半封闭式港湾水动力特性分析——以香洲港为例

杨裕桂,宣小铭,刘国珍,佟晓蕾,袁菲

(1.珠江水利委员会珠江水利科学研究院,广东 广州 510611;2.水利部珠江河口治理与保护重点实验室,广东 广州 510611;3.河海大学,江苏 南京 210098)

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,港湾的自净能力较弱。香洲渔港规划方案为在现有陆域(现状码头和防波堤)基础上,以桩基为结构形式的透水平台,将香洲港北堤规划建设为集智能船务、旅游、商业服务为一体的港务综合体。

目前,珠海海燕桥周边景观工程、珠海香洲渔港改造及改造二期工程已开工建设,后续工程建设也陆续提上日程。由于该区域位于伶仃洋西侧水域,系列工程建设阻碍区域的涨落潮流,弱化该区域及周边水域的水动力,降低区域的水体交换能力,对水质产生不利影响。关于水体交换和泄洪纳潮方面的研究,国内学者较为关注。蒋昌波等[2]利用平面二维数学模型对广西北部湾铁山湾建港前后的水体交换能力进行了分析;黄少彬等[3]通过MIKE3模型对珠江口水体交换进行了研究;高飞等[4]采用平面二维污染物质移流扩散的数学模型,模拟通州湾港区保守污染物质扩散变化过程;肖天葆等[5]基于二维非结构有限体积数值模型,对博贺渔港改扩建前后水体交换能力开展了数值模拟研究,评估工程前后港内水体半交换周期;陆永军等[6]开展水动力泥沙数学模拟计算和物理模型试验对伶仃洋茅洲河口的泄洪纳潮问题进行了研究;何用等[7]采用遥感影像解译技术研究了不同类别大型涉水工程对泄洪的影响。

前人对香洲港的研究较少,吴琼等[8]以香洲港为例,计算分析全闭合式防波堤、不同开口宽度的防波堤布置方案下,湾内水体交换条件及污染物输移扩散规律的差异;英晓明等[9]利用Delft3D数值模式建立模型模拟了香洲港海域水体交换能力,结果表明香洲港海域从初始浓度下降为1%需10 d时间,下降为1‰需16 d时间。本文以珠海市香洲港为研究对象,采用数学模型计算和分析了香洲港规划方案对区域水体交换和泄洪纳潮的影响,该研究对香洲港的开发利用具有一定的参考价值。

1 研究区域概况

为了与经济发展相匹配,珠海市政府拟对香洲渔港进行改建,将其打造成集娱乐区、酒店区、文化区、码头公园等功能于一体的多功能地带,以便给市民提供丰富多元的滨水体验。珠海市香洲渔港初建于1957年,地处珠海市城区中心情侣路的海湾上,港内水域面积85.87万m2,防波堤长500 m,可同时停泊渔船800多艘,年进出港船达4万多艘次。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Ⅳ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[8]。湾内水下地形起伏变化不大,水深较浅,香洲港海域水深基本在4 m以内[9]。

本研究区域地处珠海,近邻澳门,位于伶仃洋西滩南部的香洲湾内。香洲港落潮期流速大于涨潮期流速,大潮期流速大于小潮期,港区及南北两侧浅滩潮周期平均流速为0.05～0.10 m/s,总体流速不大,香洲港所在的西滩南部水域平均含沙量约为0.04～0.06 kg/m3。香洲港水域水体主要来自南侧的伶仃洋水域,伶仃洋北起虎门南至澳门、大濠岛,以淇澳岛—内伶仃岛—赤湾延线将其分为内、外伶仃洋[10],其东岸多湾、西岸多滩,水下地形呈“三滩两槽”格局[11]。伶仃洋的潮汐主要来自通过吕宋海峡的太平洋潮汐传播,属不正规半日混合潮[12],平均潮差在1.08～1.69 m,潮差具有由南部湾口向北部湾顶逐渐递增的特点,在虎门达到最大,最大潮差为1.69 m[13]。伶仃洋属亚热带海洋性季风气候,年平均气温较高,夏季高温多雨,气候潮热[14]。

2 模型的建立与验证

根据香洲港最新的规划方案,香洲港规划在现有陆域(现状码头和防波堤)基础上,以桩基为结构形式,增加水域上的建筑面积,这将进一步削弱区域内的水动力。为此,采用数学模型计算分析规划方案对区域水动力和泄洪纳潮的影响。

2.1 计算方法

本模型采用的计算方法为有限体积法(FVM),即将计算域划分成若干非规则形状的单元或控制体[15]。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。

FVM正是对于推导原始微分方程所用控制体积方法的回归,与FDM和FEM的数值逼近相比,其物理意义更直接明晰。跨控制体间界面运输的通量,对相邻控制体来说大小相等,方向相反,故对整个计算域来说,沿所有内部边界的通量相互抵消。对由一个或多个控制体组成的任意区域,以致整个计算区域,都严格满足物理守恒定律,不存在守恒误差,且能正确计算间断。

2.2 模型研究范围

数学模型研究采用2020年11月内伶仃洋的水文地形资料,模型范围与之配套,上游边界为流量边界,设置在珠江河口八大口门控制站断面,下游边界为水位边界,设置在-50 m等高线附近,其水位由海洋潮汐模型计算获得。本文研究区域位于香炉湾香洲港,局部范围内网格根据现状、已批待建、规划的边界划分,网格最小尺寸5 m,见图1。

图1 模型范围及研究网格

2.3 模型验证

模型验证采用“2020·06”洪季、“2019·12”枯季进行伶仃洋潮流进行验证,采用“2020·1116”枯季大潮对研究区域局部潮流进行验证,各验证水文组合时间段见表1。数学模型潮位过程验证见图3、5、6。可见模型潮位过程与实测潮位过程相位一致,高低潮误差总体小于10 cm,满足规范要求。模型采用“2020·1116”大潮、“2020·06”洪季大中小潮进行流速验证,流速测点位置见图2,流速过程见图4、7、8。从香洲港附近水域来看,香洲港附近水域流速总体较小,采用本文开展的“2020·1116”大潮进行流速验证,流速计算过程与实测过程基本一致,流速误差绝对值较小;从伶仃洋水域来看,采用“2020·06”洪季流速过程进行验证,流速计算过程与实测过程基本一致,流速误差一般在10%以内,满足规范精度要求。

表1 验证水文组合

图2 验证测点布置

3 水动力特性研究

3.1 计算方案

新增规划区域采用桩基结构形式,规划阶段缺少详细的桩基布局,故数学模型采用综合糙率的方法对桩基阻力进行概化。桩基密度参考已建桥梁桩基密度,桩距10～20 m不等,将计算水域的海床糙率分成二部分:一是基本糙率,即无水工建筑物的海床糙率;二是等效糙率,即考虑了水工建筑物影响的等效糙率。基本糙率由模型在无工程条件下率定所得,等效糙率采用南科院的桩群阻力研究成果[16],规划方案实施前后糙率分布见图9。

a)规划前(含已批工程)

3.2 计算水文组合

a)水体交换水文组合。珠江河口潮汐具有典型的半月潮特征,潮汐在半个月内具有大小潮的变化。为了反应实际情况,水体交换计算组合选取时间序列较长、具有大小潮变化的水文组合。“2020·06”洪季组合经历小潮到大潮的变化过程,初期潮差较小,对交换相对不利,因此将作为水体交换计算水文组合,见图10。

图10 数学模型水体交换计算潮型(“2020·06”洪季组合)

b)初始场。为了研究香洲港内的水体交换速度,将海燕桥以北、防波堤断面以东范围内初始值设为100,见图11。

图11 水体交换计算初始场

3.3 泄洪纳潮影响分析

3.3.1流场变化

香洲港水域潮流具有南侧(海燕桥)和东侧(进港航道)2个潮流进出通道。本文水文观测表明,香洲港水域存在4种流态,分别为2个通道同涨、同落和南进东出、东进南出。规划方案实施后,香洲港仍然保持4种流态,实施前后的流场见图12,流速变化等值线见图13。

图12 不同规划方案实施前后流场

由规划实施前后流场可以看出,规划方案实施后香洲港及周边水域整体流态变化不大,局部流速流向略有调整,港内流态仍然多变,整体流势较弱,规划透水建筑物区内流速减小,区外流速增大,港池进出口口外流速减小。具体变化为:在同时涨潮(南侧进口和东侧进口均向港内进流)条件下,自海燕桥进入的潮流略有减弱,并经过海燕桥缩窄段后向东偏转,自进港航道进入的涨潮流受防波堤段透水建筑物阻水影响,主槽流速略有增大,并向南偏转,两者交汇的位置与现状基本一致,汇合后仍在港区西北角形成顺时针回流,流速略有减弱。

南进东出涨潮(南侧进口向港内进流、东侧进口向港外出流)条件下,南进东出涨潮整体流向变化不大,但受规划方案透水建筑物阻水影响,自海燕桥的涨潮流略有减弱,约0.01 m/s,港区内自西南至东北的流势增强,流速略有增大;港区西北角和防波堤沿线流速减小。

东进南出落潮(东侧进口向港内进流、南侧进口向港外出流)条件下,港区流态在落潮初期与现状基本一致,但防波堤沿线和港区西北角流速略有减小,东侧和南侧进口之间的连线区域流速略有增大,变化幅度约0.01 m/s。

同时落潮(东侧进口和南侧进口向港外出流)条件下,港区内防波堤沿线和港区西北角流速减小0.01～0.03 m/s,东侧和南侧进口之间的连线区域流速略有增大,港区东侧和南侧进口流速总体呈减小趋势。

3.3.2潮量变化

统计海燕桥、防波堤、鸡笼山3个断面在规划实施后的潮量变化,见表2。在规划方案实施后,香洲港水域纳潮量出现一定程度的减小,海燕桥断面涨潮量减小0.9%,落潮量减小0.3%,防波堤断面而落潮量减小1%,而伶仃洋几乎无影响。

表2 规划方案实施后潮量变化 %

3.4 水体交换影响分析

规划方案实施后,香洲港水域流速和纳潮量出现一定程度的减小,对区域水体交换产生影响(图14、15)。分别对规划实施前后的水体交换进行了计算,保守物质初始浓度为100,第1、2、3、4天后浓度分布见图16、17,水体半交换周期见表3。

表3 规划方案实施前后水体半交换周期统计

图14 潮量统计断面

图15 统计分区

图16 现状和已批待建工程边界条件下浓度分布

图17 规划方案实施后浓度分布

由图可见,香洲港水体交换具有以下特征。

a)港区内水体交换速率差异较大,2个进出口连线区域水体交换较好,而港池西北角和东南角水体交换较弱。香洲渔港港池与外海通过南、东两个口门相连通。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南侧通过海燕桥进入湾内,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。2个进出口连线附近水域由于存在一边涨、一边出的流动状态,水体交换相对较好。

b)区域内水体半交换周期约3.2 d,局部交换周期更长。统计了区域的水体半交换周期(图15)。其中两进出口连线水域(A区)半交换周期接近3 d,西北侧水域水体半交换周期3～4 d,而新月路堤岸以南的东南角C区交换最慢,接近6 d。各区域内也存在较为显著的差异。

c)规划方案实施后,水体交换速率进一步减弱。规划方案实施后,区域内水体半交换周期增大1.7%,其中A区增幅较小、达1.2%,B区增大4.5%,C区增加8.5%。C区增大主要是因为规划作为湿地,进一步减小了水动力,未来将依靠湿地生态系统净化水体。

3.5 方案影响综合分析

由规划实施前后的水动力和水体交换计算结果表明,规划方案对伶仃洋泄洪纳潮影响很小,但香洲港内水动力总体较弱,水体交换总体较慢,规划方案实施后,水动力进一步减弱,水体交换速率进一步减弱。尤其是受防波堤和新月桥堤岸阻隔、已有和规划方案桩基阻水等的影响,香洲港西北角、东南角存在水体交换速度较慢的水域。分析香洲港水动力较弱的原因,主要包括地理位置、人类活动和泥沙淤积等方面的原因。

a)地理位置。香洲港位于伶仃洋西侧香炉湾的湾顶,而香炉湾远离伶仃洋涨潮潮主通道,湾内流速总体不大。

b)人类活动。香洲港北侧建设了渔港防波堤,离岸1.5 km,阻断了沿岸潮流通道。研究表明,香洲港水域被防波堤阻隔后,部分时刻涨落潮流需要绕过防波堤,减小了经过香洲港区域的潮流量。

c)泥沙淤积。香洲港位于伶仃洋西侧输沙通道上,泥沙来源丰富,具有良好的淤积环境。港区水深需要疏浚来维持,除港池外,港区四周存在低潮位出露或者水深较小的区域,如位于港区南侧的野狸岛与情侣路之间潮流通道,宽200 m,平均底高程-1.7 m,-3 m主槽宽度仅60 m,西侧近190 m河宽为浅滩,高程不足-1.5 m,淤积严重,阻碍潮流通过。

目前,香洲港水域水质总体相对较差,而香洲港东侧和南侧水域的水质相对较优,有必要在规划建设阶段提出改善水动力的措施,尤其是港区西北角、东南角,其中东南角规划布局湿地,将来通过湿地生态系统净化水体,而西北角临近城市主通道,临近布置了游艇等游乐设施,水环境要求较高,需要通过工程措施进一步提升该区域内的水动力,例如南口疏浚方案和港口路开口设闸方案。

4 结论

通过模型计算结果分析,香洲港规划方案实施后,对香洲港水域及周边海域水动力特性造成的影响为:方案实施后,水体交换速率进一步减弱。区域内水体半交换周期增大1.7%,其中两进出口连线水域(A区)水体半交换周期为3 d,增幅较小,达1.2%;西北侧水域(B区)半交换周期区为3.66 d,增大4.5%;新月路堤岸以南的东南角(C区)水体半交换周期区为5.8 d,增加8.5%。C区增大主要是因为规划作为湿地,进一步减小了水动力,未来将依靠湿地生态系统净化水体。香洲港在涨落潮不同阶段具有不同流态,港内流态复杂多变,流速小,规划透水建筑物建设后桩区范围(防波堤沿线、港区西北角)流速减小,港区进出口流速减小,减小幅度0.01～0.03 m/s,海燕桥断面涨潮量减小0.9%,落潮量减小0.3%,防波堤断面落潮量减小1%。表明规划方案实施后港区水动力进一步减弱。长期对水环境改善不利,采取水动力增强措施以改善区域水环境是必要的。