楊裕桂,宣小銘,劉國(guó)珍,佟曉蕾,袁菲

(1.珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院,廣東 廣州 510611;2.水利部珠江河口治理與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510611;3.河海大學(xué),江蘇 南京 210098)

半封閉式港灣是指海灣口門寬度與岸線長(zhǎng)度之比在0.01～0.10的港灣[1],此類港灣僅通過(guò)口門與外海進(jìn)行交換,且口門一般較窄,港灣的自凈能力較弱。香洲漁港規(guī)劃方案為在現(xiàn)有陸域(現(xiàn)狀碼頭和防波堤)基礎(chǔ)上,以樁基為結(jié)構(gòu)形式的透水平臺(tái),將香洲港北堤規(guī)劃建設(shè)為集智能船務(wù)、旅游、商業(yè)服務(wù)為一體的港務(wù)綜合體。

目前,珠海海燕橋周邊景觀工程、珠海香洲漁港改造及改造二期工程已開(kāi)工建設(shè),后續(xù)工程建設(shè)也陸續(xù)提上日程。由于該區(qū)域位于伶仃洋西側(cè)水域,系列工程建設(shè)阻礙區(qū)域的漲落潮流,弱化該區(qū)域及周邊水域的水動(dòng)力,降低區(qū)域的水體交換能力,對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生不利影響。關(guān)于水體交換和泄洪納潮方面的研究,國(guó)內(nèi)學(xué)者較為關(guān)注。蔣昌波等[2]利用平面二維數(shù)學(xué)模型對(duì)廣西北部灣鐵山灣建港前后的水體交換能力進(jìn)行了分析;黃少彬等[3]通過(guò)MIKE3模型對(duì)珠江口水體交換進(jìn)行了研究;高飛等[4]采用平面二維污染物質(zhì)移流擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型,模擬通州灣港區(qū)保守污染物質(zhì)擴(kuò)散變化過(guò)程;肖天葆等[5]基于二維非結(jié)構(gòu)有限體積數(shù)值模型,對(duì)博賀漁港改擴(kuò)建前后水體交換能力開(kāi)展了數(shù)值模擬研究,評(píng)估工程前后港內(nèi)水體半交換周期;陸永軍等[6]開(kāi)展水動(dòng)力泥沙數(shù)學(xué)模擬計(jì)算和物理模型試驗(yàn)對(duì)伶仃洋茅洲河口的泄洪納潮問(wèn)題進(jìn)行了研究;何用等[7]采用遙感影像解譯技術(shù)研究了不同類別大型涉水工程對(duì)泄洪的影響。

前人對(duì)香洲港的研究較少,吳瓊等[8]以香洲港為例,計(jì)算分析全閉合式防波堤、不同開(kāi)口寬度的防波堤布置方案下,灣內(nèi)水體交換條件及污染物輸移擴(kuò)散規(guī)律的差異;英曉明等[9]利用Delft3D數(shù)值模式建立模型模擬了香洲港海域水體交換能力,結(jié)果表明香洲港海域從初始濃度下降為1%需10 d時(shí)間,下降為1‰需16 d時(shí)間。本文以珠海市香洲港為研究對(duì)象,采用數(shù)學(xué)模型計(jì)算和分析了香洲港規(guī)劃方案對(duì)區(qū)域水體交換和泄洪納潮的影響,該研究對(duì)香洲港的開(kāi)發(fā)利用具有一定的參考價(jià)值。

1 研究區(qū)域概況

為了與經(jīng)濟(jì)發(fā)展相匹配,珠海市政府?dāng)M對(duì)香洲漁港進(jìn)行改建,將其打造成集娛樂(lè)區(qū)、酒店區(qū)、文化區(qū)、碼頭公園等功能于一體的多功能地帶,以便給市民提供豐富多元的濱水體驗(yàn)。珠海市香洲漁港初建于1957年,地處珠海市城區(qū)中心情侶路的海灣上,港內(nèi)水域面積85.87萬(wàn)m2,防波堤長(zhǎng)500 m,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。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Ⅳ類水平;活性磷酸鹽平均含量約0.045 mg/L,基本達(dá)到海水第四類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),其他指標(biāo)滿足第四類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[8]。灣內(nèi)水下地形起伏變化不大,水深較淺,香洲港海域水深基本在4 m以內(nèi)[9]。

本研究區(qū)域地處珠海,近鄰澳門,位于伶仃洋西灘南部的香洲灣內(nèi)。香洲港落潮期流速大于漲潮期流速,大潮期流速大于小潮期,港區(qū)及南北兩側(cè)淺灘潮周期平均流速為0.05～0.10 m/s,總體流速不大,香洲港所在的西灘南部水域平均含沙量約為0.04～0.06 kg/m3。香洲港水域水體主要來(lái)自南側(cè)的伶仃洋水域,伶仃洋北起虎門南至澳門、大濠島,以淇澳島—內(nèi)伶仃島—赤灣延線將其分為內(nèi)、外伶仃洋[10],其東岸多灣、西岸多灘,水下地形呈“三灘兩槽”格局[11]。伶仃洋的潮汐主要來(lái)自通過(guò)呂宋海峽的太平洋潮汐傳播,屬不正規(guī)半日混合潮[12],平均潮差在1.08～1.69 m,潮差具有由南部灣口向北部灣頂逐漸遞增的特點(diǎn),在虎門達(dá)到最大,最大潮差為1.69 m[13]。伶仃洋屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候,年平均氣溫較高,夏季高溫多雨,氣候潮熱[14]。

2 模型的建立與驗(yàn)證

根據(jù)香洲港最新的規(guī)劃方案,香洲港規(guī)劃在現(xiàn)有陸域(現(xiàn)狀碼頭和防波堤)基礎(chǔ)上,以樁基為結(jié)構(gòu)形式,增加水域上的建筑面積,這將進(jìn)一步削弱區(qū)域內(nèi)的水動(dòng)力。為此,采用數(shù)學(xué)模型計(jì)算分析規(guī)劃方案對(duì)區(qū)域水動(dòng)力和泄洪納潮的影響。

2.1 計(jì)算方法

本模型采用的計(jì)算方法為有限體積法(FVM),即將計(jì)算域劃分成若干非規(guī)則形狀的單元或控制體[15]。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。

FVM正是對(duì)于推導(dǎo)原始微分方程所用控制體積方法的回歸,與FDM和FEM的數(shù)值逼近相比,其物理意義更直接明晰。跨控制體間界面運(yùn)輸?shù)耐?對(duì)相鄰控制體來(lái)說(shuō)大小相等,方向相反,故對(duì)整個(gè)計(jì)算域來(lái)說(shuō),沿所有內(nèi)部邊界的通量相互抵消。對(duì)由一個(gè)或多個(gè)控制體組成的任意區(qū)域,以致整個(gè)計(jì)算區(qū)域,都嚴(yán)格滿足物理守恒定律,不存在守恒誤差,且能正確計(jì)算間斷。

2.2 模型研究范圍

數(shù)學(xué)模型研究采用2020年11月內(nèi)伶仃洋的水文地形資料,模型范圍與之配套,上游邊界為流量邊界,設(shè)置在珠江河口八大口門控制站斷面,下游邊界為水位邊界,設(shè)置在-50 m等高線附近,其水位由海洋潮汐模型計(jì)算獲得。本文研究區(qū)域位于香爐灣香洲港,局部范圍內(nèi)網(wǎng)格根據(jù)現(xiàn)狀、已批待建、規(guī)劃的邊界劃分,網(wǎng)格最小尺寸5 m,見(jiàn)圖1。

圖1 模型范圍及研究網(wǎng)格

2.3 模型驗(yàn)證

模型驗(yàn)證采用“2020·06”洪季、“2019·12”枯季進(jìn)行伶仃洋潮流進(jìn)行驗(yàn)證,采用“2020·1116”枯季大潮對(duì)研究區(qū)域局部潮流進(jìn)行驗(yàn)證,各驗(yàn)證水文組合時(shí)間段見(jiàn)表1。數(shù)學(xué)模型潮位過(guò)程驗(yàn)證見(jiàn)圖3、5、6。可見(jiàn)模型潮位過(guò)程與實(shí)測(cè)潮位過(guò)程相位一致,高低潮誤差總體小于10 cm,滿足規(guī)范要求。模型采用“2020·1116”大潮、“2020·06”洪季大中小潮進(jìn)行流速驗(yàn)證,流速測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖2,流速過(guò)程見(jiàn)圖4、7、8。從香洲港附近水域來(lái)看,香洲港附近水域流速總體較小,采用本文開(kāi)展的“2020·1116”大潮進(jìn)行流速驗(yàn)證,流速計(jì)算過(guò)程與實(shí)測(cè)過(guò)程基本一致,流速誤差絕對(duì)值較小;從伶仃洋水域來(lái)看,采用“2020·06”洪季流速過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證,流速計(jì)算過(guò)程與實(shí)測(cè)過(guò)程基本一致,流速誤差一般在10%以內(nèi),滿足規(guī)范精度要求。

表1 驗(yàn)證水文組合

圖2 驗(yàn)證測(cè)點(diǎn)布置

3 水動(dòng)力特性研究

3.1 計(jì)算方案

新增規(guī)劃區(qū)域采用樁基結(jié)構(gòu)形式,規(guī)劃階段缺少詳細(xì)的樁基布局,故數(shù)學(xué)模型采用綜合糙率的方法對(duì)樁基阻力進(jìn)行概化。樁基密度參考已建橋梁樁基密度,樁距10～20 m不等,將計(jì)算水域的海床糙率分成二部分:一是基本糙率,即無(wú)水工建筑物的海床糙率;二是等效糙率,即考慮了水工建筑物影響的等效糙率。基本糙率由模型在無(wú)工程條件下率定所得,等效糙率采用南科院的樁群阻力研究成果[16],規(guī)劃方案實(shí)施前后糙率分布見(jiàn)圖9。

a)規(guī)劃前(含已批工程)

3.2 計(jì)算水文組合

a)水體交換水文組合。珠江河口潮汐具有典型的半月潮特征,潮汐在半個(gè)月內(nèi)具有大小潮的變化。為了反應(yīng)實(shí)際情況,水體交換計(jì)算組合選取時(shí)間序列較長(zhǎng)、具有大小潮變化的水文組合?！?020·06”洪季組合經(jīng)歷小潮到大潮的變化過(guò)程,初期潮差較小,對(duì)交換相對(duì)不利,因此將作為水體交換計(jì)算水文組合,見(jiàn)圖10。

圖10 數(shù)學(xué)模型水體交換計(jì)算潮型(“2020·06”洪季組合)

b)初始場(chǎng)。為了研究香洲港內(nèi)的水體交換速度,將海燕橋以北、防波堤斷面以東范圍內(nèi)初始值設(shè)為100,見(jiàn)圖11。

圖11 水體交換計(jì)算初始場(chǎng)

3.3 泄洪納潮影響分析

3.3.1流場(chǎng)變化

香洲港水域潮流具有南側(cè)(海燕橋)和東側(cè)(進(jìn)港航道)2個(gè)潮流進(jìn)出通道。本文水文觀測(cè)表明,香洲港水域存在4種流態(tài),分別為2個(gè)通道同漲、同落和南進(jìn)東出、東進(jìn)南出。規(guī)劃方案實(shí)施后,香洲港仍然保持4種流態(tài),實(shí)施前后的流場(chǎng)見(jiàn)圖12,流速變化等值線見(jiàn)圖13。

圖12 不同規(guī)劃方案實(shí)施前后流場(chǎng)

由規(guī)劃實(shí)施前后流場(chǎng)可以看出,規(guī)劃方案實(shí)施后香洲港及周邊水域整體流態(tài)變化不大,局部流速流向略有調(diào)整,港內(nèi)流態(tài)仍然多變,整體流勢(shì)較弱,規(guī)劃透水建筑物區(qū)內(nèi)流速減小,區(qū)外流速增大,港池進(jìn)出口口外流速減小。具體變化為:在同時(shí)漲潮(南側(cè)進(jìn)口和東側(cè)進(jìn)口均向港內(nèi)進(jìn)流)條件下,自海燕橋進(jìn)入的潮流略有減弱,并經(jīng)過(guò)海燕橋縮窄段后向東偏轉(zhuǎn),自進(jìn)港航道進(jìn)入的漲潮流受防波堤段透水建筑物阻水影響,主槽流速略有增大,并向南偏轉(zhuǎn),兩者交匯的位置與現(xiàn)狀基本一致,匯合后仍在港區(qū)西北角形成順時(shí)針回流,流速略有減弱。

南進(jìn)東出漲潮(南側(cè)進(jìn)口向港內(nèi)進(jìn)流、東側(cè)進(jìn)口向港外出流)條件下,南進(jìn)東出漲潮整體流向變化不大,但受規(guī)劃方案透水建筑物阻水影響,自海燕橋的漲潮流略有減弱,約0.01 m/s,港區(qū)內(nèi)自西南至東北的流勢(shì)增強(qiáng),流速略有增大;港區(qū)西北角和防波堤沿線流速減小。

東進(jìn)南出落潮(東側(cè)進(jìn)口向港內(nèi)進(jìn)流、南側(cè)進(jìn)口向港外出流)條件下,港區(qū)流態(tài)在落潮初期與現(xiàn)狀基本一致,但防波堤沿線和港區(qū)西北角流速略有減小,東側(cè)和南側(cè)進(jìn)口之間的連線區(qū)域流速略有增大,變化幅度約0.01 m/s。

同時(shí)落潮(東側(cè)進(jìn)口和南側(cè)進(jìn)口向港外出流)條件下,港區(qū)內(nèi)防波堤沿線和港區(qū)西北角流速減小0.01～0.03 m/s,東側(cè)和南側(cè)進(jìn)口之間的連線區(qū)域流速略有增大,港區(qū)東側(cè)和南側(cè)進(jìn)口流速總體呈減小趨勢(shì)。

3.3.2潮量變化

統(tǒng)計(jì)海燕橋、防波堤、雞籠山3個(gè)斷面在規(guī)劃實(shí)施后的潮量變化,見(jiàn)表2。在規(guī)劃方案實(shí)施后,香洲港水域納潮量出現(xiàn)一定程度的減小,海燕橋斷面漲潮量減小0.9%,落潮量減小0.3%,防波堤斷面而落潮量減小1%,而伶仃洋幾乎無(wú)影響。

表2 規(guī)劃方案實(shí)施后潮量變化 %

3.4 水體交換影響分析

規(guī)劃方案實(shí)施后,香洲港水域流速和納潮量出現(xiàn)一定程度的減小,對(duì)區(qū)域水體交換產(chǎn)生影響(圖14、15)。分別對(duì)規(guī)劃實(shí)施前后的水體交換進(jìn)行了計(jì)算,保守物質(zhì)初始濃度為100,第1、2、3、4天后濃度分布見(jiàn)圖16、17,水體半交換周期見(jiàn)表3。

表3 規(guī)劃方案實(shí)施前后水體半交換周期統(tǒng)計(jì)

圖14 潮量統(tǒng)計(jì)斷面

圖15 統(tǒng)計(jì)分區(qū)

圖16 現(xiàn)狀和已批待建工程邊界條件下濃度分布

圖17 規(guī)劃方案實(shí)施后濃度分布

由圖可見(jiàn),香洲港水體交換具有以下特征。

a)港區(qū)內(nèi)水體交換速率差異較大,2個(gè)進(jìn)出口連線區(qū)域水體交換較好,而港池西北角和東南角水體交換較弱。香洲漁港港池與外海通過(guò)南、東兩個(gè)口門相連通。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)野貍島南側(cè)通過(guò)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。2個(gè)進(jìn)出口連線附近水域由于存在一邊漲、一邊出的流動(dòng)狀態(tài),水體交換相對(duì)較好。

b)區(qū)域內(nèi)水體半交換周期約3.2 d,局部交換周期更長(zhǎng)。統(tǒng)計(jì)了區(qū)域的水體半交換周期(圖15)。其中兩進(jìn)出口連線水域(A區(qū))半交換周期接近3 d,西北側(cè)水域水體半交換周期3～4 d,而新月路堤岸以南的東南角C區(qū)交換最慢,接近6 d。各區(qū)域內(nèi)也存在較為顯著的差異。

c)規(guī)劃方案實(shí)施后,水體交換速率進(jìn)一步減弱。規(guī)劃方案實(shí)施后,區(qū)域內(nèi)水體半交換周期增大1.7%,其中A區(qū)增幅較小、達(dá)1.2%,B區(qū)增大4.5%,C區(qū)增加8.5%。C區(qū)增大主要是因?yàn)橐?guī)劃作為濕地,進(jìn)一步減小了水動(dòng)力,未來(lái)將依靠濕地生態(tài)系統(tǒng)凈化水體。

3.5 方案影響綜合分析

由規(guī)劃實(shí)施前后的水動(dòng)力和水體交換計(jì)算結(jié)果表明,規(guī)劃方案對(duì)伶仃洋泄洪納潮影響很小,但香洲港內(nèi)水動(dòng)力總體較弱,水體交換總體較慢,規(guī)劃方案實(shí)施后,水動(dòng)力進(jìn)一步減弱,水體交換速率進(jìn)一步減弱。尤其是受防波堤和新月橋堤岸阻隔、已有和規(guī)劃方案樁基阻水等的影響,香洲港西北角、東南角存在水體交換速度較慢的水域。分析香洲港水動(dòng)力較弱的原因,主要包括地理位置、人類活動(dòng)和泥沙淤積等方面的原因。

a)地理位置。香洲港位于伶仃洋西側(cè)香爐灣的灣頂,而香爐灣遠(yuǎn)離伶仃洋漲潮潮主通道,灣內(nèi)流速總體不大。

b)人類活動(dòng)。香洲港北側(cè)建設(shè)了漁港防波堤,離岸1.5 km,阻斷了沿岸潮流通道。研究表明,香洲港水域被防波堤阻隔后,部分時(shí)刻漲落潮流需要繞過(guò)防波堤,減小了經(jīng)過(guò)香洲港區(qū)域的潮流量。

c)泥沙淤積。香洲港位于伶仃洋西側(cè)輸沙通道上,泥沙來(lái)源豐富,具有良好的淤積環(huán)境。港區(qū)水深需要疏浚來(lái)維持,除港池外,港區(qū)四周存在低潮位出露或者水深較小的區(qū)域,如位于港區(qū)南側(cè)的野貍島與情侶路之間潮流通道,寬200 m,平均底高程-1.7 m,-3 m主槽寬度僅60 m,西側(cè)近190 m河寬為淺灘,高程不足-1.5 m,淤積嚴(yán)重,阻礙潮流通過(guò)。

目前,香洲港水域水質(zhì)總體相對(duì)較差,而香洲港東側(cè)和南側(cè)水域的水質(zhì)相對(duì)較優(yōu),有必要在規(guī)劃建設(shè)階段提出改善水動(dòng)力的措施,尤其是港區(qū)西北角、東南角,其中東南角規(guī)劃布局濕地,將來(lái)通過(guò)濕地生態(tài)系統(tǒng)凈化水體,而西北角臨近城市主通道,臨近布置了游艇等游樂(lè)設(shè)施,水環(huán)境要求較高,需要通過(guò)工程措施進(jìn)一步提升該區(qū)域內(nèi)的水動(dòng)力,例如南口疏浚方案和港口路開(kāi)口設(shè)閘方案。

4 結(jié)論

通過(guò)模型計(jì)算結(jié)果分析,香洲港規(guī)劃方案實(shí)施后,對(duì)香洲港水域及周邊海域水動(dòng)力特性造成的影響為:方案實(shí)施后,水體交換速率進(jìn)一步減弱。區(qū)域內(nèi)水體半交換周期增大1.7%,其中兩進(jìn)出口連線水域(A區(qū))水體半交換周期為3 d,增幅較小,達(dá)1.2%;西北側(cè)水域(B區(qū))半交換周期區(qū)為3.66 d,增大4.5%;新月路堤岸以南的東南角(C區(qū))水體半交換周期區(qū)為5.8 d,增加8.5%。C區(qū)增大主要是因?yàn)橐?guī)劃作為濕地,進(jìn)一步減小了水動(dòng)力,未來(lái)將依靠濕地生態(tài)系統(tǒng)凈化水體。香洲港在漲落潮不同階段具有不同流態(tài),港內(nèi)流態(tài)復(fù)雜多變,流速小,規(guī)劃透水建筑物建設(shè)后樁區(qū)范圍(防波堤沿線、港區(qū)西北角)流速減小,港區(qū)進(jìn)出口流速減小,減小幅度0.01～0.03 m/s,海燕橋斷面漲潮量減小0.9%,落潮量減小0.3%,防波堤斷面落潮量減小1%。表明規(guī)劃方案實(shí)施后港區(qū)水動(dòng)力進(jìn)一步減弱。長(zhǎng)期對(duì)水環(huán)境改善不利,采取水動(dòng)力增強(qiáng)措施以改善區(qū)域水環(huán)境是必要的。