謝慧姣（上海友為工程設(shè)計有限公司，上海200333）

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金山海濱浴場引水水動力及水質(zhì)研究

謝慧姣
（上海友為工程設(shè)計有限公司，上海200333）

金山海濱浴場為封閉式海水浴場，運營期間產(chǎn)生的污染物無法擴散和稀釋。為維持浴場水質(zhì)，需通過水閘進行換排水。本文采用Mike21中的HD和ECO模塊建立浴場的水動力和水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，模擬浴場引水過程，分析在浴場水質(zhì)超標(biāo)后，引水可達到的水質(zhì)改善效果。經(jīng)計算，引水過程浴場內(nèi)流場呈逆時針環(huán)流，當(dāng)邊灘糞大腸桿菌濃度不超過2800個/L時，引水一潮次可達到浴場使用標(biāo)準(zhǔn)；超過2800個/L時，需連續(xù)引水至達標(biāo)后方可開放使用。

海濱浴場；流場；水質(zhì)；糞大腸桿菌；Mike21

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.01.016

1 引言

根據(jù)金山新城總體規(guī)劃，杭州灣沿岸規(guī)劃定位為海濱景觀軸。作為上海休閑旅游的時尚地標(biāo)——金山城市沙灘經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)形成了以沙灘休憩、夏季音樂節(jié)、沙灘排球等文體活動為主的旅游產(chǎn)品。隨著客流量增加，需擴大城市沙灘的規(guī)模，由此在城市沙灘西側(cè)新建一處海濱浴場，同時在浴場西側(cè)建立生態(tài)濕地。

杭州灣由于海水含沙量高、水色混黃，區(qū)別于其他海濱地區(qū)，其沿岸的海水浴場均為封閉式，即由大堤圈圍形成，海水經(jīng)由水閘進入浴場區(qū)域后，經(jīng)自然沉淀，呈現(xiàn)藍色。由此，浴場的水體交換均需通過水閘進行。見圖1。

圖1 海濱浴場示意圖

海水浴場是人群聚集的場所，海水直接與人體接觸，海水水質(zhì)狀況對人體健康有著直接的影響。按照海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（GB3097-1997），海水浴場水質(zhì)應(yīng)達到第二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。由于金山水上活動區(qū)為封閉式海水浴場，受降雨影響和人群活動產(chǎn)生的污染物得不到及時的擴散和稀釋，浴場水質(zhì)將逐漸變差，當(dāng)水質(zhì)低于第二類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)時，浴場將無法使用。因此，需經(jīng)由水閘進行換排水。

2 海水浴場水質(zhì)指標(biāo)

海水浴場水質(zhì)指標(biāo)中主要的影響因子為大腸菌群、糞大腸菌群、BOD5和DO，第二類海水相應(yīng)的指標(biāo)見表1。其中大腸菌群和糞大腸菌群為海水水質(zhì)微生物指標(biāo)菌，BOD5和DO為間接反應(yīng)水中能被微生物分解的有機物總量的一個綜合指標(biāo)。

表1 第二類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

由于夏季氣溫高、雨水多，細菌增長繁殖較快，且當(dāng)日降雨量與水體中糞大腸桿菌含量呈正相關(guān)；夏季為海濱旅游旺季，人流量大，產(chǎn)生的污染物總量大。參考國內(nèi)各浴場統(tǒng)計數(shù)據(jù)：6～9月份，浴場糞大腸菌群數(shù)為全年最高，受控浴場好于不受控浴場；糞大腸菌群數(shù)沙灘＞近岸點＞高密度游泳區(qū)＞遠離陸地點；浴場糞大腸菌群數(shù)呈逐年增長趨勢。

本文采用Mike21中的水動力模塊（HD）和水質(zhì)模塊（ECO）建立浴場數(shù)學(xué)模型，其中ECO模型中以糞大腸桿菌為代表。采用模型試算出浴場內(nèi)邊灘區(qū)域糞大腸桿菌的一個濃度限值，當(dāng)不大于該限值時，引一潮次水就可將浴場水質(zhì)改善至二類海水標(biāo)準(zhǔn)；超出該限值時，需連續(xù)引水方可使水質(zhì)達標(biāo)。

3 計算模型

3.1 控制方程

（1）水流連續(xù)方程：

式中：x、y為直角坐標(biāo)系坐標(biāo)；t為時間；h為平均水深；ζ為相對于平均海平面的潮位；Ux、Uy為x、y方向上垂線平均速度。

（2）水流運動方程：

式中：ρ為水體密度；g為重力加速度；Ex、Ey分別為x、y方向的水平紊動粘性系數(shù)；f為科氏參數(shù)；τx、τy分別為波流共同作用下床面剪切應(yīng)力在x、y方向的分量；Sxx、Sxy、Syy分別為各方向的波浪輻射應(yīng)力（N/m2），可表示為：

（3）污染物分子在水體中的擴散方程：

式中：C為污染物濃度場；D為紊動擴散系數(shù)。

3.2 計算區(qū)域及網(wǎng)格布置

模型的計算范圍包含濕地景觀區(qū)域和水上休閑區(qū)，兩個區(qū)域通過涵閘相連，計算采用三角形網(wǎng)格，最小網(wǎng)格尺度5m。

3.3 邊界條件及計算參數(shù)

（1）初始條件

浴場換水時采用先排后引模式：浴場常水位3.00m，排水至1.85m后，再引水回3.00m。由此，HD模型計算開始時，浴場中初始水位為引水水位1.85m，初始流速均設(shè)定為0m/s；ECO模型開始計算時，設(shè)定浴場中糞大腸桿菌個數(shù)由沙灘向遠離陸地區(qū)域遞減。

（2）邊界條件

HD模型中開邊界采用閘門流量過程線控制，閉邊界根據(jù)不可入原理，取法向流速為0；ECO模型中閘門外為杭州灣海水糞大腸桿菌數(shù)，取為500個/ L；杭州灣夏季常風(fēng)向為SSE，平均風(fēng)速5.4m/s。

（3）計算參數(shù)

二維模型采用的時間步長為30s。

3.4 率定與驗證

考慮浴場區(qū)域未圈圍前，屬于杭州灣海域，率定與驗證放在長江口杭州灣大范圍模型中，本文HD模型的計算參數(shù)取值與率定驗證過的大范圍模型一致。

4 計算結(jié)果與分析

計算工況為：在外海潮位高于浴場內(nèi)水位期間，由水閘引杭州灣海水，一潮次引水歷時3～4h。經(jīng)試算，當(dāng)浴場內(nèi)邊灘區(qū)域糞大腸桿菌值不大于2800個/L時，引一潮次水體，浴場水質(zhì)就可恢復(fù)至二類水標(biāo)準(zhǔn)。引水開始和結(jié)束時：流速分布見圖2～圖4，糞大腸桿菌分布見圖5～圖7。

從圖2～圖4可知：（1）受引水水流和SSE風(fēng)向影響，浴場內(nèi)流場形成逆時針環(huán)流，環(huán)流邊緣流速大，中心流速小。（2）引水開始時，沿浴場沙灘側(cè)流速較大，約為0.8～1.0m/s。（3）引水結(jié)束時，隨著浴場水位的升高，沿沙灘側(cè)流速降低，約為0.5～0.7m/s。（4）引水結(jié)束后，浴場范圍內(nèi)仍存在約0.1m/s的逆時針風(fēng)生流。

圖2 引水開始流速分布圖

圖4 引水結(jié)束2h后流速分布圖

從圖5～圖7可知：（1）受引水和SSE風(fēng)向影響，引水初期，引入的水體迅速將邊灘糞大腸桿菌濃度較高的的區(qū)域稀釋，并將部分濃度較高的水體推向離岸較遠的深水區(qū)域。（2）隨著引水的進行，清水量增加，大部分水體被稀釋；但受逆時針環(huán)流影響，部分糞大腸桿菌濃度較高的水體集中在浴場中央流速較小位置。（3）引水結(jié)束后，隨著水體紊動，中央糞大腸桿菌濃度較高區(qū)域開始向四周擴散；受風(fēng)生流影響，浴場內(nèi)仍有輕微的環(huán)流，濃度最終由西向東遞減，為800～1800個/L。（4）部分濃度較高的水體由涵閘進入浴場西側(cè)濕地，由于濕地自身具備凈化水質(zhì)功能，改善水質(zhì)后，可在排水期間將較好水質(zhì)回流入浴場。

圖5 引水開始糞大腸桿菌分布圖

圖6 引水結(jié)束糞大腸桿菌分布圖

圖7 引水結(jié)束2h后糞大腸桿菌分布圖

綜上分析：換水期間，由于沙灘前沿流速較大，考慮浴場人員和設(shè)施安全，換排水應(yīng)在夜間或非運營時間段進行；當(dāng)邊灘糞大腸桿菌濃度不大于2800個/L時，一潮次引水基本可以將浴場內(nèi)糞大腸桿菌稀釋至達到二類海水要求；當(dāng)大于2800個/ L時，應(yīng)多次換排水至水質(zhì)達標(biāo)，方可再運營?？紤]到浴場邊灘人群活動密集區(qū)糞大腸桿菌濃度較大，為及時反映浴場水質(zhì)情況，應(yīng)將水質(zhì)監(jiān)測點安置在邊灘位置，超標(biāo)時安排換排水。

5 結(jié)語

本文通過采用水動力和水質(zhì)數(shù)值模擬，對封閉式海濱浴場的換排水過程進行了初步研究。提出了浴場換排水的調(diào)度時間，和通過一潮次換排水即可使水質(zhì)改善至達標(biāo)的污染物濃度限值。研究結(jié)果對浴場的調(diào)度和安全運營具有一定的指導(dǎo)意義。

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謝慧姣（1984年—），女，工程師。