半封閉式港灣防波堤型式對灣內水動力環境的影響研究

吳 瓊，李木桂，羅 歡

(1.珠江水利科學研究院，廣東 廣州 510611；2.廣東省河湖生命健康工程技術研究中心，廣東 廣州 510611)

建于開敞水域的港口，為保證船舶安全停泊與裝卸作業，需建造防波堤，形成半封閉式港灣。半封閉式港灣是指海灣口門寬度與岸線長度之比在0.01～0.10的港灣[1]，此類港灣僅通過口門與外海進行交換，且口門一般較窄，港灣自凈能力較弱。隨著沿海港口規模的迅速發展，工業污染、生活污水、養殖污水等排放量日益增加，加之灣內外水體交換不暢，極易導致灣內水環境質量下降，嚴重影響水域生態環境健康及港口的可持續發展。因此，國內學者對半封閉海灣的沖淤演變、水交換等方面較為關注[2-7]。夏華永等[8]對湛江灣的海岸工程可能引起的水動力環境變化進行了預測；魏皓等[9]以渤海為例，采用水質模型對水體半交換時間進行了模擬；龔旭東等[10]以東山灣為例，探討了在半封閉海灣內進行大規模圍填海對海灣水動力環境的影響；李雨[11]以漢班托塔港為例，對擬建工程項目完工后的人工島內側水域的水體交換率進行分析研究，探討通過開挖明渠連接港池加強水體交換率，并對不同寬度、深度的明渠加強水體交換率做了對比；王金華等[12]對連云港港旗臺作業區及防波堤工程前后水體交換能力進行了研究，結果表明防波堤工程建設后主港區的半交換周期從約5 d增加至22 d。以往研究主要考慮海灣天然水體交換條件或者工程建設對水體交換條件的影響，尚未見防波堤型式對灣內水動力環境影響的相關研究。本文以珠江河口香洲灣為研究對象，采用二維水動力水質數學模型，探索防波堤不同型式對灣內水動力環境的影響，分析灣內水體交換條件及污染物輸移擴散規律的差異，為防波堤建設和港口水環境保護提供參考。

1 研究區概況

香洲漁港地處珠海市城區中心情侶路的海灣上(圖1)，是經國家農業部公布的全國重點群眾漁港，港內水域面積85.87萬m2，可同時停泊漁船800多艘，年進出港船達4萬多艘次，是珠江河口漁貨交易的主要集散地之一。現狀香洲漁港憑借北側港口路、防波堤和南側野貍島及海燕橋的共同掩護，形成一個避風港灣(圖2)。港口路由岸邊向水域延伸671 m，防波堤由港口路盡頭向水域延伸，全長913 m。海燕橋連接情侶路與野貍島，距上游港口路1.73 km。港口路、防波堤、海燕橋和野貍島之間的水域中分布著海關碼頭、珠海香洲客運碼頭、珠海市歌劇院、修船廠、防波堤、得月舫酒樓、臨時工程碼頭、養蠔碼頭、漁港交通艇碼頭等設施。在情侶路上，從港口路到海燕橋之間，分布著7個排水口。目前珠海香洲漁港改造工程已經建成，珠海香洲漁港改造工程二期正在建設中，珠海海燕橋周邊景觀工程正在建設中。

圖1 香洲漁港位置示意

圖2 灣內工程現狀布置

引用《珠海市海域海洋環境與資源現狀調查報告》[13]2017年11月5—7日和2018年3月29—31日水質調查數據及廣東海洋大學海洋資源與環境監測中心2018年4月20日的水質調查數據進行海水水質現狀分析。3次監測的具體站位見圖3。監測結果表明，香洲灣水域主要污染物為無機氮，平均含量處于《海洋水質標準》劣四類水平；活性磷酸鹽平均含量約0.045 mg/L，基本達到海水第四類水質標準，其他指標滿足第四類水質標準。對比灣內灣外水質現狀數據，近岸水質明顯劣于外海，香洲灣內(Z8點位)的無機氮和活性磷酸鹽明顯低于同一離岸水域(Z7和Z9)，特別是Z7點位無機氮和活性磷酸鹽較高，可能原因是受鳳凰河排水影響，鳳凰河緊貼香洲灣北部入海，污染物在防波堤北部近岸水域聚集，隨落潮流進入香洲灣，成為灣內主要污染源之一。

圖3 海水水質監測點

2 數學模型及計算工況

2.1 研究范圍

研究采用伶仃洋大范圍二維潮流數學模型和工程局部二維潮流、水質耦合數學模型進行方案計算。研究范圍上邊界取自三角洲東四口門及磨刀門出口控制水文站，即取自虎門大虎站、蕉門南沙站、洪奇門馮馬廟站、橫門口橫門站、及磨刀門燈籠山站；下邊界取至外海30 m等深線；西邊界至磨刀門三灶珠海機場；東邊界至香港水域。大范圍二維潮流數學模型區域寬約112 km，長約125 km，模擬水域面積約7 000 km2，共布網格844個×950個，工程附近水域網格進行局部加密，最小網格尺寸約為3 m×5 m。模型采用正交曲線網格，模型研究范圍、網格布置見圖4。工程局部地區岸線曲折、邊界復雜，為了便于對島嶼、不規則海岸線、防波堤進行精確概化，局部二維模型選用三角形網格對計算水域進行剖分，局部模型網格布置見圖5。

圖4 大范圍模型網格布置

圖5 局部模型網格布置

2.2 基本方程

2.2.1大范圍二維數學模型

伶仃洋大范圍二維潮流數學模型基本方程包括連續方程和動量方程，貼體正交曲線坐標系下的潮流控制方程形式如下。

連續方程：

(1)

動量方程：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中θc對應離散單元的面通度，為網格中能夠被流體通過的面積(網格面積減去網格中固體或障礙物的面積)與整個網格面積之比，定義在網格中心。θζ、θη分別為對應于離散單元的ζ、η方向線通度，為該方向上能夠被流體通過的網格長度與該網格總長之比，定義在網格邊界上。u、v為ζ、η方向流速分量，h為水位，H為水深，g為重力加速度，f為科氏力系數，ρ為水體密度，ρa為空氣密度，wx為風速x向分量，Cw為風對水面剪切系數，σζζ、σηη、σζη、σηζ為應力項，τxx、τxy分別表示表面切應力在x、y方向的分量，系數Cζ、Cη其表達式如下：

(6)

(7)

(8)

其中，vt為紊動黏性系數，即:vt=au*H，式中a為系數，u*為摩阻流速；H為水深。

方程的離散化采用貼體坐標下曲線正交網格的交替差分法。通過坐標變換將計算區域變換成新坐標系下的規則區域，借助ADI法求解水流運動基本方程。

2.2.2局部二維數學模型

垂向平均的二維水動力數學模型控制方程包括1個連續性方程和2個動量方程，基本方程為：

(9)

(10)

(11)

海灣水交換問題的本質是灣內水體在流場中的對流-擴散問題。因此對流-擴散型的數值模型在物理上與海灣水交換問題更加一致。

(12)

式中C——指示劑濃度；kp——指示劑線性衰減率；CS——源的指示物濃度；S——污染物的源匯項；DV——垂向擴散系數；W——流速沿Z向的分量；FC——水平向擴散項，由下式確定：

(13)

式中Dh——水平擴散系數。

沿水深方向進行積分整理，得到沿水深平均的二維對流擴散方程：

(14)

hFC包含湍動擴散和由于流速、濃度沿深度分布不均勻引起的離散。

本模型采用的計算方法為有限體積法，即將計算域劃分成若干非規則形狀的單元或控制體。在計算出通過每個控制體邊界法向輸入輸出的流量和動量通量后，對每個控制體分別進行水量和動量平衡計算，便得到計算時段末各控制體的平均水深和流速。

2.3 計算工況

2.3.1水體交換能力

以溶解態的保守性物質作為灣內水的示蹤劑，建立對流-擴散型的海灣水交換數值模型。通過示蹤劑濃度的時空分布來反應灣內、外水體的交換情況，計算原理為：給定灣內示蹤劑的初始濃度假定為C0，某一時刻變成了C1，此時灣內水被外海水置換的比率為R=(C0-C1)/C0，相應余留在原位置沒有被置換的水體比率為L=1-R=C1/C0，其假設條件是數學模型中這種物質在開邊界給定的濃度為零。本研究港池內外水體交換能力的計算采用溶解性保守物質的對流擴散模型，主要是通過港池內一次性投放面源示蹤劑，分析港池內外的示蹤劑濃度分布，整個港池內采用面源示蹤劑一次性投放，初始濃度為10 mg/L。計算工況包括全封閉式防波堤以及不同開口寬度(20、40、60、100 m)的防波堤布置方案。

2.3.2污染物輸移擴散

根據監測數據，所在海域的主要超標因子為無機氮，鳳凰河為香洲灣內水體的主要污染來源。因此選取無機氮作為評價指標，海域的初始濃度取實際監測濃度。鳳凰河主要承接香洲水質凈化廠尾水，香洲水質凈化廠現有處理規模為8萬m3/d，根據《香洲水質凈化廠三期工程環境影響評價報告》[14]和《珠海市供水與排水治污中心2017年香洲水質凈化廠三期工程PPP項目可行性研究報告》[15]，香洲水質凈化廠三期工程排放的尾水量與一、二期工程的尾水量合計13.0萬m3/d(4 745萬m3/a)，其設計進出水水質各項污染因子濃度及排放量見表1。排污方式考慮連續恒定排放，設計排水量為1.5 m3/s，總氮(無機氮)濃度為15 mg/L。

表1 香洲水質凈化廠排水情況統計

2.4 模型率定與驗證

水流的驗證包括“1998.6”洪水、“2007.8”大小潮。從驗證成果(圖6)可見：2種水文條件下各測站計算與實測的潮位過程線吻合較好，模型的漲、落潮歷時和相位與原型實測資料基本一致，潮位特征值驗證誤差基本小于0.10 m，滿足精度要求；流速計算結果與原型實測資料較為吻合，計算精度滿足規范要求。可見，模型可以用于工程方案水動力影響的研究。

a)“1998.6”內伶仃島潮位驗證

e)“2007.8”內伶仃島潮位驗證

3 結果分析

3.1 水體交換條件

考慮港內工程建設前和全部建成后，在全封閉式防波堤布置方案及不同開口寬度(20、40、60、100 m)的防波堤布置方案下，第1天、第3天、第5天港池內示蹤劑濃度分布狀態見圖7—11，不同區域示蹤劑濃度下降速率差別較大。不同開口方案下，港池內示蹤劑平均濃度隨時間變化情況見表2、圖12，港池內水體交換周期見表3。

a)1 d

a)1 d

a)1 d

a)1 d

a)1 d

表2 不同方案下港池內示蹤劑平均濃度隨時間變化

圖12 不同開口方案下不同時刻灣內示蹤劑濃度平均值變化

表3 不同方案下港池內水體置換周期對比

工程建設前，漲潮時，一股漲潮流經野貍島東部由進港航道進入灣內，在野貍島北部填海區的導流下，形成一逆時針方向繞流；另一股漲潮流經野貍島西側海燕橋進入灣內，直至環形港池中部，這兩塊水域水體首先得到交換；落潮時，原港池內水體由野貍島西側海燕橋流出灣外，另外港池東側口門水域水體沿著野貍島北部填海區東岸線緊貼野貍島流出灣外。香洲漁港港池與外海通過南、東2個口門相連通，水體與外界交換相對較好。工程前港池內示蹤劑平均濃度由初始的10.00 mg/L降為5.00、2.50 mg/L所需時間分別為37.0、79.5 h，其半交換周期為37 h，第1天、第3天和第5天的港池內示蹤劑平均濃度分別為6.12、2.56、1.25 mg/L。工程后港池內示蹤劑平均濃度由初始的10.00 mg/L降為5.00、2.50 mg/L所需時間分別為52、90 h，較工程前延長了15.0、6.5 h，其半交換周期為52 h，第1天、第3天和第5天的港池內示蹤劑平均濃度分別為7.20、3.48、1.69 mg/L，較工程前相同時刻分別高出1.07、0.93、0.44 mg/L。

3.2 污染物輸移擴散研究

本研究對工程后防波堤開口40 m的方案進行了污染物輸移擴散模擬，以分析鳳凰河污染源對香洲灣的水環境影響。香洲灣所在海域水質主要壓力為無機氮，其次為活性磷酸鹽，而COD污染壓力并不明顯，故選取無機氮作為評價指標。24、48、72、96 h后的無機氮濃度分布見圖13。結果顯示，鳳凰河的污染物排入海域后，會在防波堤北部區域大量聚集，導致香洲灣北部水域水環境惡化，在潮汐動力的作用下，污染物隨落潮流進入灣內，對灣內水環境造成不利影響，將進一步加劇灣內的無機氮污染壓力。

a)24 h

c)72 h

分別在灣內北部(近開口處)和灣內南部(近新月橋處)設置采樣點，提取水質模擬計算結果進行進一步分析，對比工程前及工程后防波堤開口40 m方案下的污染物濃度隨時間變化規律，見圖14、表4。

a)灣內北部

表4 不同時刻灣內不同位置的無機氮濃度對比

結果表明，由于鳳凰河污染物在防波堤北部聚集，在落潮流的帶動下，鳳凰河的污染物將進入灣內，影響范圍主要集中在香洲灣北部區域，導致防波堤開口附近水域的無機氮濃度增加0.2～0.4 mg/L，而在香洲灣南部區域(新月橋附近)，因水動力交換條件的改善作用，使得該區域水環境質量有所改善。選取24、48、72、120、144、168 h的濃度值對比見表4，灣內北部區域無機氮濃度較工程前增加0.14～0.52 mg/L，灣內南部區域無機氮濃度較工程前降低0.03～0.08 mg/L。

4 結論

港灣內工程建設對灣內水動力環境有一定程度影響，尤其是防波堤的建設，會直接導致灣內水體交換能力下降，因此研究防波堤的型式對防波堤建設和港口水環境保護具有重要意義。本文以香洲港為案例進行預測分析，結果表明：工程建設前灣內半交換周期為37 h，工程后建設全閉合式防波堤的方案下，灣內半交換周期為52 h，水體交換能力下降40%。防波堤開口寬度設置為20、40、60、100 m的不同方案下，灣內水體半交換周期較全閉合式防波堤方案分別提高5.0、11.0、14.0、14.5 h，可見，防波堤設置一定的開口寬度能顯著改善灣內水體的水動力條件，開口40 m以上的方案對水動力改善效果明顯優于開口20 m的方案，但開口40、60、100 m的3個方案效果區別并不顯著。考慮污染源輸入的情況下，鳳凰河的污染物排入海域后，會在防波堤北部區域大量聚集，導致香洲灣北部水域水環境惡化，在潮汐動力的作用下，污染物隨落潮流進入灣內，對灣內水環境造成不利影響，影響范圍主要集中在香洲灣北部區域，導致防波堤開口附近水域的無機氮濃度增加0.20～0.40 mg/L，將進一步加劇灣內北部區域的無機氮污染壓力，而灣內南部區域則因灣內整體水動力交換能力加強而有所改善。因此，防波堤的設計型式應從灣內水體交換條件、防波效果、污染物輸移規律及工程投資等多角度綜合考慮。