深圳河徑流量對深圳灣水體交換影響數值模擬研究

孟江山+張功瑾

摘 要：以建立的深圳灣二維潮流水質數學模型為基礎，研究了深圳河徑流量對深圳灣水體交換的影響。研究表明，深圳河清水下泄時，深圳灣水體半交換周期隨深圳河徑流量的增大而減小，當徑流量小于20m3/s時，深圳灣大橋北側水域水體半交換周期大于整個深圳灣，大于20m3/s時，深圳灣大橋北側水域水體半交換周期小于整個深圳灣。深圳灣大橋南側水域，水體半交換周期基本穩定在16～17天之間。深圳河排污時，深圳灣水體半交換周期明顯增大。

關鍵詞：深圳灣；水體交換；CJK3D-WEM；數值模擬

中圖分類號：U652.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2017）03-0057-03

深圳灣位于深圳市和香港市之間，隨著社會經濟的發展，大量生活、工業污水進入深圳灣，深圳灣的水質問題越來越突出，這與珠江口水動力弱，深圳灣水體交換能力差也有一定關系。本文旨在研究現狀條件下深圳灣的水體交換問題，探索深圳河徑流量與深圳灣水體交換的關系，為改善深圳灣水質問題提供技術支撐。關于水體交換問題的研究，目前一般有兩種方法，物理模型和數學模型。物理模型一般采用示蹤劑方法，如何夢云研究了改善深圳前海水質問題的措施。數學模型通常采用示蹤劑或水質點停留時間來分析，如何杰以珠江口南沙港區挖入式港池為例，通過數學模型示蹤劑方法模擬了港池的水體交換狀況；路川藤研究了長江口北槽壩田污染物擴散運移情況；萬由鵬通過水質點停留時間分析，認為深圳灣在低、高潮位時刻投加示蹤劑停留時間差異很大，平均停留時間為5.39d，深圳灣沿著中軸線由內灣至灣口，停留時間逐漸減小，灣內8d左右，到灣口，停留時間約為2d。水體交換研究在空間上多為中尺度和小尺度研究，主要研究局部水動力問題。如劉新成、黃少彬分別研究了中尺度條件下長江口與杭州灣、珠江口的水體交換問題；張瑋、英曉明分別研究了小尺度條件下連云港徐圩港區、珠海香洲港水體交換問題。關于深圳灣水體交換的研究相對較少，除文獻外，任華堂分析了季深圳灣水污染輸移擴散特性，萬由鵬認為深圳灣枯水期和豐水期的平均水體交換時間分別為14.52d和8.95d。本文在前人研究的基礎上，深入研究深圳灣水體交換問題并探索深圳河徑流量與深圳灣水體交換的關系。

1 數學模型

1.1 數值模擬軟件

數學模型采用南京水利科學研究院開發的水環境數值模擬軟件CJK3D-WEM計算。該軟件于2012年取得國家軟件著作權登記（軟著登字第0433442號），2013年通過中國工程建設標準化協會水運專業委員會組織的軟件鑒定，并納入“水運工程計算機軟件登記”（目錄號：KY-2013-01）。適用于江河湖泊、河口海岸等涉水工程中的水動力、泥沙、水質、溫排、溢油模擬預測研究。

1.2 數學模型范圍與參數

數學模型上邊界至大虎山，蕉門一帶，下邊界至桂山島上游，模型總長約71km，如圖1。整個模擬水域采用三角形網格單元，單元總數33323個，最小網格邊長30m，最大網格邊長1225m。數學模型時間步長30s，動邊界水深取0.02m，紊動粘性系數取常數1.0，糙率取0.013+0.012/h（h表示水深），水質模型擴散系數取2。

1.3 數學模型驗證

數學模型地形采用珠江口2010年大范圍實測地形。數學模型驗證采用2004年10月17日14：00～10月18日14：00大潮潮型，驗證點位置如圖2所示。由潮位潮流驗證圖（圖3）知，高低潮位偏差基本在0.10m之內，且相位符合良好，平均流速偏差基本10%范圍內，滿足規程要求。

1.4 計算條件

深圳灣入海徑流量較大的河流主要有深圳河、大沙河和元朗河（圖2）。深圳河常年徑流量在10～30m3/s之間，大暴雨時可達60m3/s，大沙河常年徑流量一般小于6 m3/s，元朗河常年徑流量一般小于3 m3/s，本文徑流主要考慮深圳河，大沙河與元朗河考慮恒定流量清水下泄。為做到盡量與天然水流動力相似，數學模型水動力條件采用大、中、小潮組合潮型，大潮潮差約為2.5m，小潮潮差約為1.2m。

初始計算時，深圳灣及深圳河放置濃度為1的保守污染物，深圳河下泄不同徑流量，具體計算工況組合如表1，共7種工況。計算時間為60天。

2 深圳灣水動力特征

2.1 潮波傳播特征

潮波自深圳灣口門向內灣方向傳播，潮差具有逐漸增大趨勢，如大潮潮位過程，采樣點見圖2，這與深圳灣為半封閉海灣有關系。深圳灣口門處A點大潮平均潮差為2.21m，至B點時為2.33m，C點為2.42m，D點為2.46m，潮差增加速度呈遞減趨勢。

2.2 水動力特征

深圳灣漲潮水動力明顯強于落潮，但歷時較短，大潮漲急流速一般在0.8～1.0m/s之間，落急基本小于0.8m/s。深圳灣漲落潮水動力分布趨勢基本類似，自口門向口內，水動力強度呈逐漸減弱趨勢。深圳灣口門處，南側水動力明顯強于北側，主要因為北側深圳港水深開挖較大；深圳灣大橋處，北側水動力強于南側，與口門處相反；內灣兩側淺水區水動力較弱，深槽內水動力相對較強。

3 深圳灣水體交換研究

圖3及表2為深圳河不同徑流量的清水下泄時，深圳灣的水體交換情況。對于整個深圳灣來說，隨著深圳河徑流量的增大，深圳灣水體半交換周期時間逐漸縮短，當深圳河無流量時，深圳灣水體半交換周期為34.6天，當深圳河徑流量為60m3/s時，深圳灣水體半交換周期為12.0天。對于深圳灣大橋北側水域，水體半交換周期亦隨深圳河徑流量增大而減小，與整個深圳灣類似，差別在于，當深圳河徑流量小于20m3/s時，深圳灣大橋北側水域半交換周期大于整個深圳灣，且徑流量越小，差別越大，見表2，當深圳河徑流量大于20m3/s時，深圳灣大橋北側水域半交換周期小于整個深圳灣，這主要因為考慮深圳河清水下泄，大橋北側污染物在下泄徑流的作用下向口外運動。對于深圳灣大橋南側水域，水體半交換周期基本穩定在16～17天之間。

上文未考慮深圳河排污影響，當深圳河排污時（濃度為1，徑流量為10m3/s），深圳灣水體交換情況如圖4。由圖知，當深圳河持續排污時，深圳灣水體半交換周期明顯增大，整個深圳灣為46.1天，相比清水下泄增加16.7天，大橋北側60天后，水體平均濃度為0.66，未到達水體半交換，大橋南側為16.8天，可見深圳河排污對深圳灣水體交換，尤其是內灣，影響較大。對深圳灣水質治理而言，嚴格控制排入深圳灣的污染源，對于改善深圳灣水質具有非常重要的作用。

4 結論

（1）潮波自深圳灣口門向內灣方向傳播，潮差逐漸增大，增加速度呈遞減趨勢。深圳灣漲潮水動力明顯強于落潮，深圳灣口門處，南側水動力明顯強于北側，深圳灣大橋處，北側水動力強于南側，內灣淺水區水動力較弱。

（2）深圳河清水下泄時，深圳灣水體半交換周期隨深圳河徑流量的增大而減小。當徑流量小于20m3/s時，深圳灣大橋北側水域半交換周期大于整個深圳灣，大于20m3/s時，則小于整個深圳灣。深圳灣大橋南側水域，水體半交換周期基本穩定在16～17天之間。深圳河排污時，深圳灣水體半交換周期明顯增大。

參考文獻：

[1] 何夢云，莫思平. 深圳前海水廊道水體交換物理模型試驗研究[J]. 人民長江，2016，05：17-22.

[2] 何杰，辛文杰. 潮汐河口挖入式港池水體交換研究[J]. 水利水電科技進展，2011，04：90-94.

[3] 路川藤，黃華聰，錢明霞. 長江口北槽丁壩壩田區潮流及污染物遷移擴散特征[J]. 河海大學學報（自然科學版），2016，03：265-271.