李曉霜,崔海濤,杜小弢

(1.濟寧市水文中心,山東 濟寧272113;2.上海市水利工程設(shè)計研究院有限公司,上海200061)

河口海岸地區(qū)往往是人口聚居的區(qū)域,其城市化發(fā)展相對較快。隨著人們物質(zhì)生活水平的提升,親近自然、親近海洋成為了更高的社會需求。但在一些河口海岸地區(qū),由于河流攜帶大量泥沙入海導(dǎo)致河口附近海岸水體渾濁,加上人口聚集產(chǎn)生的生活污水和部分工農(nóng)業(yè)排放的流水,導(dǎo)致這些地區(qū)的海水水質(zhì)無法滿足親水需求。在國家相關(guān)政策的指引下,我國沿海城市紛紛制定具體措施,將保護海岸帶和開發(fā)海洋經(jīng)濟作為主要戰(zhàn)略之一,力爭盡快合理開發(fā)海岸帶,做到還海于民。對于一些河流入海口區(qū)域的城市,為了改善河口濱海環(huán)境,利用沿海區(qū)位條件,采用人工填沙、水質(zhì)凈化等人工手段改善濱海環(huán)境,設(shè)立人工海岸線生態(tài)化修復(fù)項目,形成城市人工沙灘,美化城市濱海景觀。

在國外,人工沙灘的建設(shè)通常主要在具備良好海水水質(zhì)的海岸附近進行,內(nèi)容主要包括沙灘修復(fù)或者建設(shè)人工海島沙灘等,比如迪拜的棕櫚島。國外幾乎沒有在含沙量很高的河口海岸地帶建設(shè)人工沙灘的案例。在我國,部分河口城市通過建設(shè)人工沙灘的方式來滿足人們觀賞碧海和海邊戲水的需求已取得良好的社會效益,如上海的金山城市沙灘[1-3]和奉賢的碧海金沙,均采用圈圍方式在含沙水體區(qū)域圍筑一片水域,通過一定的海水凈化措施和人造沙灘的方式為市民創(chuàng)造出適合活動的濱?；顒訁^(qū)域。在水質(zhì)凈化方面,金山城市沙灘采用生物投放為主的措施來創(chuàng)造可凈化水質(zhì)的生態(tài)環(huán)境,構(gòu)筑了魚、蝦、蟹、貝和藻互補共生的水生態(tài)系統(tǒng),降低了水體氮(N)、磷(P)營養(yǎng)元素的濃度,提高了水生動物對浮游植物的攝食比率,有效地控制了該水域富營養(yǎng)化問題[4-5];奉賢的碧海金沙則以泥沙沉淀、除菌、治污等措施為主,將處理過的海水引入濱海泳場的方式來凈化水質(zhì)。兩種方式均在實現(xiàn)良好的生態(tài)效果的同時還取得了良好的社會和經(jīng)濟效益。

水體中氮、磷的生物消耗去除主要依靠植物和貝殼類動物。植物通過根系吸收水體中的含氮、磷物質(zhì),將其作為自身生長的養(yǎng)分,而貝殼類動物則通過濾水過程吸附水中的碎屑,從而將附著在碎屑上的氮、磷物質(zhì),將其留在自身體內(nèi)。國內(nèi)學(xué)者對靜水中植物去除氮、磷的效率進行了一定的研究,如孫譞等[6]研究了12種挺水植物對模擬污水的凈化作用。結(jié)果表明,多數(shù)水生植物15 d除氮率超過85%,除磷率超過60%;多數(shù)水生植物30 d的總氮去除率均達到99%以上,對總磷的去除率達到90%以上;此外,植物的除氮和除磷效率與初始的水體氮、磷含量有關(guān),水體的營養(yǎng)程度越高,植物生長越快,對除氮除磷的效率也越高。彭婉婷等[7]研究了多種濕地植物組合對污水中氮和磷的去除效果,其中涉及的植物種類包括澤瀉、黃菖蒲、千屈菜等20余種。研究表明,多種植物組合也能取得較高的除磷除氮效率,植物對污染水體的凈化速度在先期較快,試驗進行6 d后,多數(shù)組合的總氮去除率均超過80%,30 d后所有組合的植物對水體的總氮去除率都在90%左右。

對于在河流入?？诟浇嗌澈枯^高、海水水質(zhì)較差的河口海岸地區(qū)建設(shè)人工沙灘,通常需要論證海水是否具備凈化的可能性以及海水凈化的周期是否滿足使用要求等技術(shù)問題。本文以我國東部沿海某河口城市擬建的人工沙灘工程為例,提出一種采用沉淀池清除泥沙,利用生物凈化方式在游樂區(qū)內(nèi)提升海水水質(zhì)的凈化模式,并通過現(xiàn)場觀測和數(shù)值模擬手段對水體的凈化效果進行分析研究,以期為河口地區(qū)建設(shè)人工沙灘水體凈化工程提供參考和依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程區(qū)自然條件

工程區(qū)位于東部沿海某河口南側(cè)濱海海岸,區(qū)域多年平均氣溫17.9℃,受季風氣候影響,風向和風速季節(jié)性變化較為明顯,夏季盛行偏東風,冬季盛行西北風,全年最多風向為SE,頻率23%,其次為NW風,頻率為22%,年平均風速為2.2 m/s。工程區(qū)水體含沙量較大,大、中潮時期水體含沙量大于1.00 kg/L的出現(xiàn)頻率高達75.81%和58.16%。工程區(qū)附近底質(zhì)泥沙主要以粉砂和黏土組成,并含少量的砂。

工程區(qū)域海水水質(zhì)較差,根據(jù)附近海域水質(zhì)調(diào)查,總體水質(zhì)為四類至劣四類,主要污染物為無機氮和活性磷酸鹽,受周邊過往船只排污和養(yǎng)殖活動等因素影響,油類、高錳酸鹽、p H和糞大腸菌群個別時段存在局部區(qū)域超標的現(xiàn)象。

1.2 工程平面布置和調(diào)度方式

圖1 為本文所研究的人工沙灘工程的平面布置示意圖,研究區(qū)涉水部分主要包括沉淀池、引排水閘、戲水區(qū)等構(gòu)筑物,其中,戲水區(qū)面積約1.3 km2,沉淀池面積約0.4 km2。工程引調(diào)水過程見圖2。

圖1 工程布置Fig.1 A sketch map of the layout of the project

圖2 工程區(qū)引調(diào)水流程Fig.2 Flow diagram of water diversion in the engineering area

2 數(shù)值模擬基本方程和設(shè)置

2.1 模型方程

采用丹麥水利研究所(Danish Hydraulic Institute,DHI)開發(fā)的MIKE21軟件建立數(shù)學(xué)模型,其控制方程包括1個連續(xù)性方程和2個動量方程[8]。

1)連續(xù)方程:

2)動量方程:

式中:t為時間;x,y為直角坐標系坐標;η為水位;d為靜止水深;h為動態(tài)水深,h=η+d;u-,v-分別為x和y方向上的垂線平均速度;f為科氏力參數(shù),f=2Ωsinφ,其中Ω為地球旋轉(zhuǎn)角速度,φ為緯度;g為重力加速度;ρ為水體密度;ρ0為水體參照密度;P a為壓強;s xx,s xy,s yx和s yy為輻射應(yīng)力分量;τxx,τxy和τyy為剪切應(yīng)力分量;S為點源的流量;u s,v s分別為水質(zhì)點速度在x和y方向上的分量;T xx,T x y和T yy分別為側(cè) 向壓力,其中A為水平紊動系數(shù);τsx和τsy分別為水表面風應(yīng)力的x和y方向分量;τbx和τbx分別為底部切應(yīng)力的x和y分量。

由于沿海地區(qū)開闊水域水體運動受海面風影響較大,因此研究中水動力計算考慮風的影響,風應(yīng)力(即液面剪切應(yīng)力),計算公式如下:

式中:ρa為空氣密度,cd為空氣拖曳系數(shù)為水面上方10 m高的風速為液面剪切應(yīng)力。

2.2 模型基本設(shè)置

數(shù)學(xué)模型的參數(shù)和邊界等相關(guān)設(shè)置如下。

2.2.1 糙率系數(shù)

由于戲水區(qū)底部為沙質(zhì)或淤泥質(zhì)邊界,因此模型中需設(shè)置底部糙率。戲水區(qū)底高程為-3～0 m,日常運行水位約2.5 m,糙率系數(shù)取值為0.01～0.03。

2.2.2 渦黏系數(shù)

水是黏性流體,因此計算時需要考慮水體黏性,通常引入一個黏性系數(shù),本研究根據(jù)Smagorinsky公式[9]確定Smagorinsky渦黏系數(shù)(E)。

式中:U,V為x,y方向垂線平均流速;Δ為網(wǎng)格間距;Cs為計算參數(shù),一般選0.25＜Cs＜1.0;E為渦黏系數(shù)。

2.2.3 動邊界處理

為保證模型計算的連續(xù)性,采用“干濕判別”來確定計算區(qū)域由于水位變化產(chǎn)生的動邊界。當計算區(qū)域水深小于0.005 m時,該計算區(qū)域記為“干”,不參加計算;當水深大于0.1 m時,該計算區(qū)域記為“濕”,重新參加計算。

2.2.4 調(diào)度計算方式

對引入海水和庫內(nèi)海水分別進行不同標記,并對標記過的2種海水進行混合模擬計算,從而獲得戲水區(qū)內(nèi)水體的混合情況以及不同區(qū)域水體的換水率。

換水時,戲水區(qū)水位先降至2.1 m,再通過沉淀池進水,至2.5 m,總歷時24 h。根據(jù)每次換水量,設(shè)定戲水區(qū)引水和排水流量均為7 m3/s。

2.2.5 風

根據(jù)工程區(qū)域常年的風速和風向統(tǒng)計結(jié)果,選擇輸入風速、風向值,風速取2.2 m/s,風向為ESE向。

2.2.6 水質(zhì)計算參數(shù)

水質(zhì)計算時通過引入一個衰減系數(shù)來表征水體水質(zhì)指標的變化,因此本研究以水體中的氮含量為研究對象進行計算,水質(zhì)計算基于以下幾個假定:

1)假定衰減系數(shù)在一定程度上可以代表水中生物除氮能力,且除氮效果穩(wěn)定持續(xù);

2)假定戲水區(qū)空間范圍衰減因子是固定不變的;

3)假定進入戲水區(qū)水體為第四類海水,氮含量(PN)為0.5 mg/L,初始時刻戲水區(qū)內(nèi)為第二類海水,氮含量為0.3 mg/L;

4)按照30 d除氮率100%的理想狀態(tài),計算得到衰減系數(shù)為3.86×10-7≈4×10-7。

2.3 模型計算流程

利用數(shù)學(xué)模型計算了多次水體置換過程以及水體凈化過程中的水質(zhì)分布,數(shù)學(xué)模型計算流程如圖3所示。通過多次水體置換計算獲得置換水體在戲水區(qū)內(nèi)的分布,研究戲水區(qū)是否存在死水,從而通過水質(zhì)分布計算研究水體水質(zhì)是否達到戲水區(qū)的水質(zhì)要求。

圖3 數(shù)學(xué)模型計算流程Fig.3 Flow diagram of the model computation

3 結(jié)果與分析

3.1 水體置換計算

由第1～6次換水后的水體置換率(Water Exchang Rate,WER)分布(圖4)可見,受東南偏東風影響,戲水區(qū)中形成多個環(huán)流,導(dǎo)致進入戲水區(qū)的水體沿整個區(qū)域范圍的邊界移動,北側(cè)沉淀區(qū)閘門附近置換率相對較高。整體來看,戲水區(qū)中沿沙灘和堤線區(qū)域的水體先被置換,南部中心區(qū)域水體置換相對滯后。通過計算,30 d后戲水區(qū)整體的置換率約為60%,局部置換率最低不低于50%,可以確保整個區(qū)域的水體不存在死水。

圖4 戲水區(qū)不同換水次數(shù)后水體置換率分布Fig.4 Distribution of the water exchange rate after different times of water change in the playing waters of the beach

3.2 水體凈化計算

水體凈化計算條件與有風情況下的邊界條件相同。第6次換水后每隔6 h的氮含量分布見圖5,對第6次換水前后的水質(zhì)分布進行比對分析。結(jié)果表明,整體換水周期約30 d,第6次換水前戲水區(qū)的水質(zhì)能達到二類海水標準,南側(cè)的大部分區(qū)域都能達到一類海水標準,主要原因是南側(cè)區(qū)域換水速度相對較慢,有利于生物吸收凈化這些區(qū)域的氮磷物質(zhì)。換水6 h后,由于沉淀池海水水質(zhì)氮磷指標為四類海水標準,因此,沿沉淀池邊界水質(zhì)為四類海水標準,由于海水混合影響,三類海水擴散至戲水區(qū)中央,但是沒有擴散至近沙灘區(qū)域,原因在于風吹條件下近沙灘區(qū)域水流流速相對較大,海水混合相對更充分,利于氮濃度的降低;12 h后,第三類和第四類標準的海水面積均有所減小;18 h后所有區(qū)域海水標準都優(yōu)于第四類海水標準;30 h后近第三類標準的海水只集中在沉淀池附近,并且范圍縮小到0.028 km2;48 h后,第三類標準的海水面積逐漸縮小,戲水區(qū)大部分水域水質(zhì)優(yōu)于第二類海水標準,南側(cè)優(yōu)于第一類海水標準。

圖5 戲水區(qū)第6次換水后水體不同時刻氮含量分布Fig.5 Distribution of nitrogen content in water body at different time after the 6th water change in the playing waters

4 結(jié) 語

本文以我國東部某沿海城市人工沙灘工程為例,探究人工沙灘水體水質(zhì)凈化問題。開展了該工程戲水區(qū)內(nèi)水體水質(zhì)凈化的數(shù)值模擬研究,以30 d作為整體換水周期,根據(jù)戲水區(qū)和沉淀池庫容比進行換水計算,由于水體的混合,經(jīng)過理論上換水次數(shù)后,戲水區(qū)整體置換率達60%左右,從平面分布看整個區(qū)域不存在死水區(qū)。水質(zhì)凈化模擬結(jié)果表明,經(jīng)過一段時間后,戲水區(qū)南側(cè)區(qū)域水質(zhì)達到較高海水標準,其他區(qū)域多數(shù)符合工程需求;換水初期約15 h,進水口附近局部區(qū)域水質(zhì)變差,受風生流混合以及生物凈化作用,48 h后大部分區(qū)域水質(zhì)恢復(fù)工程需求;引調(diào)水和換水過程中,水質(zhì)較差的海水沒有影響游客較多的沙灘區(qū)域。本研究對含沙量較高的河口海岸地區(qū)人工沙灘建設(shè)以及其水質(zhì)凈化具有借鑒意義。