珠海香洲港海域水體交換能力研究

英曉明，王 平

（國家海洋局南海海洋工程勘察與環境研究院，廣州 510300）

珠海香洲港海域水體交換能力研究

英曉明，王 平

（國家海洋局南海海洋工程勘察與環境研究院，廣州 510300）

文章利用開源代碼Delft3D數值模式建立了珠海香洲港海域的二維潮流數學模型，在對模型進行驗證基礎上，模擬了香洲港海域水體交換能力。結果表明，香洲港海域從初始濃度下將為1%需要10 d時間，下降為1‰需要16 d時間。受珠海歌劇院、野貍島和防波堤的阻隔，香洲港海域水流動力較小，使得港區內水體交換能力較弱。香洲港海域無機氮含量超第四類海水水質標準，應減少陸源排放，加強環境保護。

水體交換；數值模擬；香洲港

珠海香洲港海域位于珠江口香洲灣（圖1-c），在珠海市情侶中路東側。香洲港海域水深基本在4 m以內（圖1-d），歌劇院和野貍島之間水域水深在0.5 m以下。香洲港進港路、防波堤、珠海歌劇院、野貍島、海燕橋和香洲情侶路之間形成半封閉海域。伶仃洋潮差較小，屬弱潮型，潮汐系數在0.96～1.77之間，為不正規半日混合潮型。中國科學院南海海洋研究所于2014年1月在項目附近東北側水域進行了水文觀測，觀測結果表明，垂向平均流速最大達1.05 m/s，大潮期間漲潮平均流速0.29 m/s，落潮平均流速0.34 m/s。根據赤灣1983～1984年實測資料分析，最大波高為1.98 m，最大波高平均值為0.68 m，40%實測資料的平均波高小于0.1 m。珠海海洋環境監測中心站于2013年10月和2014年7月對香洲港海域進行了水質監測，調查結果表明該區域無機氮含量超第四類海水水質標準。

關于水體交換方面的研究，國內已有相關研究。蔣昌波等［1］利用平面二維數學模型對廣西北部灣鐵山灣建港前后的水體交換能力進行了分析。黃少彬等［2］通過MIKE3模型對珠江口水體交換進行了研究。林忠洲等［3］利用Delft3D數值軟件對浙江寧波象山港水體交換能力進行了研究。本文利用開源代碼Delft3D數值模式模擬香洲港海域水體交換能力，并對原因進行探討和分析。珠江口水系復雜，西江、北江和東江等匯聚在一起，有八個口門入海。為能較好的模擬珠江口潮流，本文利用已搭建好的珠江口大范圍數學模型［4］，建立了嵌套的珠海香洲港海域的二維潮流數學模型，珠江口大范圍模型見圖1-a，香洲港海域網格見圖1-b。本文對香洲港海域水體交換能力的研究將為香洲港海域水質環境規劃整治提供參考。

1 數學模型

本文利用開源代碼Delft3D數值模式建立香洲港海域垂向平均的二維潮流數學模型。關于河口海岸動力數值模式，應用較多的有POM［5］，ROMS［6］，FVCOM［7］和ECOMSED［8］等。Delft3D數值模式開發早，功能較多，相對成熟，在國內外河口海岸研究領域有廣泛的應用［9-12］。目前，王崇浩和韋永康［13］創建了三維的水動力和泥沙輸移模型并在珠江口進行了應用；朱澤南等［14］利用SELFE數值模式創建了珠江口潮流泥沙輸運的三維數學模型。Delft3D數值模式的簡介和正交曲線坐標系中的水流運動基本方程見Delft3D手冊（Deltares，2013）和參考文獻［4，15］。

圖1 項目位置、水深地形、水文測站和模型網格Fig.1 Location of studied area，water depth，hydrological stations and model grid

2 模型建立和驗證

2.1 模型建立

珠江口大范圍潮流數學模型建立及驗證見文獻［4］。珠海香洲港海域模型網格個數為455×536，范圍約為東經113.551°E～113.787°E，北緯22.18°N～22.37°N，ξ方向最大格距約為486 m，最小格距約為7 m；η方向最大格距約為562 m，最小格距約為6 m。模擬范圍內的島嶼及陸域，用網格干點表示。珠江口大范圍模型上游流量給月平均值，參照《中國河流泥沙公報》［16-17］。大區模型在水系上游設置為月平均流量，外海開邊界設置為水位邊界條件，由8個分潮調和常數計算，詳見文獻［4］。珠海香洲港海域區域模型外海開邊界為水位邊界條件，由大區模型嵌套提供。底摩擦曼寧系數基本為0.012，每個網格格點糙率值由模型率定確定。珠江口大范圍模型模擬時間步長為60 s，香洲港區域模型模擬時間步長為30 s。

2.2 模型驗證

珠江口大范圍潮流數學模型采用2007年潮位和潮流資料進行了驗證［4］，這里利用2011年4月17日～4 月10日和6月10日～6月12日的實測資料對珠江口大范圍數學模型再一次進行了潮位和潮流驗證，模型潮位和潮流觀測站位見圖1-c。模型水位驗證結果見圖2，由圖2可見，模型能夠較好的模擬水位變化。

圖2 觀測站水位模擬結果（圓圈代表實測值，實線代表模擬值）Fig.2 Verification of water level between observation and simulation in different stations

圖3 流速、流向驗證結果（圓圈代表實測值，實線代表模擬值）Fig.3 Verification of current velocity and flow direction

圖4 局部模型流速驗證結果（圓圈代表實測值，實線代表模擬值）Fig.4 Verification of current velocity for detailed model

珠江口大范圍模型流速驗證結果見圖3。香洲港附近海域流速驗證資料來自珠海海洋環境監測中心站2013年11月觀測數據和廣州地質勘察基礎工程公司2014年9月觀測數據，觀測站位見圖1-c。香洲港局部區域模型流速驗證結果見圖4。流速和流向模擬值與實測值誤差較小，變化趨勢相近。總體而言，珠江口大范圍模型和香洲港海域局部模型內潮流模擬驗證較好，模擬結果基本能夠反映研究海域的潮流運動特征。

圖5 濃度分布Fig.5 Distribution of concentration

圖6 濃度隨時間變化Fig.6 Variation of concentration with time

圖7 流速分布Fig.7 Distribution of velocity

3 水交換能力分析

利用保守物質的濃度變化分析香洲港海域水體交換能力。假定香洲港海域內初始污染物濃度為1個單位，利用數學模型預測香洲港海域內物質濃度變化情況。數值模擬時間為2013年2月1日～2月28日。圖5為不同時間段香洲港海域物質濃度分布，物質濃度1天后下降約50%（圖5-b）。圖6-a反應了香洲港海域內代表點（代表點見圖5-a）物質濃度隨時間的變化過程，圖6-b反應了香洲港海域港區內物質平均濃度隨時間變化過程，物質濃度基本呈指數形式下降。模擬結果顯示污染物濃度減少到1%需要約10 d（圖5-c），污染物濃度減少到1‰需要約16 d（圖5-d）。

香洲港海域流速較小，大潮漲急和落急時刻流速大多在0.3 m/s以下（圖7）。采用低通濾波方法，計算港區及附近海域1個月潮流產生的余流。結果表明，余流流速大多在0.06 m/s以下（圖8），珠海歌劇院北側和防波堤之間邊界余流朝向指向西；野貍島南部與陸地之間邊界偏陸地側余流流向指向北，偏野貍島側余流流向指向南。受珠海歌劇院、野貍島和防波堤的阻隔，邊界處余流基本指向港區內部，香洲港海域水體與外側海域交換能力減弱。目前，防波堤和海燕橋之間靠岸一側有幾處市政污水排污口，廢水排放將使香洲港海域水質環境受到影響。鑒于目前香洲灣海域水交換能力較弱，為提高情侶路近岸海域水質環境，應采取措施降低市政污水排放濃度。

圖8 香洲港海域余流分布Fig.8 Distribution of net velocity in Xiangzhou Port sea area

4 結論

本文利用開源代碼Delft3D數值模式建立了香洲港海域的二維垂向平均潮流數學模型，并對模型進行了驗證。結果表明，本文所建立的模型能夠反演潮流動力的變化過程，模型能夠用來模擬香洲港海域水體交換。模擬表明，香洲港海域水體交換能力弱，主要原因是受邊界防波堤、歌劇院和野貍島的影響，港區內水流動力較小。因此，要提高香洲港海域內的水環境質量，需要減少近岸排污量和進一步降低排放濃度。

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［17］中華人民共和國水利部.泥沙公報［M］.北京：中國水利水電出版社，2013.

Study of water exchange ability in Xiangzhou Port sea area,Zhuhai

YING Xiao?ming,WANG Ping
（South China Sea Marine Engineering and Environment Institute,SOA,Guangzhou 510300,China）

Open code of Delft3D was used to set up a two dimensional hydrodynamic model for Xiangzhou Port sea area in this paper,and this paper focused on simulating the water exchange ability for Xiangzhou Port sea area. The water exchange ability was simulated in Xiangzhou Port sea area after the verification of numerical model.The result shows that the initial concentration reduced to 1%needs 10 days,and reduced to 1‰needs 16 days in Xiangzhou Port sea area.The water exchange ability is relatively weak,because the flow velocity is a little small due to the effect of Zhuhai opera,Yeli island and the jetty.The concentration of inorganic nitrogen is over the fourth class water quality standards in Xiangzhou Port sea area,and the land emissions should be reduced to strengthen environmental protection.

water exchange;numerical modeling;Xiangzhou Port

TV 131；O 242.1

A

1005-8443（2016）01-0039-07

2015-05-04；

2015-07-06

華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室基金項目資助（SKLEC-KF201313）

英曉明(1979-)，男，遼寧昌圖人，博士，工程師，主要從事河口海岸環境動力學方面研究工作。

Biography：YING Xiao-ming（1979-），male，engineer.