環抱式港池水體交換研究
——以連云港徐圩港區為例

（河海大學海岸災害及防護教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098）

環抱式港池水體交換研究
——以連云港徐圩港區為例

張瑋，陳禎，劉燃，曹昊

（河海大學海岸災害及防護教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098）

環抱式港池普遍存在水體交換能力較弱的問題，水體交換通道是提高港區水體交換能力主要方法之一。文中以規劃中的連云港徐圩港區為例，建立對流擴散模型，通過計算研究徐圩港區對流與擴散之間的關系，分析港區水體交換機理和主要影響因素；通過設置水體交換通道探討其對港區水體交換功能改善的主要影響因素。研究表明：對流作用在徐圩港區水體交換中占有絕對優勢，增大流速可提高港區的水體交換能力；水體交換通道的斷面面積及斷面形狀對港區的水體交換效果影響較大。

環抱式港池；對流擴散模型；Peclet數；水體交換通道；潮量；潮位

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，深水岸線已經成為日益稀缺的資源。規劃中的連云港徐圩港區位于淤泥質淺灘開敞海域，水淺坡緩，波浪作用明顯，水沙運動復雜。采用環抱式港池，有效增加了岸線資源，同時防浪擋沙、減少泥沙回淤。然而，環抱式港池存在水體交換能力較弱的問題，如港區內發生污染，則污染水體不易排出。因此，開展環抱式港池水體交換能力及其改善措施研究是十分必要的。

近年來，許多學者對港灣的水體交換能力進行研究。Liu[1]等通過POM三維水動力模型耦合擴散模型對膠州灣的水交換進行了模擬。婁海峰[2]等通過模擬對流—擴散過程來研究象山港狹灣內外的水體交換問題。董禮先[3-4]等建立了二維對流擴散型的海灣水交換數值模型，對象山港的不同區域水交換控制機理作了初步研究。張瑋[5]等利用對流擴散模型模擬不同潮型對水體交換的影響并探討改善港池水質的工程措施及其效果。何杰[6]等通過添加水體交換通道改善挖入式港池的水體交換能力，并分析潮差及潮量對水體交換效果的影響。以上研究中，更多的是探討對流擴散模型的數值方法和實際海域應用情況，對水體交換能力的機理卻較少涉及，同時針對水體交換通道的斷面尺寸對水體交換效果的影響也鮮有研究。

本文采用平面二維對流擴散數學模型，以規劃中的連云港徐圩港區為例，對模型中對流及擴散進行了比較研究，分析了港區不同位置水體交換能力差異的原因。通過方案比選，探討通道斷面尺度和形狀對于改善水體交換能力的影響，研究結果可供有關部門決策時參考。

1 平面二維數學模型

1.1 研究對象概況

連云港位于江蘇蘇北沿海，潮汐運動受南黃海駐波系統控制，為正規半日潮。外海潮流為逆時針旋轉流，近岸受地形影響，潮流逐漸向往復流過渡，流向大致與岸線平行[7]。多年平均潮差3.4 m，平均漲潮歷時5 h 38 min，平均落潮歷時6 h 48 min。根據連云港大西山海洋站實測波浪資料統計，常浪向為偏NE向，強浪向為偏N向。

根據規劃，連云港徐圩港區采用環抱式單口門防波堤，口門位于-5 m（理論基面，下同）水深處，港區航道采用30萬噸級標準建設，航道底標高-22.5 m，航道疏浚邊坡1∶7，港區防波堤環抱面積75.8 km2，港內水域面積為31.4 km2，口門寬度為1 200 m，終期方案布置見圖1。

1.2 基本方程

1）水流連續方程

2）水流運動方程

圖1 徐圩港區終期規劃布置示意圖Fig.1 End stage planning layout of Xuwei harbor

式中：x，y為笛卡爾坐標；t為時間變量；η為水位；h為總水深，且有h=d+η，d為靜水深；u，v分別為x，y方向深度平均速度；τbx，τby分別為x，y方向底部應力；ρ0為水的密度；f為科氏力系數，且f=2Ω sin φ；g為重力加速度；Txx，Tyy，Txy分別為水平黏滯應力項。

3）對流擴散方程

4） 紊動模型

采用Samagorinsky（1963）的亞網格尺度模型計算水平擴散系數Dh。

式中：vt為水平渦流黏度；σt為湍流施密特數；cs為Samagorinsky常數；l為特征長度，為2倍的網格特征尺度[8]；Sij為變形率；Δx，Δy分別為x，y方向上網格長度。

1.3 模型的建立和求解條件

建立模型的范圍：西自現有岸線，北起日照（35°22′30″N，119°33′E），東至（35°22′30″N，120°17′E），南至廢黃河口附近（34°17′00″N，120°17′E），東西寬約100 km，南北長約120 km，模型范圍內水域面積約8 650 km2，詳見圖2。

圖2 數學模型范圍示意圖Fig.2 Mathematical model of the scope

采用守恒性較好的有限體積法（FVM）數值求解上述方程組。模型計算區域的離散采用無結構三角形網格，工程區域最小網格尺度為20 m。

模型中的西邊界、南邊界為陸邊界，根據不可入原理取法向流速為0；北邊界、東邊界為水邊界，由東中國海潮波數學模型提供；灌河邊界位于響水大橋附近，由灌河長河段模型提供。對流擴散模型中的濃度開邊界規定為入流時水體濃度為0。

1.4 模型驗證

潮流數學模型的驗證采用2005年9月多個潮位站的潮位過程及多個潮流測點的流速過程。驗證表明，連云港海域潮流數學模型所計算的潮位、流速與流向均與實測資料吻合較好，能夠較好地反映原體潮流的運動規律，可用于工程問題研究。

2 水體交換研究

2.1 規劃方案結果分析

對流擴散模型是在已建立并驗證的連云港海域大范圍潮流數學模型基礎上，添加對流擴散模塊，利用潮流模型的水動力結果計算物質傳輸的過程。計算時假定水體濃度為均勻分布，并給定初始港區污染物濃度為G0=1，港區外水體濃度為G1=0，在潮流作用下，港灣內外水體產生交換，在交換過程中，灣內水質不斷更新，濃度逐漸減小，灣內平均濃度變為：0

從計算結果中提取計算初始時刻后2 d、4 d、18 d高低潮位時刻徐圩港區濃度分布等值線（圖3），由圖可知：

圖3 不同時間高低潮位時刻濃度分布Fig.3 Concentration distribution in high and low tidal level at different time

1） 徐圩港區的水體交換受潮流作用明顯。漲潮時，外海清水由口門流入；落潮時，港區內包含污染物的混合水體經口門流出。漲潮進水至落潮出水過程中，徐圩港區污染水體與外海清水形成水體交換。

2） 距離口門越近的港池，水體濃度下降速率越快。圖3（b）～圖3（g）為徐圩港區不同日期的高低潮位時刻濃度分布，顯然五、六港池的水體濃度降低最快，三、四港池次之，一、二港池最慢。

3） 在各個港池中，港池尾部水域的水體濃度相對其他水域來說則下降較慢，是水體交換能力最弱的水域。

由于徐圩港區各個港池的水體交換能力不同，因此在進行具體評價時，按照水體半交換周期標準分港池進行討論。表1統計了規劃方案中各港池水體半交換周期，結果表明：三、五、六港池水體交換效果較好，5 d內水體完成半交換；一、二、四港池水體交換效果較差，水體半交換周期超過10 d。

表1 規劃方案各港池半交換周期Table 1 Half time of exchange for each basin in planning d

2.2 對流擴散比較研究

由公式（4）可知，對流擴散方程包含對流項和擴散項。對流和擴散對水體濃度的作用有所不同，兩者的關系通常用Peclet數來表示，其形式為：

式中：Pe為無量綱Peclet數；U為網格內平均流速；l為特征長度。

根據以往研究結果[10]，當Pe≥2時，水流表征為對流占優；當Pe<2時，水流表征為擴散占優。由式（6）知，擴散系數Dh與湍流施密特數σt密切相關，Kays[11-12]根據數值模擬和實驗結果建議σt在0.5～1.0之間，本文根據連云港實際情況，模型中σt取為1。為研究對流及擴散對徐圩港區水體交換能力的影響，利用已計算出的水動力結果，計算2005年9月4日至2005年10月4日期間徐圩港區Peclet數的平均值及其分布，詳見圖4。由圖可知，徐圩港區各水域內Peclet數一般超過50，遠遠大于2，說明對流作用在徐圩港區水體交換中占有絕對優勢，擴散作用相對較小。因此，徐圩港區水體交換能力主要與港區內的水流流速有關。

圖4 徐圩港區Peclet數平均值分布Fig.4 Mean of Peclet number distribution of Xuwei harbor

本文也對σt進行了敏感性分析，模型計算中分別取σt=0.2、0.5、5、10，計算結果顯示各港池半交換周期并無明顯變化，從另一方面佐證了徐圩港區水體交換主要依靠對流的作用。

2.3 徐圩港區水動力條件分析

由上述結論可知，徐圩港區水體交換主要依靠對流的作用，也就是與水流速度有關。大潮期間，徐圩港區的水動力作用最強，漲落潮過程中港區平均流速等值線詳見圖5。

圖5 徐圩港區大潮期間平均流速分布Fig.5 Mean of velocity distribution during the spring tide of Xuwei harbor

由圖5可知：五、六港池的平均流速最大，三、四港池次之，一、二港池平均流速最小；各個港池中，港池尾部的平均流速最低，基本不足0.01～0.02 m/s。港池中漲落潮平均流速的分布狀態與水體交換能力基本一致，說明像徐圩港區這樣的環抱式港池，水體交換能力主要取決于水流流速的大小。由此可以推斷，若要改善徐圩港區的水體交換能力，則應從提高港區水流流速方面著手。

3 水體交換通道方案

水體交換通道是提高港區水體交換能力的常用工程措施。其原理是利用漲落潮期間，港區內外的潮位差，將海水引入港池或排放到外海，形成水體交換。對水體交換較差的港池布置水體交換通道后，可增強港池內的水流流速，有效改善港池水質。

3.1 方案設計

在規劃方案的基礎上，對水體交換能力較差的一、二、四港池分別設置水體交換通道，通道一端設在防波堤上，另一端設在港池末端中部（詳見圖6（a））。水體交換通道斷面為矩形，為研究斷面尺度對水體交換能力的影響，按照不同寬度和底面高程對方案進行劃分：方案一、方案三和方案四的寬度都為100 m，底面高程分別為0 m、-2 m、-4 m；方案二、方案四、方案五和方案六的底面高程都為-4 m，寬度分別為50 m、100 m、150 m、200 m。表2統計了各方案斷面尺寸和平均過水斷面面積，其中，平均過水斷面面積定義為平均海平面到通道底部的高度與斷面寬度的乘積。各組方案計算時，初始時刻設置港區及水體交換通道的水體濃度G0=1.0，港區外為清水（圖6（b）），其余設置與規劃方案相同。

圖6 水體交換通道方案Fig.6 Water exchange channel scheme

3.2 計算結果統計

為比較各方案水體交換通道對港區水體交換效果及水動力的影響，作如下統計：通過對流擴散模型計算結果，統計得到各方案中一、二、四港池的水體半交換周期，詳見表3；通過模型中水動力計算結果，得到各組方案與規劃方案在大潮期間平均流速的差值分布圖，詳見圖7；在水體交換通道端點布置流量采樣斷面N1，N2，N4（圖6（a）），通過水動力模塊計算得到大潮期間各采樣斷面的流量，并對流量時間過程積分，得到各采樣斷面的潮量。并規定：水流經水體交換通道流進港池時段，為各水體交換通道的進潮過程，該過程N1，N2，N4斷面流量為正值，潮量為進潮量；水流經水體交換通道流出港池時段，為各水體交換通道的出潮過程，該過程N1，N2，N4斷面流量為負值，潮量為出潮量。潮量統計結果見表4。

表2 各方案斷面尺寸和平均過水斷面面積Table 2 Cross-sectional size and mean discharge section area of each scheme

表3 各組方案水體半交換周期Table 3 Half time of water exchange for each scheme d

3.3 計算結果分析

3.3.1 斷面面積對水體交換的影響

對比表2、表3、圖7及表4可知：水體交換通道的平均過水斷面面積越大，通道的進出潮總量越大，對港池的水動力改善越好，港池的水體交換能力越強。方案六平均過水斷面面積最大，其進出潮總量最大，相對規劃方案的平均流速增加量最大，水體半交換周期最短。方案一平均過水斷面面積最小，其進出潮總量最小，相對規劃方案的平均流速增加量最小，水體半交換周期最短。其余方案也有類似的規律，因此增大水體交換通道的平均過水斷面面積，可增加進出潮量，增強港池的水動力條件，提高其水體交換能力。

3.3.2 斷面形狀對水體交換的影響及原因分析

圖7 各組方案與規劃方案在大潮期間平均流速的差值分布Fig.7 Difference distribution of mean velocity during the spring tide between each scheme and planning scheme

表4 各組方案潮量統計Table 4 Tidal influx statistics of each scheme 106m3

方案二與方案三平均過水斷面面積相同，僅斷面形狀不同，方案二底面高程較低，方案三斷面寬度較寬。但是表4中方案三各水體交換通道的進出潮總量大于方案二，且相對規劃方案的速度差值增加也更為明顯（詳見圖7），水體交換效果也好于方案二（詳見表3）。說明水體交換通道的平均過水斷面面積相同時，斷面寬度越寬，進出潮總量越大，對港池的水動力改善越好，水體交換能力越強。

為分析造成這種現象的原因，現來考察圖8中方案二與方案三的過水斷面與潮位的關系圖。圖8（a）中，潮位等于平均海平面（0 m）時，兩個方案的過水斷面面積相同；圖8（b）中，潮位高于平均海平面，斷面寬度較寬的方案，過水斷面面積較大，增加的面積如圖中陰影所示，且隨著潮位升高面積增量也越大；圖8（c）中，潮位低于平均海平面，底面高程較低的方案，過水斷面面積較大，增加的面積如圖中陰影所示，且隨著潮位降低面積增量也越大。

以一港池N1點為例來說明斷面形狀對于進出港池潮量的影響，統計方案二和方案三在大潮期間進出潮過程的平均潮位（詳見表5），并繪制N1點潮位時間過程和N1斷面流量時間過程圖（詳見圖9）。由圖表可知，兩個方案在N1點潮位時間過程相似，差別較小，流量時間過程差別較大。但是，在進潮過程中N1點平均潮位高于平均海平面，出潮過程中低于平均海平面，進潮過程的平均潮位明顯大于出潮過程。因此，進潮過程中方案三的過水斷面面積大于方案二，進潮量較大；出潮過程中的過水斷面面積小于方案二，出潮量較小。由此導致一港池方案三的凈潮量和總潮量大于方案二。類似地，也可以分析二港池、四港池的進出潮量，得出相近的結果。

圖8 方案二與方案三的過水斷面與潮位關系圖Fig.8 Relationship between the discharge cross-section and tidal level of the second scheme and the third scheme

表5 進出潮過程N1點平均潮位Table 5 Mean tide level of N1 for the tide inlet and outlet process m

圖9 方案二和方案三N1點潮位和N1斷面流量時間過程Fig.9 Time series of the N1 tide level and N1 cross-sectional flow of the second scheme and the third scheme

3.3.3 一、二港池交換能力差異及原因分析

規劃方案中，一港池水體半交換周期略高于二港池，添加水體交換通道后，一港池水體半交換周期均有所改善且小于二港池，特別地有些方案（方案一~方案三）二港池的半交換周期甚至高于規劃方案。說明添加水體交換通道后，一港池的水體交換功能改善較顯著，二港池水體交換功能改善不明顯，部分方案中水體交換效果甚至變差。

一、二港池水體交換效果差異的主要原因在于：添加水體交換通道后，一港池的污染水體會流向二港池，對一港池水體交換較為有利，但對二港池有不利影響。對比表4中各方案凈潮量可發現，N1斷面的凈潮量均為正，N2，N4的凈潮量均為負，說明添加水體交換通道后，N1斷面進港水量大于出港水量，N2，N4斷面出港水量大于進港水量。由于一、二港池距離較近，一港池的部分污染水體會流向二港池，并隨著凈潮量的增大，自一港池流向二港池的污染水體也越多，因此各方案中一港池水體半交換周期均小于二港池。再加上方案一~方案三的平均過水斷面面積相對較小，進出潮總量也較小，對二港池的水體交換能力改善效果不能抵消一港池污染水體流進二港池造成的不利影響，因此水體半交換周期沒有降低，甚至高于規劃方案。平均過水斷面面積增大后（如方案四～方案六），進出潮總量增大，水體交換能力得到增強，水體半交換周期也隨之下降。

進一步地，將以方案三為例，分析各方案中N1斷面與N2，N4斷面進出港水量產生差異的原因。圖10、圖11、圖12為方案三大潮期間的監測數據。由圖可知，當水體交換通道的港內采樣點（N1，N2，N4）的潮位低于港外采樣點（W1，W2，W4）時，N1，N2，N4斷面流量表現為進港流量；當港內采樣點潮位高于港外采樣點時，N1，N2，N4斷面則表現為出港流量。說明各通道進出潮過程中的水流方向與通道兩端的潮位差密切相關。一港池水體交換通道兩端潮差過程與二、四港池相反，因此其進出潮過程也與二、四港池相反。

圖10 各采樣斷面流量時間過程Fig.10 Time series of the cross-sectional flow of each sampling

圖11 各通道兩端潮差時間過程Fig.11 Time series of the tidal range on both ends of each channel

圖12 各采樣點潮位時間過程Fig.12 Time series of the tidal level of each sampling site

4 結論及建議

1） 淤泥質海岸傳統上多采用環抱式防波堤建港，水體交換能力相對天然條件有所減弱，對該類型港池的水體交換能力進行研究具有工程實際意義。

2） 規劃方案的結果分析表明：徐圩港區的水體交換受潮流作用明顯；港池距口門越近，水體交換能力越強；各港池尾部水體交換能力較差。

3） 水體交換主要與對流及擴散有關。研究表明：對流作用在徐圩港區的水體交換中占有絕對優勢，擴散作用相對較小。因此，要想提高徐圩港區的水體交換能力，需要增加港區的水流流速。

4） 水體交換通道的斷面面積和斷面形狀是改善水體交換能力的主要影響因素。水體交換通道平均過水斷面面積越大，進出潮總量就越大，港池流速增加也越多，水體交換能力也就越強；平均過水斷面面積相同時，則斷面寬度較寬的方案，港池水體交換能力相對要強。

5） 對一、二、四港池添加水體交換通道后，一港池的污染水體會流向二港池，對一港池水體交換較有利，但對二港池的水體交換有不利影響。

6） 水體交換通道可以改善徐圩港區的水體交換效果，但若要明顯降低水體半交換周期，必須采用較大的過水斷面面積，工程量較大。有關部門應根據實際情況，慎重考慮，采取合理工程方案。

[1] LIU Z，WEI H，LIU G，et al.Simulation of water exchange in Jiaozhou Bay by average residence time approach[J].Estuarine，Coastal and Shelf Science，2004，61（1）：25-35.

[2]婁海峰，黃世昌，謝亞力.象山港內水體交換數值研究[J].浙江水利科技，2005（4）：8-12. LOU Hai-feng，HUANG Shi-chang，XIE Ya-li.Numerical investigation of water exchange in Xiangshan Bay[J].Zhejiang Hydrotechnics，2005(4)：8-12.

[3]董禮先，蘇紀蘭.象山港水交換數值研究--Ⅰ.對流—擴散型的水交換模式[J].海洋與湖沼，1999（4）：410-415. DONG Li-xian，SU Ji-lan.Numerical study of the water exchange in the Xiangshan Bay-Ⅰ.Advection-diffusion water exchange model[J].Oceanologia Et Limnologia Sinica，1999（4）：410-415.

[4]董禮先，蘇紀蘭.象山港水交換數值研究——Ⅱ.模型應用和水交換研究[J].海洋與湖沼，1999（5）：465-470. DONG Li-xian，SU Ji-lan.Numerical study of water exchange in Xiangshan Bay-Ⅱ.Model application and water exchange study[J]. Oceanologia Et Limnologia Sinica，1999（5）：465-470.

[5]張瑋，王國超，劉燃，等.環抱式港池水體交換與改善措施研究[J].水運工程，2013（4）：37-41. ZHANG Wei，WANG Guo-chao，LIU Ran，et al.Water exchange and improvement measures for encircled basin[J].Port&Waterway Engineering，2013（4）：37-41.

[6]何杰，辛文杰.挖入式港池水體交換能力研究[J].水利學報，2007（S1）：330-333. HE Jie，XIN Wen-jie.Study on the water exchange ability for the excavated in harbor basin[J].Journal of Hydraulic Engineering，2007（S1）：330-333.

[7]中國海灣志編纂委員會.中國海灣志（第四分冊）[M].北京：海洋出版社，1993. Compiling Committee of Records of China Bays.Records of China Bays（volume 4）[M].Beijing：Ocean Press，1993.

[8]TEJADA-MARTINEZ A E，JANSEN K E.A dynamic smagorinsky model with dynamic determination of the filter width ratio[J]. Physics of Fluids（1994-present），2004，16（7）：2 514-2 528.

[9] 徐軍.連云港西大堤工程建設影響作用評價[J].海洋通報，2005（5）：67-73. XU Jun.Construction effect evaluation of Lianyungang west dike engineering[J].Marine Science Bulletin，2005（5）：67-73.

[10]VERSTEEG H K，MALALASEKERA W.An introduction to computational fluid dynamics：the finite volume method[M].New York:Prentice Hall，2007.

[11]KAYS W M.Turbulent prandtl number—Where are we？[J].Journal of Heat Transfer，1994，116（2）：284-295.

[12]KAYS W M，Crawford M E.Convective heat and mass transfer[M]. New York:McGraw-Hill，1993.

Researches on water exchange for encircled basin— Take Xuwei harbor in Lianyungang as an example

ZHANG Wei，CHEN Zhen，LIU Ran，CAO Hao
（Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence of Ministry of Education，Hohai University，Nanjing，Jiangsu 210098，China）

The encircled basin has a weak capability for water exchange.Water exchange channel is one of the main methods to improve harbor water exchange capability.A convection-diffusion model based on the project of Xuwei harbor in Lianyungang is established and calculated for researching the relationship between convection and diffusion，analyzing the mechanism of harbor water exchange and the main influencing factors.The main factors of influencing harbor water exchange improvements is studied when setting water exchange channels.Results indicate that：convection play a dominate role in the water exchange of Xuwei harbor；water exchange capability in harbor can be enhanced by increasing current velocity；cross-sectional area and shape of the channel have a great effect on the result of water exchange in Xuwei harbor.

encircled basin；convection-diffusion model；Peclet number；water exchange channel；tidal influx；tidal level

U653.3

：A

：1003-3688（2014）03-0001-08

10.7640/zggwjs201403001

2013-12-10

國家高技術研究發展計劃（863計劃） （2012AA112509）；江蘇省交通科學研究計劃項目（20100714-30HDKY001-2）；2011年度江蘇省研究生培養創新工程（CXZZ11_0449）

張瑋（1958— ），男，山東青島市人，教授，博導，主要從事港口航道工程研究。E-mail：zhangweihhu@vip.sina.com