門處，受已建圍堰的阻擋，過流斷面減小，漲潮流速較大，口門東側(cè)最大流速可達(dá)1.1 ms。第四作業(yè)區(qū)南圍堰南側(cè)，受規(guī)劃填海形成陸域的阻擋作用，漲潮流流速較小。

落急時(shí)，港口周邊海域潮流整體由NNE向SSW流，流速普遍在0.6～1.1 ms，航道內(nèi)流速普遍在0.7～1.2 ms。受已建圍堰的掩護(hù)作用，各港池內(nèi)的流速較小，均在0.25 ms以下；港池口門處，受已建圍堰的阻擋，過流斷面減小，落潮流速較大，口門東側(cè)最大流速可達(dá)1.45 ms。第四作業(yè)區(qū)南圍堰南側(cè)，受規(guī)劃填海形成陸域的阻擋作用，落潮流流速較小。

2.4 對水動(dòng)力條件的影響分析

為了進(jìn)一步分析規(guī)劃用海對周邊海域潮流場的影響程度，在以上數(shù)值模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，將規(guī)劃附近海域大潮期漲急與落急時(shí)的潮流場進(jìn)行差值處理，得到規(guī)劃實(shí)施前后流速變化(圖4)，用以定量分析規(guī)劃實(shí)施對周邊海域潮流場的影響。

圖4 規(guī)劃實(shí)施后周邊海域流速變化

規(guī)劃實(shí)施后，受第四作業(yè)區(qū)填海的阻擋作用，四港池陸域南側(cè)水域漲急流速減小，最大減小幅度約0.5 ms，陸域兩側(cè)由于過水?dāng)嗝鏈p小，出現(xiàn)一定范圍漲急流速增大水域，增大幅度約0.2 ms。四港池內(nèi)部漲急流速大幅度減小，大東水道上游受漲潮量減小影響，漲急流速有所減小。落急流速變化趨勢與漲急相似。四港池南側(cè)落急流速普遍減小，減小幅度略小于漲急，受四港池陸域阻擋作用，其兩側(cè)落急流速增大，四港池內(nèi)部落急流速大幅度減小。

3 港口建設(shè)對水環(huán)境的影響

3.1 對懸浮物影響

3.1.1懸浮物源強(qiáng)估算

圍填海工程實(shí)施期間對懸浮物會(huì)產(chǎn)生一定的影響，懸浮物是施工期最主要的水域污染物，主要發(fā)生于疏浚工程及水工建筑物施工區(qū)域、吹填區(qū)溢流口。懸浮顆粒物的產(chǎn)生將對海洋生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生明顯的擾動(dòng)。疏浚作業(yè)懸浮物的源強(qiáng)取決于作業(yè)區(qū)域的泥沙粒徑及作業(yè)機(jī)械類別，港區(qū)岸線為粉砂淤泥質(zhì)海岸，適用于大型絞吸式挖泥船進(jìn)行疏浚作業(yè)，根據(jù)港區(qū)現(xiàn)有工程疏浚作業(yè)源強(qiáng)估算，大型絞吸式挖泥船疏浚期間懸浮物源強(qiáng)約為2.7 kgs。吹填區(qū)溢流作業(yè)須在圍堰預(yù)留溢流口，吹填區(qū)的泥漿水流經(jīng)分隔圍堰、多道防污屏的沉隔，最后經(jīng)溢流口排出。溢流口懸浮物發(fā)生量約為溢流量的2%～5%，溢流源強(qiáng)約為0.4 kgs。水工建筑構(gòu)筑期間產(chǎn)生的懸浮物源強(qiáng)為1.4～3.7 kgs。航道和港池疏浚的作業(yè)范圍較大，而吹填溢流口和水工建筑施工區(qū)域的范圍較小，因此懸浮物影響以航道和港池疏浚為主。

3.1.2懸浮物擴(kuò)散預(yù)測

潮流是海域污染物進(jìn)行稀釋擴(kuò)散的主要?jiǎng)恿σ蛩?，在潮流場基礎(chǔ)上，通過添加預(yù)測模塊(平面二維非恒定的對流-擴(kuò)散模型)，可進(jìn)行懸浮物擴(kuò)散預(yù)測。

(1)

式中：Dx、Dy為x、y方向的擴(kuò)散系數(shù)；c為污染物濃度；F=aws，a為懸浮顆粒沉降機(jī)率，ws為懸浮顆粒平均沉降速度；u為懸浮物的起動(dòng)速度；v為懸浮物的揚(yáng)動(dòng)速度；h為水深；s為懸浮物排入水體的源強(qiáng)。

圍填海工程實(shí)施期間，疏浚作業(yè)船舶引起的疏浚懸浮物具有一定的影響范圍，懸浮物增量為10 mgL濃度的影響海域主要集中于疏浚作業(yè)點(diǎn)周圍300 m×200 m范圍內(nèi)。港區(qū)位于入?？?，懸浮物本底濃度較高，因此，規(guī)劃實(shí)施期間產(chǎn)生的懸浮物擾動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一定的可控影響，不會(huì)對工程所在海域的水質(zhì)和海洋生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生顯著不良影響。且施工期懸浮物影響屬于暫時(shí)性的環(huán)境影響，一旦施工結(jié)束，其影響也會(huì)隨之結(jié)束。

3.2 對水環(huán)境的影響

3.2.1港區(qū)廢水排放源強(qiáng)計(jì)算

通過廢水統(tǒng)計(jì)分析，港區(qū)2030年廢水產(chǎn)生總量約為264.87萬ta，污水回用率按照《遼寧省循環(huán)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)“十一五”規(guī)劃》中的城市污水回用率目標(biāo)值65%計(jì)算，則2030年廢水排放量約為92.7萬ta，即2 540 td，其中COD、石油類和氨氮的污染物濃度為50、3、8 mgL。大東港區(qū)現(xiàn)有排污口設(shè)在東溝一作業(yè)區(qū)中部，位于整個(gè)大東港區(qū)偏北側(cè)，規(guī)劃新增四港池后擬在三港池南側(cè)散貨作業(yè)區(qū)靠海側(cè)新增一個(gè)排污口，用于三、四作業(yè)區(qū)的廢水排放。

3.2.2廢水影響預(yù)測

本文水質(zhì)模擬按規(guī)劃的港界范圍(已建的大東、東溝一、東溝二、東溝三作業(yè)區(qū)和規(guī)劃的東溝四作業(yè)區(qū))作為邊界條件，采用物質(zhì)輸運(yùn)方程，通過差分?jǐn)?shù)值模擬方法模擬典型污染物濃度場，用以定量地說明廢水排放對水質(zhì)的影響程度。以下方程與沿深度平均的流體動(dòng)力學(xué)基本方程組一并構(gòu)成污染物擴(kuò)散的基本方程組。

物質(zhì)輸運(yùn)方程為：

(2)

式中：P為污染物濃度；u、v分別為x、y向流速分量；Dx、Dy為x、y向擴(kuò)散系數(shù)；S為污染物在單位時(shí)間的排放量速率；k為衰減系數(shù)；H為平均水深；p為污染物反應(yīng)速率常數(shù)。

根據(jù)模擬結(jié)果(圖5)，至2030年規(guī)劃全部實(shí)施后，港區(qū)廢水經(jīng)港區(qū)污水處理站處理達(dá)標(biāo)后排放，并考慮65%回用的情況下，廢水排放口石油類、COD和氨氮的影響程度均較輕。COD增量大于3 mgL(海水水質(zhì)二類標(biāo)準(zhǔn))最大影響距離在400 m內(nèi)；石油類增量大于0.05 mgL(海水水質(zhì)二類標(biāo)準(zhǔn))最大影響距離在240 m內(nèi)；氨氮增量大于0.3 mgL(海水水質(zhì)二類標(biāo)準(zhǔn))最大影響距離在120 m內(nèi)。排污口均設(shè)置在港區(qū)東側(cè)海域，受規(guī)劃填海區(qū)的阻擋作用，超過海水水質(zhì)二類標(biāo)準(zhǔn)的控制范圍在排污口附近最遠(yuǎn)400 m內(nèi)，因此，不會(huì)擴(kuò)散至港區(qū)西側(cè)的鴨綠江口濕地國家級自然保護(hù)區(qū)，對自然保護(hù)區(qū)的影響較小。

圖5 污染物擴(kuò)散影響范圍

4 結(jié)語

1)港口建設(shè)會(huì)改變周邊海域的水動(dòng)力環(huán)境條件，通過潮流場模擬預(yù)測分析，港區(qū)內(nèi)漲落潮流速均有較大幅度的降低，水道上游受漲潮量減小影響，漲急流速有所減小。由于四港池陸域阻擋作用，其兩側(cè)漲落急流速增大，四港池內(nèi)部落急流速大幅度減小。

2)圍填海施工對懸浮物會(huì)產(chǎn)生一定的影響，懸浮物影響以航道和港池疏浚為主，疏浚懸浮物影響海域主要集中于疏浚作業(yè)點(diǎn)周圍300 m范圍內(nèi)。

3)遠(yuǎn)期港區(qū)廢水考慮65%回用的情況下經(jīng)污水處理站處理達(dá)標(biāo)后排放，廢水排放口石油類、COD和氨氮的影響程度均較輕，污染物擴(kuò)散受圍填海區(qū)域的阻擋作用，大大減少了水質(zhì)的擴(kuò)散范圍，廢水排放口各類污染物最大擴(kuò)散范圍不超過400 m，對周邊水環(huán)境敏感目標(biāo)的影響較小。