半封闭式港湾防波堤型式对湾内水动力环境的影响研究

吴 琼，李木桂，罗 欢

(1.珠江水利科学研究院，广东 广州 510611；2.广东省河湖生命健康工程技术研究中心，广东 广州 510611)

建于开敞水域的港口，为保证船舶安全停泊与装卸作业，需建造防波堤，形成半封闭式港湾。半封闭式港湾是指海湾口门宽度与岸线长度之比在0.01～0.10的港湾[1]，此类港湾仅通过口门与外海进行交换，且口门一般较窄，港湾自净能力较弱。随着沿海港口规模的迅速发展，工业污染、生活污水、养殖污水等排放量日益增加，加之湾内外水体交换不畅，极易导致湾内水环境质量下降，严重影响水域生态环境健康及港口的可持续发展。因此，国内学者对半封闭海湾的冲淤演变、水交换等方面较为关注[2-7]。夏华永等[8]对湛江湾的海岸工程可能引起的水动力环境变化进行了预测；魏皓等[9]以渤海为例，采用水质模型对水体半交换时间进行了模拟；龚旭东等[10]以东山湾为例，探讨了在半封闭海湾内进行大规模围填海对海湾水动力环境的影响；李雨[11]以汉班托塔港为例，对拟建工程项目完工后的人工岛内侧水域的水体交换率进行分析研究，探讨通过开挖明渠连接港池加强水体交换率，并对不同宽度、深度的明渠加强水体交换率做了对比；王金华等[12]对连云港港旗台作业区及防波堤工程前后水体交换能力进行了研究，结果表明防波堤工程建设后主港区的半交换周期从约5 d增加至22 d。以往研究主要考虑海湾天然水体交换条件或者工程建设对水体交换条件的影响，尚未见防波堤型式对湾内水动力环境影响的相关研究。本文以珠江河口香洲湾为研究对象，采用二维水动力水质数学模型，探索防波堤不同型式对湾内水动力环境的影响，分析湾内水体交换条件及污染物输移扩散规律的差异，为防波堤建设和港口水环境保护提供参考。

1 研究区概况

香洲渔港地处珠海市城区中心情侣路的海湾上(图1)，是经国家农业部公布的全国重点群众渔港，港内水域面积85.87万m2，可同时停泊渔船800多艘，年进出港船达4万多艘次，是珠江河口渔货交易的主要集散地之一。现状香洲渔港凭借北侧港口路、防波堤和南侧野狸岛及海燕桥的共同掩护，形成一个避风港湾(图2)。港口路由岸边向水域延伸671 m，防波堤由港口路尽头向水域延伸，全长913 m。海燕桥连接情侣路与野狸岛，距上游港口路1.73 km。港口路、防波堤、海燕桥和野狸岛之间的水域中分布着海关码头、珠海香洲客运码头、珠海市歌剧院、修船厂、防波堤、得月舫酒楼、临时工程码头、养蚝码头、渔港交通艇码头等设施。在情侣路上，从港口路到海燕桥之间，分布着7个排水口。目前珠海香洲渔港改造工程已经建成，珠海香洲渔港改造工程二期正在建设中，珠海海燕桥周边景观工程正在建设中。

图1 香洲渔港位置示意

图2 湾内工程现状布置

引用《珠海市海域海洋环境与资源现状调查报告》[13]2017年11月5—7日和2018年3月29—31日水质调查数据及广东海洋大学海洋资源与环境监测中心2018年4月20日的水质调查数据进行海水水质现状分析。3次监测的具体站位见图3。监测结果表明，香洲湾水域主要污染物为无机氮，平均含量处于《海洋水质标准》劣四类水平；活性磷酸盐平均含量约0.045 mg/L，基本达到海水第四类水质标准，其他指标满足第四类水质标准。对比湾内湾外水质现状数据，近岸水质明显劣于外海，香洲湾内(Z8点位)的无机氮和活性磷酸盐明显低于同一离岸水域(Z7和Z9)，特别是Z7点位无机氮和活性磷酸盐较高，可能原因是受凤凰河排水影响，凤凰河紧贴香洲湾北部入海，污染物在防波堤北部近岸水域聚集，随落潮流进入香洲湾，成为湾内主要污染源之一。

图3 海水水质监测点

2 数学模型及计算工况

2.1 研究范围

研究采用伶仃洋大范围二维潮流数学模型和工程局部二维潮流、水质耦合数学模型进行方案计算。研究范围上边界取自三角洲东四口门及磨刀门出口控制水文站，即取自虎门大虎站、蕉门南沙站、洪奇门冯马庙站、横门口横门站、及磨刀门灯笼山站；下边界取至外海30 m等深线；西边界至磨刀门三灶珠海机场；东边界至香港水域。大范围二维潮流数学模型区域宽约112 km，长约125 km，模拟水域面积约7 000 km2，共布网格844个×950个，工程附近水域网格进行局部加密，最小网格尺寸约为3 m×5 m。模型采用正交曲线网格，模型研究范围、网格布置见图4。工程局部地区岸线曲折、边界复杂，为了便于对岛屿、不规则海岸线、防波堤进行精确概化，局部二维模型选用三角形网格对计算水域进行剖分，局部模型网格布置见图5。

图4 大范围模型网格布置

图5 局部模型网格布置

2.2 基本方程

2.2.1大范围二维数学模型

伶仃洋大范围二维潮流数学模型基本方程包括连续方程和动量方程，贴体正交曲线坐标系下的潮流控制方程形式如下。

连续方程：

(1)

动量方程：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中θc对应离散单元的面通度，为网格中能够被流体通过的面积(网格面积减去网格中固体或障碍物的面积)与整个网格面积之比，定义在网格中心。θζ、θη分别为对应于离散单元的ζ、η方向线通度，为该方向上能够被流体通过的网格长度与该网格总长之比，定义在网格边界上。u、v为ζ、η方向流速分量，h为水位，H为水深，g为重力加速度，f为科氏力系数，ρ为水体密度，ρa为空气密度，wx为风速x向分量，Cw为风对水面剪切系数，σζζ、σηη、σζη、σηζ为应力项，τxx、τxy分别表示表面切应力在x、y方向的分量，系数Cζ、Cη其表达式如下：

(6)

(7)

(8)

其中，vt为紊动黏性系数，即:vt=au*H，式中a为系数，u*为摩阻流速；H为水深。

方程的离散化采用贴体坐标下曲线正交网格的交替差分法。通过坐标变换将计算区域变换成新坐标系下的规则区域，借助ADI法求解水流运动基本方程。

2.2.2局部二维数学模型

垂向平均的二维水动力数学模型控制方程包括1个连续性方程和2个动量方程，基本方程为：

(9)

(10)

(11)

海湾水交换问题的本质是湾内水体在流场中的对流-扩散问题。因此对流-扩散型的数值模型在物理上与海湾水交换问题更加一致。

(12)

式中C——指示剂浓度；kp——指示剂线性衰减率；CS——源的指示物浓度；S——污染物的源汇项；DV——垂向扩散系数；W——流速沿Z向的分量；FC——水平向扩散项，由下式确定：

(13)

式中Dh——水平扩散系数。

沿水深方向进行积分整理，得到沿水深平均的二维对流扩散方程：

(14)

hFC包含湍动扩散和由于流速、浓度沿深度分布不均匀引起的离散。

本模型采用的计算方法为有限体积法，即将计算域划分成若干非规则形状的单元或控制体。在计算出通过每个控制体边界法向输入输出的流量和动量通量后，对每个控制体分别进行水量和动量平衡计算，便得到计算时段末各控制体的平均水深和流速。

2.3 计算工况

2.3.1水体交换能力

以溶解态的保守性物质作为湾内水的示踪剂，建立对流-扩散型的海湾水交换数值模型。通过示踪剂浓度的时空分布来反应湾内、外水体的交换情况，计算原理为：给定湾内示踪剂的初始浓度假定为C0，某一时刻变成了C1，此时湾内水被外海水置换的比率为R=(C0-C1)/C0，相应余留在原位置没有被置换的水体比率为L=1-R=C1/C0，其假设条件是数学模型中这种物质在开边界给定的浓度为零。本研究港池内外水体交换能力的计算采用溶解性保守物质的对流扩散模型，主要是通过港池内一次性投放面源示踪剂，分析港池内外的示踪剂浓度分布，整个港池内采用面源示踪剂一次性投放，初始浓度为10 mg/L。计算工况包括全封闭式防波堤以及不同开口宽度(20、40、60、100 m)的防波堤布置方案。

2.3.2污染物输移扩散

根据监测数据，所在海域的主要超标因子为无机氮，凤凰河为香洲湾内水体的主要污染来源。因此选取无机氮作为评价指标，海域的初始浓度取实际监测浓度。凤凰河主要承接香洲水质净化厂尾水，香洲水质净化厂现有处理规模为8万m3/d，根据《香洲水质净化厂三期工程环境影响评价报告》[14]和《珠海市供水与排水治污中心2017年香洲水质净化厂三期工程PPP项目可行性研究报告》[15]，香洲水质净化厂三期工程排放的尾水量与一、二期工程的尾水量合计13.0万m3/d(4 745万m3/a)，其设计进出水水质各项污染因子浓度及排放量见表1。排污方式考虑连续恒定排放，设计排水量为1.5 m3/s，总氮(无机氮)浓度为15 mg/L。

表1 香洲水质净化厂排水情况统计

2.4 模型率定与验证

水流的验证包括“1998.6”洪水、“2007.8”大小潮。从验证成果(图6)可见：2种水文条件下各测站计算与实测的潮位过程线吻合较好，模型的涨、落潮历时和相位与原型实测资料基本一致，潮位特征值验证误差基本小于0.10 m，满足精度要求；流速计算结果与原型实测资料较为吻合，计算精度满足规范要求。可见，模型可以用于工程方案水动力影响的研究。

a)“1998.6”内伶仃岛潮位验证

e)“2007.8”内伶仃岛潮位验证

3 结果分析

3.1 水体交换条件

考虑港内工程建设前和全部建成后，在全封闭式防波堤布置方案及不同开口宽度(20、40、60、100 m)的防波堤布置方案下，第1天、第3天、第5天港池内示踪剂浓度分布状态见图7—11，不同区域示踪剂浓度下降速率差别较大。不同开口方案下，港池内示踪剂平均浓度随时间变化情况见表2、图12，港池内水体交换周期见表3。

a)1 d

a)1 d

a)1 d

a)1 d

a)1 d

表2 不同方案下港池内示踪剂平均浓度随时间变化

图12 不同开口方案下不同时刻湾内示踪剂浓度平均值变化

表3 不同方案下港池内水体置换周期对比

工程建设前，涨潮时，一股涨潮流经野狸岛东部由进港航道进入湾内，在野狸岛北部填海区的导流下，形成一逆时针方向绕流；另一股涨潮流经野狸岛西侧海燕桥进入湾内，直至环形港池中部，这两块水域水体首先得到交换；落潮时，原港池内水体由野狸岛西侧海燕桥流出湾外，另外港池东侧口门水域水体沿着野狸岛北部填海区东岸线紧贴野狸岛流出湾外。香洲渔港港池与外海通过南、东2个口门相连通，水体与外界交换相对较好。工程前港池内示踪剂平均浓度由初始的10.00 mg/L降为5.00、2.50 mg/L所需时间分别为37.0、79.5 h，其半交换周期为37 h，第1天、第3天和第5天的港池内示踪剂平均浓度分别为6.12、2.56、1.25 mg/L。工程后港池内示踪剂平均浓度由初始的10.00 mg/L降为5.00、2.50 mg/L所需时间分别为52、90 h，较工程前延长了15.0、6.5 h，其半交换周期为52 h，第1天、第3天和第5天的港池内示踪剂平均浓度分别为7.20、3.48、1.69 mg/L，较工程前相同时刻分别高出1.07、0.93、0.44 mg/L。

3.2 污染物输移扩散研究

本研究对工程后防波堤开口40 m的方案进行了污染物输移扩散模拟，以分析凤凰河污染源对香洲湾的水环境影响。香洲湾所在海域水质主要压力为无机氮，其次为活性磷酸盐，而COD污染压力并不明显，故选取无机氮作为评价指标。24、48、72、96 h后的无机氮浓度分布见图13。结果显示，凤凰河的污染物排入海域后，会在防波堤北部区域大量聚集，导致香洲湾北部水域水环境恶化，在潮汐动力的作用下，污染物随落潮流进入湾内，对湾内水环境造成不利影响，将进一步加剧湾内的无机氮污染压力。

a)24 h

c)72 h

分别在湾内北部(近开口处)和湾内南部(近新月桥处)设置采样点，提取水质模拟计算结果进行进一步分析，对比工程前及工程后防波堤开口40 m方案下的污染物浓度随时间变化规律，见图14、表4。

a)湾内北部

表4 不同时刻湾内不同位置的无机氮浓度对比

结果表明，由于凤凰河污染物在防波堤北部聚集，在落潮流的带动下，凤凰河的污染物将进入湾内，影响范围主要集中在香洲湾北部区域，导致防波堤开口附近水域的无机氮浓度增加0.2～0.4 mg/L，而在香洲湾南部区域(新月桥附近)，因水动力交换条件的改善作用，使得该区域水环境质量有所改善。选取24、48、72、120、144、168 h的浓度值对比见表4，湾内北部区域无机氮浓度较工程前增加0.14～0.52 mg/L，湾内南部区域无机氮浓度较工程前降低0.03～0.08 mg/L。

4 结论

港湾内工程建设对湾内水动力环境有一定程度影响，尤其是防波堤的建设，会直接导致湾内水体交换能力下降，因此研究防波堤的型式对防波堤建设和港口水环境保护具有重要意义。本文以香洲港为案例进行预测分析，结果表明：工程建设前湾内半交换周期为37 h，工程后建设全闭合式防波堤的方案下，湾内半交换周期为52 h，水体交换能力下降40%。防波堤开口宽度设置为20、40、60、100 m的不同方案下，湾内水体半交换周期较全闭合式防波堤方案分别提高5.0、11.0、14.0、14.5 h，可见，防波堤设置一定的开口宽度能显著改善湾内水体的水动力条件，开口40 m以上的方案对水动力改善效果明显优于开口20 m的方案，但开口40、60、100 m的3个方案效果区别并不显著。考虑污染源输入的情况下，凤凰河的污染物排入海域后，会在防波堤北部区域大量聚集，导致香洲湾北部水域水环境恶化，在潮汐动力的作用下，污染物随落潮流进入湾内，对湾内水环境造成不利影响，影响范围主要集中在香洲湾北部区域，导致防波堤开口附近水域的无机氮浓度增加0.20～0.40 mg/L，将进一步加剧湾内北部区域的无机氮污染压力，而湾内南部区域则因湾内整体水动力交换能力加强而有所改善。因此，防波堤的设计型式应从湾内水体交换条件、防波效果、污染物输移规律及工程投资等多角度综合考虑。