港口建設對水動力和水環境的綜合影響

周 芳，陳明波

(交通運輸部水運科學研究院，北京 100088)

中國沿海處于快速工業化和城市化形勢之下，大規模港口規劃建設活動一直以來是我國海洋資源利用的主要形式。港口建設活動的實施，將會產生大面積的區域圍填海，使得海灣水域面積逐漸縮小，伴隨著潮汐和潮流發生一定變化[1]，勢必對海灣的水動力條件、水體交換能力等水環境產生影響[2-5]。

本文以丹東大東港區為研究對象，水動力模擬以規劃港界范圍作為邊界條件，采用平面二維數值模型MIKE21FM進行預測分析，模擬分析了大東港區規劃建成后的潮流場變化情況，通過添加平面二維非恒定的對流-擴散模塊，進行懸浮物擴散預測。廢水排放預測分析采用物質輸運方程，通過差分數值模擬方法模擬典型污染物濃度場，預測分析港口建設廢水排水對水環境的影響。

1 港口建設周邊環境現狀

本文研究的港口建設區域為丹東大東港區，大東港區位于東港市南部，中朝界河鴨綠江西水道入海口西岸，南臨黃海，是東北東部地區最便捷的出海通道。大東港區從北至南已建4個作業區，包含大東作業區、東溝一作業區、東溝二作業區和東溝三作業區，各作業區按功能集中布置件雜貨碼頭、集裝箱碼頭、大型油品碼頭及大型散貨碼頭，已建作業區內人工碼頭岸線約12 km，填海造陸面積約22 km2。隨著大東港區規劃方案的實施，大東港區平面布置和作業區功能進行局部調整，規劃布局新增東溝四作業區。大東港區規劃實施后，將建設人工碼頭岸線約18 km，填海造陸面積約36 km2(新增用地全部填海造陸形成)。

大東港區周邊的水環境敏感目標有鴨綠江口濕地國家級自然保護區，濕地保護區總面積為814.3 km2，其中核心區160 km2，緩沖區200 km2，試驗區454.3 km2。大東港區位于自然保護區范圍外，緊鄰自然保護區邊界。大東港區規劃邊界與鴨綠江口濕地國家級自然保護區位置關系見圖1。

圖1 大東港區規劃邊界與鴨綠江口濕地國家級自然保護區位置關系

2 港口建設對水動力條件的影響

規劃的港界范圍(已建的大東、東溝一、東溝二、東溝三作業區和規劃的東溝四作業區)作為水動力模擬的邊界條件，采用平面二維數值模型MIKE21FM分析港區規劃建設用海對水動力的影響。MIKE21FM采用標準Galerkin 有限元法進行水平空間離散，在時間上，采用顯式迎風差分格式離散動量方程與輸運方程。該軟件具有算法可靠、計算穩定、界面友好、前后處理功能強大等優點。

2.1 計算網格和參數選取

2.1.1計算域

預測模型所建立的海域數學模型計算域坐標范圍為北緯39°08′15.11″～ 40°04′14.45″，東經123°09′00.51″～125°33′17.61″。模擬區內海域采用大網格，河道采用小網格，以實現對河道的良好擬合。

2.1.2網格設置

規劃實施前整個模擬區域由6 380個節點和10 965個三角單元組成，規劃實施后整個模擬區域由6 385個節點和10 950個三角單元組成；最小空間步長約20 m，最小時間步長0.5 s。為了清楚地反映規劃用海對附近海域水動力環境的影響，將港口附近海域網格進行加密。

2.1.3水深和岸界

水深和岸界選取1:100萬海圖(10011號)、1:25萬海圖(11100號、11300號)、1:15萬海圖(11110號、11310號)、1:2.5萬海圖(11131號)及工程區附近海域實測水深地形測量資料。

2.1.4大海域模型水邊界輸入

開邊界：A、B、C點均采用MIKE21全球模式預報所得連續潮位值作為開邊界輸入條件。

閉邊界：以大海域和規劃用海區周邊岸線作為閉邊界。

2.1.5計算時間步長和底床糙率

模型計算時間步長根據CFL條件進行動態調整，確保模型計算穩定進行，最小時間步長1.0 s。底床糙率通過曼寧系數進行控制，曼寧系數n取30～60 ms。

2.2 數值模型驗證

潮位驗證采用01號浮標(C1點)、3#(C2點)、大東港(C3點)3個站位2018年的大潮、中潮、小潮期間連續觀測資料進行驗證，潮流驗證采用規劃用海區周邊海域L1～L11共計11個潮流觀測站位2018年的實測資料進行驗證[6]。

圖2 模擬區內潮位及潮流驗證點分布

2.3 潮流場數值模擬結果

本文模擬了港口的現狀潮流場以及規劃后的潮流場，分析規劃實施對港區周邊海域的水動力環境的影響。其中潮流場的數值模擬預測分析結果(圖3)如下：

圖3 計算潮流場

漲急時，港口周邊海域潮流整體由SSW向NNE流，流速普遍在0.5～1.0 ms，航道內流速普遍在0.7～1.2 ms。受已建圍堰的掩護作用，各港池內的流速較小，均在0.15 ms以下；港池口門處，受已建圍堰的阻擋，過流斷面減小，漲潮流速較大，口門東側最大流速可達1.1 ms。第四作業區南圍堰南側，受規劃填海形成陸域的阻擋作用，漲潮流流速較小。

落急時，港口周邊海域潮流整體由NNE向SSW流，流速普遍在0.6～1.1 ms，航道內流速普遍在0.7～1.2 ms。受已建圍堰的掩護作用，各港池內的流速較小，均在0.25 ms以下；港池口門處，受已建圍堰的阻擋，過流斷面減小，落潮流速較大，口門東側最大流速可達1.45 ms。第四作業區南圍堰南側，受規劃填海形成陸域的阻擋作用，落潮流流速較小。

2.4 對水動力條件的影響分析

為了進一步分析規劃用海對周邊海域潮流場的影響程度，在以上數值模擬結果的基礎上，將規劃附近海域大潮期漲急與落急時的潮流場進行差值處理，得到規劃實施前后流速變化(圖4)，用以定量分析規劃實施對周邊海域潮流場的影響。

圖4 規劃實施后周邊海域流速變化

規劃實施后，受第四作業區填海的阻擋作用，四港池陸域南側水域漲急流速減小，最大減小幅度約0.5 ms，陸域兩側由于過水斷面減小，出現一定范圍漲急流速增大水域，增大幅度約0.2 ms。四港池內部漲急流速大幅度減小，大東水道上游受漲潮量減小影響，漲急流速有所減小。落急流速變化趨勢與漲急相似。四港池南側落急流速普遍減小，減小幅度略小于漲急，受四港池陸域阻擋作用，其兩側落急流速增大，四港池內部落急流速大幅度減小。

3 港口建設對水環境的影響

3.1 對懸浮物影響

3.1.1懸浮物源強估算

圍填海工程實施期間對懸浮物會產生一定的影響，懸浮物是施工期最主要的水域污染物，主要發生于疏浚工程及水工建筑物施工區域、吹填區溢流口。懸浮顆粒物的產生將對海洋生態環境產生明顯的擾動。疏浚作業懸浮物的源強取決于作業區域的泥沙粒徑及作業機械類別，港區岸線為粉砂淤泥質海岸，適用于大型絞吸式挖泥船進行疏浚作業，根據港區現有工程疏浚作業源強估算，大型絞吸式挖泥船疏浚期間懸浮物源強約為2.7 kgs。吹填區溢流作業須在圍堰預留溢流口，吹填區的泥漿水流經分隔圍堰、多道防污屏的沉隔，最后經溢流口排出。溢流口懸浮物發生量約為溢流量的2%～5%，溢流源強約為0.4 kgs。水工建筑構筑期間產生的懸浮物源強為1.4～3.7 kgs。航道和港池疏浚的作業范圍較大，而吹填溢流口和水工建筑施工區域的范圍較小，因此懸浮物影響以航道和港池疏浚為主。

3.1.2懸浮物擴散預測

潮流是海域污染物進行稀釋擴散的主要動力因素，在潮流場基礎上，通過添加預測模塊(平面二維非恒定的對流-擴散模型)，可進行懸浮物擴散預測。

(1)

式中：Dx、Dy為x、y方向的擴散系數；c為污染物濃度；F=aws，a為懸浮顆粒沉降機率，ws為懸浮顆粒平均沉降速度；u為懸浮物的起動速度；v為懸浮物的揚動速度；h為水深；s為懸浮物排入水體的源強。

圍填海工程實施期間，疏浚作業船舶引起的疏浚懸浮物具有一定的影響范圍，懸浮物增量為10 mgL濃度的影響海域主要集中于疏浚作業點周圍300 m×200 m范圍內。港區位于入海口，懸浮物本底濃度較高，因此，規劃實施期間產生的懸浮物擾動會產生一定的可控影響，不會對工程所在海域的水質和海洋生態環境產生顯著不良影響。且施工期懸浮物影響屬于暫時性的環境影響，一旦施工結束，其影響也會隨之結束。

3.2 對水環境的影響

3.2.1港區廢水排放源強計算

通過廢水統計分析，港區2030年廢水產生總量約為264.87萬ta，污水回用率按照《遼寧省循環經濟和生態環境保護“十一五”規劃》中的城市污水回用率目標值65%計算，則2030年廢水排放量約為92.7萬ta，即2 540 td，其中COD、石油類和氨氮的污染物濃度為50、3、8 mgL。大東港區現有排污口設在東溝一作業區中部，位于整個大東港區偏北側，規劃新增四港池后擬在三港池南側散貨作業區靠海側新增一個排污口，用于三、四作業區的廢水排放。

3.2.2廢水影響預測

本文水質模擬按規劃的港界范圍(已建的大東、東溝一、東溝二、東溝三作業區和規劃的東溝四作業區)作為邊界條件，采用物質輸運方程，通過差分數值模擬方法模擬典型污染物濃度場，用以定量地說明廢水排放對水質的影響程度。以下方程與沿深度平均的流體動力學基本方程組一并構成污染物擴散的基本方程組。

物質輸運方程為：

(2)

式中：P為污染物濃度；u、v分別為x、y向流速分量；Dx、Dy為x、y向擴散系數；S為污染物在單位時間的排放量速率；k為衰減系數；H為平均水深；p為污染物反應速率常數。

根據模擬結果(圖5)，至2030年規劃全部實施后，港區廢水經港區污水處理站處理達標后排放，并考慮65%回用的情況下，廢水排放口石油類、COD和氨氮的影響程度均較輕。COD增量大于3 mgL(海水水質二類標準)最大影響距離在400 m內；石油類增量大于0.05 mgL(海水水質二類標準)最大影響距離在240 m內；氨氮增量大于0.3 mgL(海水水質二類標準)最大影響距離在120 m內。排污口均設置在港區東側海域，受規劃填海區的阻擋作用，超過海水水質二類標準的控制范圍在排污口附近最遠400 m內，因此，不會擴散至港區西側的鴨綠江口濕地國家級自然保護區，對自然保護區的影響較小。

圖5 污染物擴散影響范圍

4 結語

1)港口建設會改變周邊海域的水動力環境條件，通過潮流場模擬預測分析，港區內漲落潮流速均有較大幅度的降低，水道上游受漲潮量減小影響，漲急流速有所減小。由于四港池陸域阻擋作用，其兩側漲落急流速增大，四港池內部落急流速大幅度減小。

2)圍填海施工對懸浮物會產生一定的影響，懸浮物影響以航道和港池疏浚為主，疏浚懸浮物影響海域主要集中于疏浚作業點周圍300 m范圍內。

3)遠期港區廢水考慮65%回用的情況下經污水處理站處理達標后排放，廢水排放口石油類、COD和氨氮的影響程度均較輕，污染物擴散受圍填海區域的阻擋作用，大大減少了水質的擴散范圍，廢水排放口各類污染物最大擴散范圍不超過400 m，對周邊水環境敏感目標的影響較小。