大鏟灣突堤開(kāi)槽的水環(huán)境響應(yīng)

唐榆森，涂新軍,2,3，王 燕，梁巧茵，周文浩，賴榮標(biāo)

(1.中山大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510275； 2.廣東省華南地區(qū)水安全調(diào)控工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510275；3.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室，廣東 珠海 519000； 4.深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，廣東 深圳 518036； 5.長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局長(zhǎng)江三峽水文水資源勘測(cè)局，湖北 宜昌 443000)

海灣作為優(yōu)良的開(kāi)發(fā)環(huán)境，在人類社會(huì)的建設(shè)發(fā)展進(jìn)程中占據(jù)著重要的地位[1]。但是隨著人類對(duì)海灣原始環(huán)境的改造，勢(shì)必會(huì)對(duì)海灣的水環(huán)境產(chǎn)生重大影響[2-6]。針對(duì)受工程圍截后海灣的水環(huán)境治理，學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究。崔崢等[7]利用數(shù)學(xué)模型研究了馬鑾灣海堤和高集海堤的不同開(kāi)口方案對(duì)廈門西海域水體交換能力和水質(zhì)改善的影響；徐婉明等[8]采用數(shù)值模擬方法分析了南澳羊嶼村圍填海工程部分拆除、口門斷面擴(kuò)大對(duì)環(huán)抱式港池潮流場(chǎng)、納潮量和水體交換能力的綜合影響；林毅輝等[9]基于潮位及海流觀測(cè)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，高集海堤開(kāi)口后廈門灣東西海域水動(dòng)力顯著增強(qiáng)，潮流特征明顯變化，有利于改善海灣水環(huán)境。

深圳市大鏟灣是粵港澳大灣區(qū)伶仃洋東岸的重要組成部分。隨著區(qū)域開(kāi)發(fā)的不斷深入，灘涂圍填、碼頭建設(shè)、港池開(kāi)挖等各種人類活動(dòng)日益增強(qiáng)，對(duì)大鏟灣的水環(huán)境演變趨勢(shì)產(chǎn)生重要影響。圍繞大鏟灣的水環(huán)境治理，董志慧等[10]通過(guò)建立大鏟灣局部物理模型對(duì)入灣河流的污水排放進(jìn)行試驗(yàn)研究，提出了水動(dòng)力導(dǎo)控治理灣內(nèi)水質(zhì)的思路；莫思平等[11]基于水質(zhì)物理模型探究了大鏟灣灣區(qū)內(nèi)無(wú)污染源情況下抽水、有污染源情況下注水等工程方案對(duì)灣區(qū)水體交換能力的改善效果；何夢(mèng)云等[12]則通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)資料分析與水質(zhì)物理模型對(duì)大鏟灣海水廊道水動(dòng)力條件和水體污染物濃度變化進(jìn)行研究；劉巖等[13]建立了大鏟灣環(huán)境流體動(dòng)力學(xué)模型，以灣區(qū)水齡為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析得出填海工程對(duì)西鄉(xiāng)河河口附近海域影響最大。目前，針對(duì)大鏟灣突堤碼頭采取開(kāi)槽措施，灣區(qū)水環(huán)境如何響應(yīng)尚未有進(jìn)一步的討論。為此，本文以大鏟灣水環(huán)境為研究對(duì)象，采用平面二維水動(dòng)力模型對(duì)突堤碼頭不同寬度開(kāi)槽工況下，灣區(qū)潮流場(chǎng)、水體換水周期以及污染帶分布變化進(jìn)行計(jì)算分析，以期為采用突堤開(kāi)槽工程措施改善大鏟灣水環(huán)境狀況提供科學(xué)依據(jù)，并為同類型海灣水環(huán)境問(wèn)題提供參考。

1 研究區(qū)概況

大鏟灣位于粵港澳大灣區(qū)深圳市的西部，為伶仃洋東部的次一級(jí)淺海灣。海域面積5.89 km2，灣口水深約3～5 m，灣內(nèi)平均水深約為2 m。灣區(qū)陸域入灣河流有西鄉(xiāng)河、新圳河、雙界河、桂廟渠和鏟灣渠，如圖1所示。

21世紀(jì)初，為滿足當(dāng)?shù)厮方煌ǖ膽?zhàn)略需求，大鏟灣興建集裝箱突堤碼頭。碼頭的建設(shè)使得灣區(qū)與整個(gè)伶仃洋海域水體交換的通道被束窄，排水通道由原來(lái)的4.5 km束窄至約1 km，直接導(dǎo)致灣內(nèi)水域變成相對(duì)封閉的港池，水動(dòng)力嚴(yán)重不足。另一方面，大鏟灣入灣河流的陸源污染匯入，使得污染物聚集在灣區(qū)難以消散，水體污染問(wèn)題頻發(fā)。根據(jù)當(dāng)?shù)厮廴局卫硪?，大鏟灣灣內(nèi)水質(zhì)將嚴(yán)格執(zhí)行第三類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

2 研究方法

2.1 海灣水動(dòng)力及水質(zhì)數(shù)值模擬

海灣水動(dòng)力模擬基于二維不可壓縮Reynolds值均勻分布的Navier-Stokes方程組，服從Boussinesq假設(shè)和靜水壓力假定：

圖1 海灣位置、測(cè)站分布及模型網(wǎng)格Fig.1 Locations of bay, gauging stations, and interpolated grids

(1)

(2)

(3)

其中

二維水動(dòng)力模型的物質(zhì)輸運(yùn)基本方程為

(4)

式中：u、v分別為x、y方向上的水流流速；C為基于水深平均的物質(zhì)濃度；Dh為物質(zhì)的水平擴(kuò)散系數(shù)。

2.2 模型建立與驗(yàn)證

海灣水動(dòng)力及水質(zhì)模擬區(qū)域包括伶仃洋海域和大鏟灣灣區(qū)，上邊界為珠江三角洲東四口門(虎門水道、洪奇瀝、蕉門水道及橫門水道的入?？?，下邊界為內(nèi)伶仃島附近海域。采用非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)格，東四口門河道網(wǎng)格分辨率為300～500 m、大鏟灣及其入灣河流為30～50 m、外海開(kāi)邊界附近為2 km。模型中東四口門以及伶仃洋海域的地形數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家海事局2017年版海圖，地形高程基面為珠江基面。模型網(wǎng)格及地形插值結(jié)果見(jiàn)圖1。

伶仃洋上邊界輸入采用東四口門測(cè)站的實(shí)測(cè)潮位，下邊界由外海內(nèi)伶仃站潮位外推得到[14]。大鏟灣陸域5條入灣河流流量采用當(dāng)?shù)胤篮槌币?guī)劃設(shè)計(jì)值。海底糙率作為重要參數(shù)分區(qū)給定，模型的糙率取值范圍為0.014～0.031，渦黏系數(shù)取0.28。

表1 水動(dòng)力模型率定驗(yàn)證期評(píng)價(jià)系數(shù)Table 1 Assessment coefficients of hydrodynamic model in calibration and verification periods

以2011年5月4日10:00至5月5日14:00作為模型率定驗(yàn)證期，率定和驗(yàn)證采用相同時(shí)段不同站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[15]。率定和驗(yàn)證測(cè)站分布如圖1，其中仙屋角(H1)和萬(wàn)頃沙(H2)為潮位率定站，舢板洲(H3)、正強(qiáng)碼頭(H4)、大鏟港(H5)和赤灣(H6)為潮位驗(yàn)證站，S1～S3和S4～S9分別為臨時(shí)潮流流速流向的率定站和驗(yàn)證站。模型驗(yàn)證采用Willmott提出的模型精度評(píng)價(jià)系數(shù)[16]：

(5)

通常認(rèn)為評(píng)價(jià)系數(shù)δ大于0.85時(shí)模型可信度極高，處于0.65～0.85時(shí)模型可信度很高，處于0.50～0.65時(shí)模型可信度高，低于0.50時(shí)模型可信度一般[17-18]。如表1所示，潮位率定和驗(yàn)證期的δ均在0.95及以上，流速率定和驗(yàn)證期的δ為0.74～0.94，流向率定和驗(yàn)證期的δ為0.62～0.90?？傮w上看，建立的水動(dòng)力模型模擬可信度很高，能夠較好地模擬伶仃洋海域及大鏟灣的潮流運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

2.3 工況設(shè)置及水文水環(huán)境邊界條件

基于海灣及碼頭突堤特點(diǎn)，大鏟灣海域分為灣尖、灣中和灣口3個(gè)區(qū)域，如圖2所示。當(dāng)?shù)匾?guī)劃擬在突堤碼頭根部開(kāi)槽，以改善大鏟灣的水環(huán)境狀況。本次研究擬設(shè)置開(kāi)槽深度為2.5 m、開(kāi)槽寬度W分別為0 m、10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m、80 m、100 m、150 m、200 m和300 m，共12種工況，分析開(kāi)槽寬度對(duì)大鏟灣潮流場(chǎng)、水體換水周期及污染物濃度分布的影響。

圖2 大鏟灣區(qū)域劃分及開(kāi)槽位置Fig.2 Division of Dachan Bay and slot location

模擬時(shí)段選取2011年5月1日至5月16日，符合一個(gè)大小潮周期，其平均高潮位和小潮差對(duì)于大鏟灣水體交換屬不利的弱潮動(dòng)力現(xiàn)象，比較具有代表性。陸域入灣河流選用平水期(水文頻率P=50%)水文條件，即西鄉(xiāng)河、新圳河、雙界河、桂廟渠和鏟灣渠河口入海的設(shè)計(jì)流量分別為1.54 m3/s、1.35 m3/s、0.54 m3/s、1.39 m3/s和0.73 m3/s。主要污染物選取化學(xué)需氧量CODMn[19-21]，入灣河流的CODMn排放質(zhì)量濃度按地表水Ⅴ類設(shè)定，即15 mg/L。根據(jù)前人的研究成果[22]和大鏟灣水質(zhì)月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，伶仃洋和大鏟灣的CODMn初始質(zhì)量濃度分別為1.85 mg/L和2.66 mg/L。水質(zhì)模擬時(shí)，海域污染物水平擴(kuò)散系數(shù)為1 m2/s[23]，CODMn衰減系數(shù)取0.07 d-1[24]。大鏟灣水體的換水周期采用基于濃度變化的指數(shù)衰減函數(shù)來(lái)表征[25-26]，即灣內(nèi)示蹤劑濃度降至初始濃度的1/e時(shí)所需要的時(shí)間。

表2 大鏟灣潮流流速隨開(kāi)槽寬度的變化Table 2 Changes of tidal velocity with slotting width in Dachan Bay

3 結(jié)果與討論

3.1 潮流場(chǎng)變化

大鏟灣突堤碼頭開(kāi)槽前后灣區(qū)潮流場(chǎng)的流向分布如圖3所示，圖中開(kāi)槽寬度為150 m。整體上，開(kāi)槽前后灣區(qū)內(nèi)外潮流場(chǎng)的流向分布變化不大。漲潮時(shí)段，大鏟灣外部區(qū)域水體的整體流向?yàn)闁|南至西北，灣口至灣尖流向由西南至東北轉(zhuǎn)為東南至西北；落潮時(shí)段，灣區(qū)外部潮流流向?yàn)槲鞅敝翓|南，灣尖至灣口的潮流流向由西北至東南轉(zhuǎn)為東北至西南。大鏟灣碼頭根部未開(kāi)槽時(shí)，灣尖水體在漲潮過(guò)程中主要受潮汐推力的作用涌向西鄉(xiāng)河河口方向；開(kāi)槽之后，灣尖的潮汐通道增加，一部分繼續(xù)涌入西鄉(xiāng)河口，另一部分經(jīng)由槽通道匯入大鏟灣外部海域；落潮過(guò)程中，灣尖西側(cè)海域水體則由槽通道進(jìn)入大鏟灣內(nèi)部，加速灣尖水體向?yàn)晨诜较虻牧鲃?dòng)。

不同開(kāi)槽工況下的大潮漲落潮時(shí)段平均流速統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。大鏟灣內(nèi)部水體的漲落潮流速隨開(kāi)槽寬度增加而增加。開(kāi)槽寬度增至300 m時(shí)，灣尖、灣中和灣口的漲潮時(shí)段平均流速增幅分別為124.9%、13.8%和7.0%，落潮時(shí)段平均流速增幅分別為251.1%、22.5%和8.8%。碼頭根部開(kāi)槽后，灣尖和灣中落潮時(shí)段的潮動(dòng)力提升顯著強(qiáng)于漲潮時(shí)段。

3.2 換水周期變化

不同開(kāi)槽工況下大鏟灣換水周期空間分布如圖4所示，各分區(qū)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖5。在未開(kāi)槽情況下，大鏟灣換水周期的空間異質(zhì)性較強(qiáng)，各入灣河流的河口和大鏟灣灣口處的換水周期較短，換水周期從灣口至灣尖逆時(shí)針?lè)较虺侍荻仍黾?。灣尖的換水周期較長(zhǎng)，其變化范圍為4.56～5.73 d，平均換水周期4.90 d；其次為灣中，換水周期變化范圍為0.58～4.56 d，平均換水周期2.09 d；灣口的換水周期較短，變化范圍為0.25～1.64 d，平均換水周期0.92 d。主要原因是河口處的水體在上游徑流的作用下，向?yàn)硟?nèi)流動(dòng)的速度得到基本保證，促使該區(qū)域的換水能力相對(duì)較強(qiáng)；灣口水體受潮流運(yùn)動(dòng)作用，與外海的交換能力較強(qiáng)；隨著離灣口距離的增加，灣中的交換能力逐漸減弱；對(duì)于灣尖水體，一方面受西鄉(xiāng)河的徑流作用向?yàn)晨诹鲃?dòng)，另一方面在漲潮階段同時(shí)受到潮流的頂托形成往復(fù)流動(dòng)，致使該區(qū)域的水體交換能力較差。

圖4 大鏟灣換水周期隨開(kāi)槽寬度的變化Fig.4 Changes of water e-folding time with slotting width in Dachan Bay

圖5 大鏟灣各分區(qū)平均換水周期隨開(kāi)槽寬度的變化Fig.5 Changes of average water e-folding time with slotting width in each sub-region of Dachan Bay

若在碼頭根部開(kāi)槽，大鏟灣換水周期的空間異質(zhì)性隨開(kāi)槽寬度的增加被進(jìn)一步削弱，尤其是灣尖區(qū)域的換水周期明顯縮短。開(kāi)槽寬度增加至100 m和300 m 時(shí)，灣尖的平均換水周期分別縮短至3.02 d和 2.34 d，與未開(kāi)槽時(shí)相比減少了39.4%和52.2%。

3.3 污染帶變化

不同開(kāi)槽工況下大鏟灣各區(qū)域CODMn質(zhì)量濃度和CODMn平均質(zhì)量濃度變化如圖6和圖7所示。未開(kāi)槽時(shí)，受到入灣河流輸運(yùn)的陸源污染影響，CODMn污染帶(ρ(CODMn)>4 mg/L)主要分布在灣尖和灣中河口沿岸地區(qū)。由于灣尖距離灣口的潮汐通道較遠(yuǎn)并且呈垂向交叉關(guān)系，致使該區(qū)域成為潮動(dòng)力最小的盲腸段，CODMn平均質(zhì)量濃度為9.45 mg/L，超標(biāo)情況較為突出。灣中的超標(biāo)水體受潮汐運(yùn)動(dòng)路徑的影響，沿大鏟灣岸線呈條帶狀分布，其中，距離灣口位置最遠(yuǎn)的新圳河河口附近超標(biāo)水體呈現(xiàn)大面積聚集。開(kāi)槽后，灣尖碼頭側(cè)水體在潮流運(yùn)動(dòng)和西鄉(xiāng)河徑流的共同作用下，其CODMn質(zhì)量濃度值明顯低于灣尖內(nèi)陸側(cè)，污染帶被壓縮在河口及內(nèi)陸側(cè)沿岸地區(qū)。主要原因是槽通道垂直于灣尖內(nèi)陸側(cè)，落潮時(shí)外海水體由槽通道進(jìn)入灣尖，推動(dòng)污染帶向內(nèi)陸側(cè)壓縮。另外，開(kāi)槽對(duì)灣中河口沿岸地區(qū)的污染帶分布影響較小。

大鏟灣分區(qū)污染帶面積占比變化見(jiàn)圖8。未開(kāi)槽時(shí)，灣尖、灣中污染帶占比分別為100%、28.4%。開(kāi)槽后，隨著開(kāi)槽寬度增加，灣尖污染帶面積占比表現(xiàn)為先快速下降后趨近平緩的特點(diǎn)，灣中污染帶面積占比的變化范圍則相對(duì)較小。灣尖的污染帶面積占比在開(kāi)槽寬度60 m時(shí)下降到22.0%，開(kāi)槽100 m時(shí)下降到13.1%，之后隨著開(kāi)槽寬度增加，污染帶范圍變化較小。灣中區(qū)域的污染帶面積占比，在開(kāi)槽寬度10 m時(shí)即下降到16.5%，之后輕微減少。上述結(jié)果表明，碼頭根部開(kāi)槽能夠有效減少灣尖和灣中的污染范圍。結(jié)合污染帶總體削減趨勢(shì)可知，若開(kāi)槽寬度過(guò)小則難以實(shí)現(xiàn)污染狀況的改善，當(dāng)開(kāi)槽寬度增加到一定數(shù)值時(shí)，污染狀況進(jìn)一步改善的效果甚微，因此，較為合理的開(kāi)槽寬度為60～100 m。

圖6 大鏟灣CODMn質(zhì)量濃度隨開(kāi)槽寬度的變化Fig.6 Changes of CODMn mass concentration with slotting width in Dachan Bay

圖7 大鏟灣各分區(qū)平均CODMn質(zhì)量濃度隨開(kāi)槽寬度的變化Fig.7 Changes of average CODMn mass concentration with slotting width in each sub-region of Dachan Bay

圖8 大鏟灣污染帶面積占比隨開(kāi)槽寬度的變化Fig.8 Changes of proportion of pollution zone area with slotting width in Dachan Bay

4 結(jié) 論

a.由于突堤碼頭的建設(shè)，大鏟灣灣尖區(qū)域相對(duì)封閉，水體運(yùn)動(dòng)緩慢。碼頭根部開(kāi)槽后潮汐通道增加，灣內(nèi)水體在漲潮時(shí)經(jīng)由槽通道流出，落潮時(shí)外海水體流入灣區(qū)內(nèi)。隨著開(kāi)槽寬度的增加，灣區(qū)水體漲落潮流速均整體增加，且開(kāi)槽寬度的增加對(duì)改善灣尖區(qū)域潮動(dòng)力效果最為明顯。

b.未開(kāi)槽時(shí)大鏟灣換水周期呈現(xiàn)較強(qiáng)的空間異質(zhì)性，從灣口至灣尖逆時(shí)針?lè)较虺侍荻仍黾?；隨開(kāi)槽寬度的增加，換水周期的空間異質(zhì)性被削弱，灣尖區(qū)域的換水周期明顯縮短。

c.未開(kāi)槽時(shí)大鏟灣污染帶分布在入海河口沿岸海域及整個(gè)灣尖區(qū)域。開(kāi)槽后灣尖區(qū)域污染帶范圍明顯收縮，主要分布在灣尖內(nèi)陸側(cè)。灣尖污染帶面積占比隨著開(kāi)槽寬度的增加表現(xiàn)為先快速下降后趨近平緩，灣中污染帶面積占比的變化范圍則相對(duì)較小。

d.未開(kāi)槽情況下，大鏟灣灣尖區(qū)域水污染問(wèn)題較為突出。突堤根部開(kāi)槽后，由于潮動(dòng)力增強(qiáng)和換水周期縮短，灣尖區(qū)域水環(huán)境得到了明顯改善，綜合考慮水環(huán)境改善效果和工程經(jīng)濟(jì)性，認(rèn)為較為合理的開(kāi)槽寬度為60～100 m。