提升環(huán)抱式港池水交換能力研究進展

施逸辰，高 飛，張長寬

(河海大學 港口海岸與近海工程學院，南京 210098)

在港口規(guī)劃建設(shè)中，尤其是在江蘇省沿岸建港，由于具有灘涂寬廣、坡緩水淺、泥沙運動活躍的特點，為了使港池內(nèi)有良好的泊穩(wěn)度并阻止泥沙的流入，采用環(huán)抱式港池已成為主要形式。環(huán)抱式港池一方面具有泊穩(wěn)度高，泊位多、作業(yè)岸線長的優(yōu)點；另一方面伴隨港口碼頭的生產(chǎn)活動，大量污染物質(zhì)流入港池，港池單位面積水域的污染負荷較大，加之港池水域的封閉性強，水體流動性差，港池水體不能夠與港池外水體進行充分交換，因而導(dǎo)致港池水域內(nèi)的污染物質(zhì)難以被排出，港池內(nèi)水質(zhì)易惡化。

針對環(huán)抱式港池水質(zhì)易于惡化的問題，就如何促進和提升港池內(nèi)外的水體交換，國內(nèi)外眾多的學者和工程技術(shù)人員都已開展了大量的研究和工程技術(shù)開發(fā)工作。本文將對以往研究成果以及各種工程技術(shù)進行整理和比較，在通過對影響港池水交換能力的基本要素進行理論分析的基礎(chǔ)上，就今后如何提升港池水體交換能力和改善港灣水質(zhì)環(huán)境問題進行探討。

1 關(guān)于港池水體交換能力的研究進展

關(guān)于改善港池內(nèi)水質(zhì)，提升港池水體交換能力的研究，經(jīng)過發(fā)展和完善，已逐步形成了一套比較完整的體系。研究方法最初多是通過物理模型實驗來觀察模型中示蹤劑濃度在潮汐過程中的移流擴散分布的變化。近年，隨著計算技術(shù)的提高和計算設(shè)備的進步，通過數(shù)值模擬的方法建立水流中污染物質(zhì)移流擴散的數(shù)學模型已成為主要手段。判斷水交換能力好壞或工程技術(shù)效果有無的主要指標是采用港池內(nèi)保守污染物質(zhì)初始濃度減衰為半值時所需要的時間，亦就是所謂半交換周期。半交換周期長表明水交換能力低，反之則高。

海外發(fā)達國家進行該領(lǐng)域的研究工作相對較早，自上個世紀末就展開了大量的工作。以日本為例，主要工程技術(shù)研究包括三種方式。(1)在港池頂端位置引入河渠水體注入港池，將污染水體從港池口門帶出；(2)在港區(qū)各港池之間設(shè)置水流通道促進港池之間的水體流動，避免污染水體在死水域的停滯；(3)最多的研究則是通過海水交換型防波堤形成港池向內(nèi)或向外的單向水流，將污染水體帶出港池來提升港池內(nèi)外水體交換能力[1-3]。

我國開展關(guān)于港池水體交換能力的研究主要始于本世紀初。杜伊[4]得出封閉性海域水交換能力的強弱與納潮量的大小成正比。韓西軍等[5]通過分析流體運動指出環(huán)抱式港池水體運動特點是從口門進入到港池內(nèi)的水體僅在口門附近的區(qū)域內(nèi)運動。對策研究的方法之一是設(shè)置水體交換通道來促進港池內(nèi)外的水體流動來提高港池水體交換能力。比如何杰等[6-7]以浙江臺州溫嶺港、珠江口南沙港區(qū)挖入式港池為例，通過數(shù)模得出：增加港池內(nèi)外水體交換量最直接有效的辦法就是增加港池與外海的水體交換通道。例如，通過在港池頂端設(shè)置人工水渠可以提高港池頂端水體的交換速率。張瑋等[8-9]以連云港的徐圩港區(qū)與連云港港區(qū)為例，采用對流擴散數(shù)學模型，探討了包括水體交換通道等多種工程措施對提升港池水體交換能力的效果，得出設(shè)置水體交換通道的進潮量是提高港區(qū)水體交換能力的決定因素。方法二是通過向港池注水或抽水來提升港池水體交換能力。張瑋等[10]以連云港的徐圩港區(qū)為例，認為如果水量充分，利用排澇向港池注水的方式亦是比較合適的選擇。何夢云[11]等以深圳前海灣水廊道為例，采用物理模型試驗方法，觀察了通過對水廊道注水可加快水廊道內(nèi)的水體交換，顯著改善水廊內(nèi)水質(zhì)。此外，劉錦采用在防波堤上設(shè)置水體交換通道的方案來加強港內(nèi)外水體交換，通過數(shù)模比對工程措施前后港池水體交換能力，驗證了該工程措施的有效性。

近年隨著對海洋環(huán)境保護的重視和遵循建設(shè)綠色港口的方針，港口規(guī)劃設(shè)計中的環(huán)境評價體系正在得到進一步完善，近年在新建港口及對已建港口的擴改建規(guī)劃設(shè)計階段均增加了對港池水交換能力的研討，以及對港池和周邊水域水質(zhì)的環(huán)境評價工作[12]。因此，繼續(xù)開展提升港池水體交換能力的研究，開發(fā)更有效更經(jīng)濟的提升港池水體交換的工程技術(shù)是具有重要的工程和戰(zhàn)略上的意義。

2 提升港池水體交換能力的各種工程技術(shù)

關(guān)于如何有效提升環(huán)抱式港池水體交換能力，眾多學者及工程技術(shù)人員都已做了多種嘗試和努力。本文收集了各種工程技術(shù)，整理分類如下。

表1 提升港池水體交換能力的工程技術(shù)措施Tab.1 Engineering and technical measures to enhance the exchange capacity of harbor basin water

表1是按水流特點分類的。分類Ⅰ是利用噴流發(fā)生裝置等促進港池局部水體的垂向混合，防止深層水體缺氧等引起的水質(zhì)惡化。因其機理與本文討論的內(nèi)容略有不同，后文中將不再提及。在一個潮汐過程中，分類Ⅱ的水體通道和港池口門處的水流運動基本屬于往復(fù)流動。若忽略口門與水體通道位置的潮汐相位差，在每一次潮汐過程后，口門和通道處的凈流量基本為零。該類的水體交換量等于潮汐過程的納潮總量。機理是依靠水體混合稀釋，通過潔凈水體流入港池與港池內(nèi)污染物質(zhì)混合稀釋后流出港池的方式，來降低港池水體污染濃度。由于在一個往復(fù)流的過程后水質(zhì)點基本回到原有位置，因此分類Ⅱ的效果通常是有限的。分類Ⅲ則通過向港池注水(抽水)使得包括口門處的港池水體在一個潮汐過程里發(fā)生向口門外(內(nèi))的單方向流動。該分類的機理是除了依靠水體混合稀釋，更主要的是使水體向港池外移動，將污染水體直接帶出港池，因此效果較好。好比在炎熱夏天里，如果房間對向門窗打開形成“穿堂風”，房間的溫濕度將會很快下降感到?jīng)鏊粯?。本文不妨將這種單方向水流稱之為“穿港流”。該類技術(shù)中注入水體的量愈多，“穿港流”愈強，其降低水體污染濃度的效果則愈顯著。以下簡單介紹各種工程技術(shù)措施的特點。

(1)水體通道。單口門的環(huán)抱式港池內(nèi)的水流運動僅僅依靠口門處漲落潮流的往復(fù)流動。其流速隨口門向港池內(nèi)縱向距離的增加而遞減，港池頂端流速基本接近于零。因此，靠近港池頂端水域的水交換率通常最低。港池頂端往往是污染發(fā)生量最大位置，水交換率低就等同于水污染濃度高。若能在水交換率低下即水體污染濃度較高的位置處設(shè)置與港外互通的水體通道，潔凈水體就可以在流入港池后與污染濃度高的水體進行混合稀釋，再流出港池。這樣就使得每一次潮汐過程的水交換效率得到提高。

盡管設(shè)置水體通道后，港池的一個潮汐過程的總納潮量將會有所增加，但因為一部分納潮量通過新設(shè)水體通道流進流出，口門處或其他通道處的納潮量會相應(yīng)減少。因此，在新設(shè)水體通道附近局部水域的水體交換能力得到提高的同時，口門或其他通道附近水域的水體交換能力卻會相應(yīng)有所下降。設(shè)置水體通道時，除了要考慮所在位置的水體污染濃度外，港內(nèi)外潮位差、港外側(cè)的水源條件、泥沙、水動力環(huán)境，以及通道的通水面積等都是必須考慮的要素。此外，設(shè)置多通道將使得港池內(nèi)水體交換情況變得復(fù)雜，各個口門(通道)漲落潮存在差異，將在港池內(nèi)形成復(fù)雜的水流系統(tǒng)，產(chǎn)生許多附加影響。這是采用多通道方式必須要注意的方面。

圖1 利用水泵抽(灌)水促進港池水體交換示意圖Fig.1 Pumping (watering) with a water pump to promote the exchange of water in the basin

(2)抽(灌)水。如圖1所示，通過機械的方法利用水泵從港池向外抽水或向港池內(nèi)灌水。抽水是將港池中被污染水體抽出港池外；灌水是將潔凈水體注入港池，稀釋污染水體并使港池水體向港池口門外移動，以此來達到降低港池水體污染濃度的目的。

取水的水源可以是外海也可以是附近河流的潔凈水。根據(jù)港池水域大小可以調(diào)整水泵的容量和增減臺數(shù)。該方法除了初期投入，還需考慮運行后的能源和管理維護。

(3)引入河渠水。引河水或農(nóng)渠水注入港池，將污染水體排出港池口門外的方法。該方法在日本得到普遍的采用。小型河流或農(nóng)渠水在泥沙沉淀后直接注入港池；大型河流或距離較遠的一些河流可以經(jīng)取水路取水至港池。該方法的最大優(yōu)點是經(jīng)濟性好和提升港池水交換能力的效率高。

但是，該方法必須在港池周邊具備這樣的河流或農(nóng)渠的條件。并且，水源水質(zhì)、含沙量等都必須滿足一定的要求。再則，干旱、河流缺水的季節(jié)常存在著水源短缺的問題，比如夏季，此時也正是水質(zhì)容易惡化的季節(jié)。

(4)海水交換型防波堤。日本在本世紀初對海水交換型防波堤的研究開展的比較多，技術(shù)比較成熟，并在多數(shù)港灣得以應(yīng)用，如圖2所示。

2-a 原理圖(圖片引自日本電力技術(shù)研究所Techno-report 2011) 2-b 應(yīng)用例(日本三重縣)

圖2 海水交換型防波堤 Fig.2 Seawater exchange breakwater

該種方法根據(jù)目的的不同，有港池內(nèi)外雙向流動，也有由港池內(nèi)向港池外或由港池外向港池內(nèi)的單方向流動的類型。就提升港池內(nèi)水體交換的效果而言，采用向港池內(nèi)單方向流動最佳，而且還可以減少由港池口門流入的泥沙量。我國目前鮮有對海水交換型防波堤的研究和應(yīng)用，除了劉錦采用在防波堤上設(shè)置雙向水體交換通道外，對單方向流動的海水交換型防波堤的研究尚不曾見到報道。

該方法的最大優(yōu)點是天然波浪能源的利用。初期投入后，后期的維持管理費用低。盡管該方法在利用時會受到潮位、波浪、泥沙因素的影響，但已經(jīng)可通過多種對策得到較好的解決。

除了以上列舉的提升港池水體交換的工程技術(shù)措施外，在港池之間、港灣之間開通水體通道亦是目前國內(nèi)外普遍采用的技術(shù)。通過這些通道，可以促進港灣之間、港池之間水體的相互交換，減少死水域，避免水域水質(zhì)的下降。當然，采用何種工程技術(shù)要視港池所在位置周邊的具體情況，再根據(jù)工程效果、施工難易以及經(jīng)濟性等綜合判斷。

3 降低港池水體污染濃度的理論分析

3.1 半交換周期

半交換周期反映了港池的水交換能力。為了研究半交換周期主要取決于哪些因素,本文做了如下的理論分析。假設(shè)港池水體積為Qg和每日水體交換量為Qt，令

(1)

式中：q為濃度衰減率。若港池內(nèi)水體初始污染濃度為Co，同時假設(shè)每次水體交換過程中都能夠充分混合稀釋。則第n天后的港池水體污染濃度Cn為

Cn=Co×qn

(2)

設(shè)Cn的值降低到初始值Co的一半時，可導(dǎo)出半交換周期N(日)

(3)

由公式(3)可見，半交換周期由濃度衰減率q決定。q是水體交換量與港池水體積的函數(shù)。水體交換量愈大q愈小，半交換周期則愈短。

3.2 港池水體的污染濃度

公式(2)描述的是一次性排污后港池水體污染濃度的衰減變化，而現(xiàn)實工程中，伴隨著碼頭的生產(chǎn)活動，每天都會有污染物質(zhì)排放到港池內(nèi)。假設(shè)每日都向港池內(nèi)排放污染物，假設(shè)港池水體積為Qg，每日水體交換量為Qt，港池內(nèi)水體初始污染濃度為Co，每日向港池內(nèi)排污量為Sd，同時假設(shè)每次水體交換過程中都能夠充分混合稀釋。則第n天后的港池水體污染濃度Cn為

(4)

當n→∞，港池水體濃度

(5)

將公式(1)代入到上式，得

(6)

公式(6)所表示的濃度值是基于港池外水體污染濃度為零時的濃度。如果港池外水體也是有污染的，設(shè)其污染濃度為Cs，則可將公式(6)改寫成如下

(7)

由公式(7)可得每日進入港池的污染物由每日水體交換量帶出港池而達成港池內(nèi)污染物交換的平衡。港池水體污染濃度是基于港池外水體的污染濃度上的，其濃度高低由向港池排污量和港池的水體交換量決定。與排污量成正比，與水體交換量成反比。

3.3 窄長港池在穿港流作用下的污染濃度

假設(shè)港池端部有港外水體注入，穿越港池后從口門流出，圖3中由綠色箭頭表示。每日注入水體體積為Qt，除以港池斷面面積得Δx為每日向口門位移長度。圖中紅色箭頭表示每日排入港池污染物量和排放位置。若不考慮凈化降解以及潮流的混合擴散作用，則自左端起第n個Δx棱柱體里被排放的污染量為上游所有排污總量。在口門位置上，污染濃度可以用公式(7)來表示。以圖3為例，式中Sd=Sd1+Sd2+Sd3+Sd4。

圖3 穿港流情況下的港池水體污染物濃度分布示意圖Fig.3 Concentration distribution of pollutants in harbor basin water under the condition of flow through the harbor

由上可見，如果在港池頂端注入水體形成了穿港流，則港池內(nèi)水體污染濃度分布由港池頂端向口門逐漸升高。在圖3中用顏色的深淺來表示每個Δx棱柱體內(nèi)污染濃度的高低。

(8)

注入水量與改善港池水體交換的關(guān)系可經(jīng)簡單的公式推導(dǎo)得到公式(8)。由公式(8)可見，港池容積Vh與注入水量的比值為港池水體全部被交換所需要的天數(shù)D。也就是說注入水量越大港池水交換能力越強。但是，設(shè)計注入水量的多少時要考慮港池內(nèi)水流是否會影響到船舶的泊穩(wěn)度等。

3.4 降低港池水體濃度的方法

圖4 港池頂端至口門水體污染物濃度分布示意圖Fig.4 Concentration distribution of pollutants in the water from the top of the basin to the mouth

圖4中的水平坐標表示港池頂端至口門的距離，縱坐標表示水體污染濃度值，虛線為公式(7)充分混合稀釋假設(shè)的濃度分布，藍色實線為具有穿港流情況下的濃度分布示意。而實際中單口門環(huán)抱式港池水體得不到充分混合稀釋，由物質(zhì)守恒的觀點在口門處的水體污染濃度可由公式(7)表示，自口門向港池內(nèi)隨著距離增大而逐漸升高。為了便于討論在此用紅色實線示意性地表示實際中的濃度分布。

圖5 港池頂端海水交換型防波堤設(shè)置前后濃度對比[2]Fig.5 Comparison of the concentration before and after the seawater exchange type breakwater at the top of the pool

由圖4可以看出降低港池水體污染濃度有三種方法：(1)使虛線平移下降，也就是減少向港池的排污量或增大港池的水體交換量；(2)使紅線向虛線靠近，也就是改善港池內(nèi)水體流動來提高混合稀釋的程度；(3)在港池造成由港池頂端向口門的穿港流動。

如圖所示，第三種造成港池內(nèi)穿港流動的方法的港池內(nèi)水污染濃度為最低。圖5是向港內(nèi)方向的海水交換型防波堤設(shè)置前(左圖)、后(右圖)的初始、第2個和第4個潮汐周期后的水體污染濃度分布對比。設(shè)置單方向海水交換型防波堤后造成港池內(nèi)向口門的穿港流動，污染水體在4個潮汐周期后已大部分被排出口門。可見第三種方法的提升水交換能力的效果是顯著的。

4 對港池水體交換提升技術(shù)的若干建議

4.1 掌握港池水體交換的物理機制

在以往關(guān)于如何提升港池水體交換的研究中，尚存在著未能掌握港池內(nèi)水體交換的物理機制，帶有盲目性的工作。例如為了提高港池內(nèi)外水體交換能力，在口門外布置了不同長度的導(dǎo)流堤?？陂T兩側(cè)增設(shè)導(dǎo)流堤相當于加深了港池的縱向深度，其結(jié)果反而不利于提升水體交換能力。通過前述我們明白：提升港池水體交換的措施一方面是在于如何增大水交換量、改善港池內(nèi)水流；另一方面是在于如何促使港池水體向港外流動。研究工作應(yīng)該圍繞這樣的物理機制來開展。

4.2 港池平面布局要考慮港池內(nèi)的水流狀況

形成港池內(nèi)水體的流動是防止港池水質(zhì)惡化的一個重要舉措，而在早期建設(shè)的一些港口布局中沒有足夠認識到這一點。例如連云港港區(qū)的徐圩港的“主”字型的平面布局中，六個窄長港池僅通過中間的一豎溝通，各個港池的頂端水域都將可能成為死水域。如果能將“主”字型改成“由”字型的布局，則可能改變各個港池頂端水域的水流狀況。因此，在規(guī)劃環(huán)抱式港池平面布局時不能僅側(cè)重于碼頭泊位數(shù)量、作業(yè)的效率等，忽略港池內(nèi)水流的運動。否則，會在港池中形成死水域，導(dǎo)致港池內(nèi)水體污染水質(zhì)惡化問題。

4.3 阻止泥沙流入港池

無論是開通潮汐通道還是通過河、渠或海水交換型防波堤引水注入港池都應(yīng)該考慮泥沙對策問題。因為環(huán)抱式港池外側(cè)通常水深淺、泥沙運動活躍，河渠水中尤其是洪水時水中泥沙含量豐富。利用沉砂池等技術(shù)阻止泥沙流入港池也是這些工程對策中一個重要的組成部分。但目前在國內(nèi)同時考慮泥沙對策的研究工作還鮮有報道。

針對港池口門處航道常常存在泥沙淤積的問題，可以在通過河、渠或海水交換型防波堤引水注入的方式來提高港池水體交換能力的同時，引水注入使得港池口門處發(fā)生向海的凈流量，亦即港池口門處的落潮流大于漲潮流，這將可以減輕港池口門處航道的泥沙淤積量。

4.4 對港池水體污染濃度的直接評價

目前的研究中大多數(shù)均是假設(shè)港池初始水體污染濃度為一個單位，而后隨著日時的增加觀察水體濃度的時空變化，采用半交換周期來進行評價。本文認為，采用半交換周期的評價不能夠反映出實際的水體污染濃度以及最高濃度發(fā)生的位置。有時候，根據(jù)半交換周期作出的評價是水體交換得到了改善，而從濃度的角度來看，最大濃度可能升高。比如在連云港港池縱向最深部西大堤設(shè)潮汐通道的研究中[9]，作為旅游風景區(qū)水質(zhì)相對良好，靠近西大堤附近水域的半交換周期明顯短縮，然而碼頭作業(yè)集中水域及靠近口門水域的半交換周期不但沒有明顯的改善反而有惡化的傾向。這意味著在這些污染發(fā)生比較嚴重的水域的污染濃度可能會上升，而僅從半交換周期的分布無法作出準確判斷。

在計算技術(shù)軟硬件已得到足夠進步的當今，模擬較長時間、接近于實際的港池水體交換過程已非難事?？梢园凑杖粘Ｎ廴疚锱欧乓?guī)律，直接模擬港池污染濃度的變化和分布，通過工程措施前后水體污染濃度的對比來評價工程措施的有效性。

4.5 要考慮港灣整體水域全面減控排污量

港池水體交換的工程措施可促進港池水體交換能力，改善港池內(nèi)的水質(zhì)環(huán)境，但對包含該港池周邊的整體水域而言，并沒有改善效果。因為污染物質(zhì)僅是由港池內(nèi)被移至港池外，污染物的總量并未發(fā)生變化。如果港池周邊有相鄰港池，或所在位置處于相對封閉、水深淺的海域，就港灣整體來講同樣存在著水質(zhì)污染問題。

對包括港池在內(nèi)的較大范圍水域的水質(zhì)環(huán)境問題而言，任何工程措施都是收效甚微。最好的措施就是通過行政手段減少公式(7)中右端的向港池內(nèi)的排污量Sd。因此，提高排污標準和港口利用者的環(huán)境保護意識也是一項非常重要的工作。

5 結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展和“一帶一路”國家戰(zhàn)略的推進，在加快沿海地區(qū)港口建設(shè)向海洋尋求更多發(fā)展空間的同時，必須重視生態(tài)環(huán)境保護，堅持走可持續(xù)發(fā)展之路，做好海岸帶生態(tài)環(huán)境資源的保護工作。提升環(huán)抱式港池水體交換能力的工程技術(shù)研究也是其中的重要一環(huán)。本文通過比較肯定了造成港池內(nèi)的穿港流動對提升港池水體交換能力的效果，今后將就如何解決注水方法、注水水源以及其經(jīng)濟性開展進一步工作。此外，經(jīng)本文歸納整理出的各種工程技術(shù)特點以及通過理論分析得到的影響水體交換能力的物理機制和提出的若干建議，希望能在今后的研究工作中起到參考作用。