半封閉式港灣防波堤型式對灣內(nèi)水動力環(huán)境的影響研究

吳 瓊，李木桂，羅 歡

(1.珠江水利科學研究院，廣東 廣州 510611；2.廣東省河湖生命健康工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510611)

建于開敞水域的港口，為保證船舶安全停泊與裝卸作業(yè)，需建造防波堤，形成半封閉式港灣。半封閉式港灣是指海灣口門寬度與岸線長度之比在0.01～0.10的港灣[1]，此類港灣僅通過口門與外海進行交換，且口門一般較窄，港灣自凈能力較弱。隨著沿海港口規(guī)模的迅速發(fā)展，工業(yè)污染、生活污水、養(yǎng)殖污水等排放量日益增加，加之灣內(nèi)外水體交換不暢，極易導致灣內(nèi)水環(huán)境質(zhì)量下降，嚴重影響水域生態(tài)環(huán)境健康及港口的可持續(xù)發(fā)展。因此，國內(nèi)學者對半封閉海灣的沖淤演變、水交換等方面較為關(guān)注[2-7]。夏華永等[8]對湛江灣的海岸工程可能引起的水動力環(huán)境變化進行了預(yù)測；魏皓等[9]以渤海為例，采用水質(zhì)模型對水體半交換時間進行了模擬；龔旭東等[10]以東山灣為例，探討了在半封閉海灣內(nèi)進行大規(guī)模圍填海對海灣水動力環(huán)境的影響；李雨[11]以漢班托塔港為例，對擬建工程項目完工后的人工島內(nèi)側(cè)水域的水體交換率進行分析研究，探討通過開挖明渠連接港池加強水體交換率，并對不同寬度、深度的明渠加強水體交換率做了對比；王金華等[12]對連云港港旗臺作業(yè)區(qū)及防波堤工程前后水體交換能力進行了研究，結(jié)果表明防波堤工程建設(shè)后主港區(qū)的半交換周期從約5 d增加至22 d。以往研究主要考慮海灣天然水體交換條件或者工程建設(shè)對水體交換條件的影響，尚未見防波堤型式對灣內(nèi)水動力環(huán)境影響的相關(guān)研究。本文以珠江河口香洲灣為研究對象，采用二維水動力水質(zhì)數(shù)學模型，探索防波堤不同型式對灣內(nèi)水動力環(huán)境的影響，分析灣內(nèi)水體交換條件及污染物輸移擴散規(guī)律的差異，為防波堤建設(shè)和港口水環(huán)境保護提供參考。

1 研究區(qū)概況

香洲漁港地處珠海市城區(qū)中心情侶路的海灣上(圖1)，是經(jīng)國家農(nóng)業(yè)部公布的全國重點群眾漁港，港內(nèi)水域面積85.87萬m2，可同時停泊漁船800多艘，年進出港船達4萬多艘次，是珠江河口漁貨交易的主要集散地之一?，F(xiàn)狀香洲漁港憑借北側(cè)港口路、防波堤和南側(cè)野貍島及海燕橋的共同掩護，形成一個避風港灣(圖2)。港口路由岸邊向水域延伸671 m，防波堤由港口路盡頭向水域延伸，全長913 m。海燕橋連接情侶路與野貍島，距上游港口路1.73 km。港口路、防波堤、海燕橋和野貍島之間的水域中分布著海關(guān)碼頭、珠海香洲客運碼頭、珠海市歌劇院、修船廠、防波堤、得月舫酒樓、臨時工程碼頭、養(yǎng)蠔碼頭、漁港交通艇碼頭等設(shè)施。在情侶路上，從港口路到海燕橋之間，分布著7個排水口。目前珠海香洲漁港改造工程已經(jīng)建成，珠海香洲漁港改造工程二期正在建設(shè)中，珠海海燕橋周邊景觀工程正在建設(shè)中。

圖1 香洲漁港位置示意

圖2 灣內(nèi)工程現(xiàn)狀布置

引用《珠海市海域海洋環(huán)境與資源現(xiàn)狀調(diào)查報告》[13]2017年11月5—7日和2018年3月29—31日水質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)及廣東海洋大學海洋資源與環(huán)境監(jiān)測中心2018年4月20日的水質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)進行海水水質(zhì)現(xiàn)狀分析。3次監(jiān)測的具體站位見圖3。監(jiān)測結(jié)果表明，香洲灣水域主要污染物為無機氮，平均含量處于《海洋水質(zhì)標準》劣四類水平；活性磷酸鹽平均含量約0.045 mg/L，基本達到海水第四類水質(zhì)標準，其他指標滿足第四類水質(zhì)標準。對比灣內(nèi)灣外水質(zhì)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，近岸水質(zhì)明顯劣于外海，香洲灣內(nèi)(Z8點位)的無機氮和活性磷酸鹽明顯低于同一離岸水域(Z7和Z9)，特別是Z7點位無機氮和活性磷酸鹽較高，可能原因是受鳳凰河排水影響，鳳凰河緊貼香洲灣北部入海，污染物在防波堤北部近岸水域聚集，隨落潮流進入香洲灣，成為灣內(nèi)主要污染源之一。

圖3 海水水質(zhì)監(jiān)測點

2 數(shù)學模型及計算工況

2.1 研究范圍

研究采用伶仃洋大范圍二維潮流數(shù)學模型和工程局部二維潮流、水質(zhì)耦合數(shù)學模型進行方案計算。研究范圍上邊界取自三角洲東四口門及磨刀門出口控制水文站，即取自虎門大虎站、蕉門南沙站、洪奇門馮馬廟站、橫門口橫門站、及磨刀門燈籠山站；下邊界取至外海30 m等深線；西邊界至磨刀門三灶珠海機場；東邊界至香港水域。大范圍二維潮流數(shù)學模型區(qū)域?qū)捈s112 km，長約125 km，模擬水域面積約7 000 km2，共布網(wǎng)格844個×950個，工程附近水域網(wǎng)格進行局部加密，最小網(wǎng)格尺寸約為3 m×5 m。模型采用正交曲線網(wǎng)格，模型研究范圍、網(wǎng)格布置見圖4。工程局部地區(qū)岸線曲折、邊界復雜，為了便于對島嶼、不規(guī)則海岸線、防波堤進行精確概化，局部二維模型選用三角形網(wǎng)格對計算水域進行剖分，局部模型網(wǎng)格布置見圖5。

圖4 大范圍模型網(wǎng)格布置

圖5 局部模型網(wǎng)格布置

2.2 基本方程

2.2.1大范圍二維數(shù)學模型

伶仃洋大范圍二維潮流數(shù)學模型基本方程包括連續(xù)方程和動量方程，貼體正交曲線坐標系下的潮流控制方程形式如下。

連續(xù)方程：

(1)

動量方程：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中θc對應(yīng)離散單元的面通度，為網(wǎng)格中能夠被流體通過的面積(網(wǎng)格面積減去網(wǎng)格中固體或障礙物的面積)與整個網(wǎng)格面積之比，定義在網(wǎng)格中心。θζ、θη分別為對應(yīng)于離散單元的ζ、η方向線通度，為該方向上能夠被流體通過的網(wǎng)格長度與該網(wǎng)格總長之比，定義在網(wǎng)格邊界上。u、v為ζ、η方向流速分量，h為水位，H為水深，g為重力加速度，f為科氏力系數(shù)，ρ為水體密度，ρa為空氣密度，wx為風速x向分量，Cw為風對水面剪切系數(shù)，σζζ、σηη、σζη、σηζ為應(yīng)力項，τxx、τxy分別表示表面切應(yīng)力在x、y方向的分量，系數(shù)Cζ、Cη其表達式如下：

(6)

(7)

(8)

其中，vt為紊動黏性系數(shù)，即:vt=au*H，式中a為系數(shù)，u*為摩阻流速；H為水深。

方程的離散化采用貼體坐標下曲線正交網(wǎng)格的交替差分法。通過坐標變換將計算區(qū)域變換成新坐標系下的規(guī)則區(qū)域，借助ADI法求解水流運動基本方程。

2.2.2局部二維數(shù)學模型

垂向平均的二維水動力數(shù)學模型控制方程包括1個連續(xù)性方程和2個動量方程，基本方程為：

(9)

(10)

(11)

海灣水交換問題的本質(zhì)是灣內(nèi)水體在流場中的對流-擴散問題。因此對流-擴散型的數(shù)值模型在物理上與海灣水交換問題更加一致。

(12)

式中C——指示劑濃度；kp——指示劑線性衰減率；CS——源的指示物濃度；S——污染物的源匯項；DV——垂向擴散系數(shù)；W——流速沿Z向的分量；FC——水平向擴散項，由下式確定：

(13)

式中Dh——水平擴散系數(shù)。

沿水深方向進行積分整理，得到沿水深平均的二維對流擴散方程：

(14)

hFC包含湍動擴散和由于流速、濃度沿深度分布不均勻引起的離散。

本模型采用的計算方法為有限體積法，即將計算域劃分成若干非規(guī)則形狀的單元或控制體。在計算出通過每個控制體邊界法向輸入輸出的流量和動量通量后，對每個控制體分別進行水量和動量平衡計算，便得到計算時段末各控制體的平均水深和流速。

2.3 計算工況

2.3.1水體交換能力

以溶解態(tài)的保守性物質(zhì)作為灣內(nèi)水的示蹤劑，建立對流-擴散型的海灣水交換數(shù)值模型。通過示蹤劑濃度的時空分布來反應(yīng)灣內(nèi)、外水體的交換情況，計算原理為：給定灣內(nèi)示蹤劑的初始濃度假定為C0，某一時刻變成了C1，此時灣內(nèi)水被外海水置換的比率為R=(C0-C1)/C0，相應(yīng)余留在原位置沒有被置換的水體比率為L=1-R=C1/C0，其假設(shè)條件是數(shù)學模型中這種物質(zhì)在開邊界給定的濃度為零。本研究港池內(nèi)外水體交換能力的計算采用溶解性保守物質(zhì)的對流擴散模型，主要是通過港池內(nèi)一次性投放面源示蹤劑，分析港池內(nèi)外的示蹤劑濃度分布，整個港池內(nèi)采用面源示蹤劑一次性投放，初始濃度為10 mg/L。計算工況包括全封閉式防波堤以及不同開口寬度(20、40、60、100 m)的防波堤布置方案。

2.3.2污染物輸移擴散

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，所在海域的主要超標因子為無機氮，鳳凰河為香洲灣內(nèi)水體的主要污染來源。因此選取無機氮作為評價指標，海域的初始濃度取實際監(jiān)測濃度。鳳凰河主要承接香洲水質(zhì)凈化廠尾水，香洲水質(zhì)凈化廠現(xiàn)有處理規(guī)模為8萬m3/d，根據(jù)《香洲水質(zhì)凈化廠三期工程環(huán)境影響評價報告》[14]和《珠海市供水與排水治污中心2017年香洲水質(zhì)凈化廠三期工程PPP項目可行性研究報告》[15]，香洲水質(zhì)凈化廠三期工程排放的尾水量與一、二期工程的尾水量合計13.0萬m3/d(4 745萬m3/a)，其設(shè)計進出水水質(zhì)各項污染因子濃度及排放量見表1。排污方式考慮連續(xù)恒定排放，設(shè)計排水量為1.5 m3/s，總氮(無機氮)濃度為15 mg/L。

表1 香洲水質(zhì)凈化廠排水情況統(tǒng)計

2.4 模型率定與驗證

水流的驗證包括“1998.6”洪水、“2007.8”大小潮。從驗證成果(圖6)可見：2種水文條件下各測站計算與實測的潮位過程線吻合較好，模型的漲、落潮歷時和相位與原型實測資料基本一致，潮位特征值驗證誤差基本小于0.10 m，滿足精度要求；流速計算結(jié)果與原型實測資料較為吻合，計算精度滿足規(guī)范要求?？梢?，模型可以用于工程方案水動力影響的研究。

a)“1998.6”內(nèi)伶仃島潮位驗證

e)“2007.8”內(nèi)伶仃島潮位驗證

3 結(jié)果分析

3.1 水體交換條件

考慮港內(nèi)工程建設(shè)前和全部建成后，在全封閉式防波堤布置方案及不同開口寬度(20、40、60、100 m)的防波堤布置方案下，第1天、第3天、第5天港池內(nèi)示蹤劑濃度分布狀態(tài)見圖7—11，不同區(qū)域示蹤劑濃度下降速率差別較大。不同開口方案下，港池內(nèi)示蹤劑平均濃度隨時間變化情況見表2、圖12，港池內(nèi)水體交換周期見表3。

a)1 d

a)1 d

a)1 d

a)1 d

a)1 d

表2 不同方案下港池內(nèi)示蹤劑平均濃度隨時間變化

圖12 不同開口方案下不同時刻灣內(nèi)示蹤劑濃度平均值變化

表3 不同方案下港池內(nèi)水體置換周期對比

工程建設(shè)前，漲潮時，一股漲潮流經(jīng)野貍島東部由進港航道進入灣內(nèi)，在野貍島北部填海區(qū)的導流下，形成一逆時針方向繞流；另一股漲潮流經(jīng)野貍島西側(cè)海燕橋進入灣內(nèi)，直至環(huán)形港池中部，這兩塊水域水體首先得到交換；落潮時，原港池內(nèi)水體由野貍島西側(cè)海燕橋流出灣外，另外港池東側(cè)口門水域水體沿著野貍島北部填海區(qū)東岸線緊貼野貍島流出灣外。香洲漁港港池與外海通過南、東2個口門相連通，水體與外界交換相對較好。工程前港池內(nèi)示蹤劑平均濃度由初始的10.00 mg/L降為5.00、2.50 mg/L所需時間分別為37.0、79.5 h，其半交換周期為37 h，第1天、第3天和第5天的港池內(nèi)示蹤劑平均濃度分別為6.12、2.56、1.25 mg/L。工程后港池內(nèi)示蹤劑平均濃度由初始的10.00 mg/L降為5.00、2.50 mg/L所需時間分別為52、90 h，較工程前延長了15.0、6.5 h，其半交換周期為52 h，第1天、第3天和第5天的港池內(nèi)示蹤劑平均濃度分別為7.20、3.48、1.69 mg/L，較工程前相同時刻分別高出1.07、0.93、0.44 mg/L。

3.2 污染物輸移擴散研究

本研究對工程后防波堤開口40 m的方案進行了污染物輸移擴散模擬，以分析鳳凰河污染源對香洲灣的水環(huán)境影響。香洲灣所在海域水質(zhì)主要壓力為無機氮，其次為活性磷酸鹽，而COD污染壓力并不明顯，故選取無機氮作為評價指標。24、48、72、96 h后的無機氮濃度分布見圖13。結(jié)果顯示，鳳凰河的污染物排入海域后，會在防波堤北部區(qū)域大量聚集，導致香洲灣北部水域水環(huán)境惡化，在潮汐動力的作用下，污染物隨落潮流進入灣內(nèi)，對灣內(nèi)水環(huán)境造成不利影響，將進一步加劇灣內(nèi)的無機氮污染壓力。

a)24 h

c)72 h

分別在灣內(nèi)北部(近開口處)和灣內(nèi)南部(近新月橋處)設(shè)置采樣點，提取水質(zhì)模擬計算結(jié)果進行進一步分析，對比工程前及工程后防波堤開口40 m方案下的污染物濃度隨時間變化規(guī)律，見圖14、表4。

a)灣內(nèi)北部

表4 不同時刻灣內(nèi)不同位置的無機氮濃度對比

結(jié)果表明，由于鳳凰河污染物在防波堤北部聚集，在落潮流的帶動下，鳳凰河的污染物將進入灣內(nèi)，影響范圍主要集中在香洲灣北部區(qū)域，導致防波堤開口附近水域的無機氮濃度增加0.2～0.4 mg/L，而在香洲灣南部區(qū)域(新月橋附近)，因水動力交換條件的改善作用，使得該區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量有所改善。選取24、48、72、120、144、168 h的濃度值對比見表4，灣內(nèi)北部區(qū)域無機氮濃度較工程前增加0.14～0.52 mg/L，灣內(nèi)南部區(qū)域無機氮濃度較工程前降低0.03～0.08 mg/L。

4 結(jié)論

港灣內(nèi)工程建設(shè)對灣內(nèi)水動力環(huán)境有一定程度影響，尤其是防波堤的建設(shè)，會直接導致灣內(nèi)水體交換能力下降，因此研究防波堤的型式對防波堤建設(shè)和港口水環(huán)境保護具有重要意義。本文以香洲港為案例進行預(yù)測分析，結(jié)果表明：工程建設(shè)前灣內(nèi)半交換周期為37 h，工程后建設(shè)全閉合式防波堤的方案下，灣內(nèi)半交換周期為52 h，水體交換能力下降40%。防波堤開口寬度設(shè)置為20、40、60、100 m的不同方案下，灣內(nèi)水體半交換周期較全閉合式防波堤方案分別提高5.0、11.0、14.0、14.5 h，可見，防波堤設(shè)置一定的開口寬度能顯著改善灣內(nèi)水體的水動力條件，開口40 m以上的方案對水動力改善效果明顯優(yōu)于開口20 m的方案，但開口40、60、100 m的3個方案效果區(qū)別并不顯著?？紤]污染源輸入的情況下，鳳凰河的污染物排入海域后，會在防波堤北部區(qū)域大量聚集，導致香洲灣北部水域水環(huán)境惡化，在潮汐動力的作用下，污染物隨落潮流進入灣內(nèi)，對灣內(nèi)水環(huán)境造成不利影響，影響范圍主要集中在香洲灣北部區(qū)域，導致防波堤開口附近水域的無機氮濃度增加0.20～0.40 mg/L，將進一步加劇灣內(nèi)北部區(qū)域的無機氮污染壓力，而灣內(nèi)南部區(qū)域則因灣內(nèi)整體水動力交換能力加強而有所改善。因此，防波堤的設(shè)計型式應(yīng)從灣內(nèi)水體交換條件、防波效果、污染物輸移規(guī)律及工程投資等多角度綜合考慮。