吳 瓊，李木桂，羅 歡

(1.珠江水利科學(xué)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(kāi)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(mén)寬度與岸線(xiàn)長(zhǎng)度之比在0.01～0.10的港灣[1]，此類(lèi)港灣僅通過(guò)口門(mén)與外海進(jìn)行交換，且口門(mén)一般較窄，港灣自?xún)裟芰^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(dǎo)致灣內(nèi)水環(huán)境質(zhì)量下降，嚴(yán)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(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)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(duì)湛江灣的海岸工程可能引起的水動(dòng)力環(huán)境變化進(jìn)行了預(yù)測(cè)；魏皓等[9]以渤海為例，采用水質(zhì)模型對(duì)水體半交換時(shí)間進(jìn)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(jìn)行大規(guī)模圍填海對(duì)海灣水動(dòng)力環(huán)境的影響；李雨[11]以漢班托塔港為例，對(duì)擬建工程項(xiàng)目完工后的人工島內(nèi)側(cè)水域的水體交換率進(jìn)行分析研究，探討通過(guò)開(kāi)挖明渠連接港池加強(qiáng)水體交換率，并對(duì)不同寬度、深度的明渠加強(qiáng)水體交換率做了對(duì)比；王金華等[12]對(duì)連云港港旗臺(tái)作業(yè)區(qū)及防波堤工程前后水體交換能力進(jìn)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(duì)水體交換條件的影響，尚未見(jiàn)防波堤型式對(duì)灣內(nèi)水動(dòng)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(duì)象，采用二維水動(dòng)力水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，探索防波堤不同型式對(duì)灣內(nèi)水動(dòng)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(kuò)散規(guī)律的差異，為防波堤建設(shè)和港口水環(huán)境保護(hù)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(guó)家農(nóng)業(yè)部公布的全國(guó)重點(diǎn)群眾漁港，港內(nèi)水域面積85.87萬(wàn)m2，可同時(shí)停泊漁船800多艘，年進(jìn)出港船達(dá)4萬(wàn)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(hù)，形成一個(gè)避風(fēng)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(zhǎng)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(yùn)碼頭、珠海市歌劇院、修船廠(chǎng)、防波堤、得月舫酒樓、臨時(shí)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(gè)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(bào)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(xué)海洋資源與環(huán)境監(jiān)測(cè)中心2018年4月20日的水質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行海水水質(zhì)現(xiàn)狀分析。3次監(jiān)測(cè)的具體站位見(jiàn)圖3。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，香洲灣水域主要污染物為無(wú)機(jī)氮，平均含量處于《海洋水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》劣四類(lèi)水平；活性磷酸鹽平均含量約0.045 mg/L，基本達(dá)到海水第四類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，其他指標(biāo)滿(mǎn)足第四類(lèi)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)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(diǎn)位)的無(wú)機(jī)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(diǎn)位無(wú)機(jī)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(jìn)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(cè)點(diǎn)

2 數(shù)學(xué)模型及計(jì)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(xué)模型和工程局部二維潮流、水質(zhì)耦合數(shù)學(xué)模型進(jìn)行方案計(jì)算。研究范圍上邊界取自三角洲東四口門(mén)及磨刀門(mén)出口控制水文站，即取自虎門(mén)大虎站、蕉門(mén)南沙站、洪奇門(mén)馮馬廟站、橫門(mén)口橫門(mén)站、及磨刀門(mén)燈籠山站；下邊界取至外海30 m等深線(xiàn)；西邊界至磨刀門(mén)三灶珠海機(jī)場(chǎng)；東邊界至香港水域。大范圍二維潮流數(shù)學(xué)模型區(qū)域?qū)捈s112 km，長(zhǎng)約125 km，模擬水域面積約7 000 km2，共布網(wǎng)格844個(gè)×950個(gè)，工程附近水域網(wǎng)格進(jìn)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(xiàn)網(wǎng)格，模型研究范圍、網(wǎng)格布置見(jiàn)圖4。工程局部地區(qū)岸線(xiàn)曲折、邊界復(fù)雜，為了便于對(duì)島嶼、不規(guī)則海岸線(xiàn)、防波堤進(jìn)行精確概化，局部二維模型選用三角形網(wǎng)格對(duì)計(jì)算水域進(jìn)行剖分，局部模型網(wǎng)格布置見(jiàn)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(xué)模型

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

連續(xù)方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中θc對(duì)應(yīng)離散單元的面通度，為網(wǎng)格中能夠被流體通過(guò)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(gè)網(wǎng)格面積之比，定義在網(wǎng)格中心。θζ、θη分別為對(duì)應(yīng)于離散單元的ζ、η方向線(xiàn)通度，為該方向上能夠被流體通過(guò)的網(wǎng)格長(zhǎng)度與該網(wǎng)格總長(zhǎng)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(bǔ)為空氣密度，wx為風(fēng)速x向分量，Cw為風(fēng)對(duì)水面剪切系數(shù)，σζζ、σηη、σζη、σηζ為應(yīng)力項(xiàng)，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(dá)式如下：

(6)

(7)

(8)

其中，vt為紊動(dòng)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(biāo)下曲線(xiàn)正交網(wǎng)格的交替差分法。通過(guò)坐標(biāo)變換將計(jì)算區(qū)域變換成新坐標(biāo)系下的規(guī)則區(qū)域，借助ADI法求解水流運(yùn)動(dòng)基本方程。

2.2.2局部二維數(shù)學(xué)模型

垂向平均的二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型控制方程包括1個(gè)連續(xù)性方程和2個(gè)動(dòng)量方程，基本方程為：

(9)

(10)

(11)

海灣水交換問(wèn)題的本質(zhì)是灣內(nèi)水體在流場(chǎng)中的對(duì)流-擴(kuò)散問(wèn)題。因此對(duì)流-擴(kuò)散型的數(shù)值模型在物理上與海灣水交換問(wèn)題更加一致。

(12)

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

(13)

式中Dh——水平擴(kuò)散系數(shù)。

沿水深方向進(jìn)行積分整理，得到沿水深平均的二維對(duì)流擴(kuò)散方程：

(14)

hFC包含湍動(dòng)擴(kuò)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(jì)算方法為有限體積法，即將計(jì)算域劃分成若干非規(guī)則形狀的單元或控制體。在計(jì)算出通過(guò)每個(gè)控制體邊界法向輸入輸出的流量和動(dòng)量通量后，對(duì)每個(gè)控制體分別進(jìn)行水量和動(dòng)量平衡計(jì)算，便得到計(jì)算時(shí)段末各控制體的平均水深和流速。

2.3 計(jì)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(duì)流-擴(kuò)散型的海灣水交換數(shù)值模型。通過(guò)示蹤劑濃度的時(shí)空分布來(lái)反應(yīng)灣內(nèi)、外水體的交換情況，計(jì)算原理為：給定灣內(nèi)示蹤劑的初始濃度假定為C0，某一時(shí)刻變成了C1，此時(shí)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(méi)有被置換的水體比率為L(zhǎng)=1-R=C1/C0，其假設(shè)條件是數(shù)學(xué)模型中這種物質(zhì)在開(kāi)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(jì)算采用溶解性保守物質(zhì)的對(duì)流擴(kuò)散模型，主要是通過(guò)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(gè)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(jì)算工況包括全封閉式防波堤以及不同開(kāi)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(kuò)散

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，所在海域的主要超標(biāo)因子為無(wú)機(jī)氮，鳳凰河為香洲灣內(nèi)水體的主要污染來(lái)源。因此選取無(wú)機(jī)氮作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，海域的初始濃度取實(shí)際監(jiān)測(cè)濃度。鳳凰河主要承接香洲水質(zhì)凈化廠(chǎng)尾水，香洲水質(zhì)凈化廠(chǎng)現(xiàn)有處理規(guī)模為8萬(wàn)m3/d，根據(jù)《香洲水質(zhì)凈化廠(chǎng)三期工程環(huán)境影響評(píng)價(jià)報(bào)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(chǎng)三期工程PPP項(xiàng)目可行性研究報(bào)告》[15]，香洲水質(zhì)凈化廠(chǎng)三期工程排放的尾水量與一、二期工程的尾水量合計(jì)13.0萬(wàn)m3/d(4 745萬(wàn)m3/a)，其設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)各項(xiàng)污染因子濃度及排放量見(jiàn)表1。排污方式考慮連續(xù)恒定排放，設(shè)計(jì)排水量為1.5 m3/s，總氮(無(wú)機(jī)氮)濃度為15 mg/L。

表1 香洲水質(zhì)凈化廠(chǎng)排水情況統(tǒng)計(jì)

2.4 模型率定與驗(yàn)證

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

a)“1998.6”內(nèi)伶仃島潮位驗(yàn)證

e)“2007.8”內(nèi)伶仃島潮位驗(yàn)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(kāi)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(jiàn)圖7—11，不同區(qū)域示蹤劑濃度下降速率差別較大。不同開(kāi)口方案下，港池內(nèi)示蹤劑平均濃度隨時(shí)間變化情況見(jiàn)表2、圖12，港池內(nèi)水體交換周期見(jiàn)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(shí)間變化

圖12 不同開(kāi)口方案下不同時(shí)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(duì)比

工程建設(shè)前，漲潮時(shí)，一股漲潮流經(jīng)野貍島東部由進(jìn)港航道進(jìn)入灣內(nèi)，在野貍島北部填海區(qū)的導(dǎo)流下，形成一逆時(shí)針?lè)较蚶@流；另一股漲潮流經(jīng)野貍島西側(cè)海燕橋進(jìn)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(shí)，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(mén)水域水體沿著野貍島北部填海區(qū)東岸線(xiàn)緊貼野貍島流出灣外。香洲漁港港池與外海通過(guò)南、東2個(gè)口門(mén)相連通，水體與外界交換相對(duì)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(shí)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(shí)間分別為52、90 h，較工程前延長(zhǎng)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(shí)刻分別高出1.07、0.93、0.44 mg/L。

3.2 污染物輸移擴(kuò)散研究

本研究對(duì)工程后防波堤開(kāi)口40 m的方案進(jìn)行了污染物輸移擴(kuò)散模擬，以分析鳳凰河污染源對(duì)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(wú)機(jī)氮，其次為活性磷酸鹽，而COD污染壓力并不明顯，故選取無(wú)機(jī)氮作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。24、48、72、96 h后的無(wú)機(jī)氮濃度分布見(jiàn)圖13。結(jié)果顯示，鳳凰河的污染物排入海域后，會(huì)在防波堤北部區(qū)域大量聚集，導(dǎo)致香洲灣北部水域水環(huán)境惡化，在潮汐動(dòng)力的作用下，污染物隨落潮流進(jìn)入灣內(nèi)，對(duì)灣內(nèi)水環(huán)境造成不利影響，將進(jìn)一步加劇灣內(nèi)的無(wú)機(jī)氮污染壓力。

a)24 h

c)72 h

分別在灣內(nèi)北部(近開(kāi)口處)和灣內(nèi)南部(近新月橋處)設(shè)置采樣點(diǎn)，提取水質(zhì)模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析，對(duì)比工程前及工程后防波堤開(kāi)口40 m方案下的污染物濃度隨時(shí)間變化規(guī)律，見(jiàn)圖14、表4。

a)灣內(nèi)北部

表4 不同時(shí)刻灣內(nèi)不同位置的無(wú)機(jī)氮濃度對(duì)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(dòng)下，鳳凰河的污染物將進(jìn)入灣內(nèi)，影響范圍主要集中在香洲灣北部區(qū)域，導(dǎo)致防波堤開(kāi)口附近水域的無(wú)機(jī)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(dòng)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(duì)比見(jiàn)表4，灣內(nèi)北部區(qū)域無(wú)機(jī)氮濃度較工程前增加0.14～0.52 mg/L，灣內(nèi)南部區(qū)域無(wú)機(jī)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(duì)灣內(nèi)水動(dòng)力環(huán)境有一定程度影響，尤其是防波堤的建設(shè)，會(huì)直接導(dǎo)致灣內(nèi)水體交換能力下降，因此研究防波堤的型式對(duì)防波堤建設(shè)和港口水環(huán)境保護(hù)具有重要意義。本文以香洲港為案例進(jìn)行預(yù)測(cè)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(kāi)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(jiàn)，防波堤設(shè)置一定的開(kāi)口寬度能顯著改善灣內(nèi)水體的水動(dòng)力條件，開(kāi)口40 m以上的方案對(duì)水動(dòng)力改善效果明顯優(yōu)于開(kāi)口20 m的方案，但開(kāi)口40、60、100 m的3個(gè)方案效果區(qū)別并不顯著。考慮污染源輸入的情況下，鳳凰河的污染物排入海域后，會(huì)在防波堤北部區(qū)域大量聚集，導(dǎo)致香洲灣北部水域水環(huán)境惡化，在潮汐動(dòng)力的作用下，污染物隨落潮流進(jìn)入灣內(nèi)，對(duì)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(dǎo)致防波堤開(kāi)口附近水域的無(wú)機(jī)氮濃度增加0.20～0.40 mg/L，將進(jìn)一步加劇灣內(nèi)北部區(qū)域的無(wú)機(jī)氮污染壓力，而灣內(nèi)南部區(qū)域則因?yàn)硟?nèi)整體水動(dòng)力交換能力加強(qiáng)而有所改善。因此，防波堤的設(shè)計(jì)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。