半封閉式港灣水動力特性分析
——以香洲港為例

楊裕桂,宣小銘,劉國珍,佟曉蕾,袁菲

(1.珠江水利委員會珠江水利科學研究院,廣東 廣州 510611;2.水利部珠江河口治理與保護重點實驗室,廣東 廣州 510611;3.河海大學,江蘇 南京 210098)

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,港灣的自凈能力較弱。香洲漁港規(guī)劃方案為在現(xiàn)有陸域(現(xiàn)狀碼頭和防波堤)基礎上,以樁基為結構形式的透水平臺,將香洲港北堤規(guī)劃建設為集智能船務、旅游、商業(yè)服務為一體的港務綜合體。

目前,珠海海燕橋周邊景觀工程、珠海香洲漁港改造及改造二期工程已開工建設,后續(xù)工程建設也陸續(xù)提上日程。由于該區(qū)域位于伶仃洋西側水域,系列工程建設阻礙區(qū)域的漲落潮流,弱化該區(qū)域及周邊水域的水動力,降低區(qū)域的水體交換能力,對水質產(chǎn)生不利影響。關于水體交換和泄洪納潮方面的研究,國內學者較為關注。蔣昌波等[2]利用平面二維數(shù)學模型對廣西北部灣鐵山灣建港前后的水體交換能力進行了分析;黃少彬等[3]通過MIKE3模型對珠江口水體交換進行了研究;高飛等[4]采用平面二維污染物質移流擴散的數(shù)學模型,模擬通州灣港區(qū)保守污染物質擴散變化過程;肖天葆等[5]基于二維非結構有限體積數(shù)值模型,對博賀漁港改擴建前后水體交換能力開展了數(shù)值模擬研究,評估工程前后港內水體半交換周期;陸永軍等[6]開展水動力泥沙數(shù)學模擬計算和物理模型試驗對伶仃洋茅洲河口的泄洪納潮問題進行了研究;何用等[7]采用遙感影像解譯技術研究了不同類別大型涉水工程對泄洪的影響。

前人對香洲港的研究較少,吳瓊等[8]以香洲港為例,計算分析全閉合式防波堤、不同開口寬度的防波堤布置方案下,灣內水體交換條件及污染物輸移擴散規(guī)律的差異;英曉明等[9]利用Delft3D數(shù)值模式建立模型模擬了香洲港海域水體交換能力,結果表明香洲港海域從初始濃度下降為1%需10 d時間,下降為1‰需16 d時間。本文以珠海市香洲港為研究對象,采用數(shù)學模型計算和分析了香洲港規(guī)劃方案對區(qū)域水體交換和泄洪納潮的影響,該研究對香洲港的開發(fā)利用具有一定的參考價值。

1 研究區(qū)域概況

為了與經(jīng)濟發(fā)展相匹配,珠海市政府擬對香洲漁港進行改建,將其打造成集娛樂區(qū)、酒店區(qū)、文化區(qū)、碼頭公園等功能于一體的多功能地帶,以便給市民提供豐富多元的濱水體驗。珠海市香洲漁港初建于1957年,地處珠海市城區(qū)中心情侶路的海灣上,港內水域面積85.87萬m2,防波堤長500 m,可同時停泊漁船800多艘,年進出港船達4萬多艘次。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Ⅳ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[8]。灣內水下地形起伏變化不大,水深較淺,香洲港海域水深基本在4 m以內[9]。

本研究區(qū)域地處珠海,近鄰澳門,位于伶仃洋西灘南部的香洲灣內。香洲港落潮期流速大于漲潮期流速,大潮期流速大于小潮期,港區(qū)及南北兩側淺灘潮周期平均流速為0.05～0.10 m/s,總體流速不大,香洲港所在的西灘南部水域平均含沙量約為0.04～0.06 kg/m3。香洲港水域水體主要來自南側的伶仃洋水域,伶仃洋北起虎門南至澳門、大濠島,以淇澳島—內伶仃島—赤灣延線將其分為內、外伶仃洋[10],其東岸多灣、西岸多灘,水下地形呈“三灘兩槽”格局[11]。伶仃洋的潮汐主要來自通過呂宋海峽的太平洋潮汐傳播,屬不正規(guī)半日混合潮[12],平均潮差在1.08～1.69 m,潮差具有由南部灣口向北部灣頂逐漸遞增的特點,在虎門達到最大,最大潮差為1.69 m[13]。伶仃洋屬亞熱帶海洋性季風氣候,年平均氣溫較高,夏季高溫多雨,氣候潮熱[14]。

2 模型的建立與驗證

根據(jù)香洲港最新的規(guī)劃方案,香洲港規(guī)劃在現(xiàn)有陸域(現(xiàn)狀碼頭和防波堤)基礎上,以樁基為結構形式,增加水域上的建筑面積,這將進一步削弱區(qū)域內的水動力。為此,采用數(shù)學模型計算分析規(guī)劃方案對區(qū)域水動力和泄洪納潮的影響。

2.1 計算方法

本模型采用的計算方法為有限體積法(FVM),即將計算域劃分成若干非規(guī)則形狀的單元或控制體[15]。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。

FVM正是對于推導原始微分方程所用控制體積方法的回歸,與FDM和FEM的數(shù)值逼近相比,其物理意義更直接明晰?？缈刂企w間界面運輸?shù)耐?對相鄰控制體來說大小相等,方向相反,故對整個計算域來說,沿所有內部邊界的通量相互抵消。對由一個或多個控制體組成的任意區(qū)域,以致整個計算區(qū)域,都嚴格滿足物理守恒定律,不存在守恒誤差,且能正確計算間斷。

2.2 模型研究范圍

數(shù)學模型研究采用2020年11月內伶仃洋的水文地形資料,模型范圍與之配套,上游邊界為流量邊界,設置在珠江河口八大口門控制站斷面,下游邊界為水位邊界,設置在-50 m等高線附近,其水位由海洋潮汐模型計算獲得。本文研究區(qū)域位于香爐灣香洲港,局部范圍內網(wǎng)格根據(jù)現(xiàn)狀、已批待建、規(guī)劃的邊界劃分,網(wǎng)格最小尺寸5 m,見圖1。

圖1 模型范圍及研究網(wǎng)格

2.3 模型驗證

模型驗證采用“2020·06”洪季、“2019·12”枯季進行伶仃洋潮流進行驗證,采用“2020·1116”枯季大潮對研究區(qū)域局部潮流進行驗證,各驗證水文組合時間段見表1。數(shù)學模型潮位過程驗證見圖3、5、6。可見模型潮位過程與實測潮位過程相位一致,高低潮誤差總體小于10 cm,滿足規(guī)范要求。模型采用“2020·1116”大潮、“2020·06”洪季大中小潮進行流速驗證,流速測點位置見圖2,流速過程見圖4、7、8。從香洲港附近水域來看,香洲港附近水域流速總體較小,采用本文開展的“2020·1116”大潮進行流速驗證,流速計算過程與實測過程基本一致,流速誤差絕對值較小;從伶仃洋水域來看,采用“2020·06”洪季流速過程進行驗證,流速計算過程與實測過程基本一致,流速誤差一般在10%以內,滿足規(guī)范精度要求。

表1 驗證水文組合

圖2 驗證測點布置

3 水動力特性研究

3.1 計算方案

新增規(guī)劃區(qū)域采用樁基結構形式,規(guī)劃階段缺少詳細的樁基布局,故數(shù)學模型采用綜合糙率的方法對樁基阻力進行概化。樁基密度參考已建橋梁樁基密度,樁距10～20 m不等,將計算水域的海床糙率分成二部分:一是基本糙率,即無水工建筑物的海床糙率;二是等效糙率,即考慮了水工建筑物影響的等效糙率?；静诼视赡Ｐ驮跓o工程條件下率定所得,等效糙率采用南科院的樁群阻力研究成果[16],規(guī)劃方案實施前后糙率分布見圖9。

a)規(guī)劃前(含已批工程)

3.2 計算水文組合

a)水體交換水文組合。珠江河口潮汐具有典型的半月潮特征,潮汐在半個月內具有大小潮的變化。為了反應實際情況,水體交換計算組合選取時間序列較長、具有大小潮變化的水文組合。“2020·06”洪季組合經(jīng)歷小潮到大潮的變化過程,初期潮差較小,對交換相對不利,因此將作為水體交換計算水文組合,見圖10。

圖10 數(shù)學模型水體交換計算潮型(“2020·06”洪季組合)

b)初始場。為了研究香洲港內的水體交換速度,將海燕橋以北、防波堤斷面以東范圍內初始值設為100,見圖11。

圖11 水體交換計算初始場

3.3 泄洪納潮影響分析

3.3.1流場變化

香洲港水域潮流具有南側(海燕橋)和東側(進港航道)2個潮流進出通道。本文水文觀測表明,香洲港水域存在4種流態(tài),分別為2個通道同漲、同落和南進東出、東進南出。規(guī)劃方案實施后,香洲港仍然保持4種流態(tài),實施前后的流場見圖12,流速變化等值線見圖13。

圖12 不同規(guī)劃方案實施前后流場

由規(guī)劃實施前后流場可以看出,規(guī)劃方案實施后香洲港及周邊水域整體流態(tài)變化不大,局部流速流向略有調整,港內流態(tài)仍然多變,整體流勢較弱,規(guī)劃透水建筑物區(qū)內流速減小,區(qū)外流速增大,港池進出口口外流速減小。具體變化為:在同時漲潮(南側進口和東側進口均向港內進流)條件下,自海燕橋進入的潮流略有減弱,并經(jīng)過海燕橋縮窄段后向東偏轉,自進港航道進入的漲潮流受防波堤段透水建筑物阻水影響,主槽流速略有增大,并向南偏轉,兩者交匯的位置與現(xiàn)狀基本一致,匯合后仍在港區(qū)西北角形成順時針回流,流速略有減弱。

南進東出漲潮(南側進口向港內進流、東側進口向港外出流)條件下,南進東出漲潮整體流向變化不大,但受規(guī)劃方案透水建筑物阻水影響,自海燕橋的漲潮流略有減弱,約0.01 m/s,港區(qū)內自西南至東北的流勢增強,流速略有增大;港區(qū)西北角和防波堤沿線流速減小。

東進南出落潮(東側進口向港內進流、南側進口向港外出流)條件下,港區(qū)流態(tài)在落潮初期與現(xiàn)狀基本一致,但防波堤沿線和港區(qū)西北角流速略有減小,東側和南側進口之間的連線區(qū)域流速略有增大,變化幅度約0.01 m/s。

同時落潮(東側進口和南側進口向港外出流)條件下,港區(qū)內防波堤沿線和港區(qū)西北角流速減小0.01～0.03 m/s,東側和南側進口之間的連線區(qū)域流速略有增大,港區(qū)東側和南側進口流速總體呈減小趨勢。

3.3.2潮量變化

統(tǒng)計海燕橋、防波堤、雞籠山3個斷面在規(guī)劃實施后的潮量變化,見表2。在規(guī)劃方案實施后,香洲港水域納潮量出現(xiàn)一定程度的減小,海燕橋斷面漲潮量減小0.9%,落潮量減小0.3%,防波堤斷面而落潮量減小1%,而伶仃洋幾乎無影響。

表2 規(guī)劃方案實施后潮量變化 %

3.4 水體交換影響分析

規(guī)劃方案實施后,香洲港水域流速和納潮量出現(xiàn)一定程度的減小,對區(qū)域水體交換產(chǎn)生影響(圖14、15)。分別對規(guī)劃實施前后的水體交換進行了計算,保守物質初始濃度為100,第1、2、3、4天后濃度分布見圖16、17,水體半交換周期見表3。

表3 規(guī)劃方案實施前后水體半交換周期統(tǒng)計

圖14 潮量統(tǒng)計斷面

圖15 統(tǒng)計分區(qū)

圖16 現(xiàn)狀和已批待建工程邊界條件下濃度分布

圖17 規(guī)劃方案實施后濃度分布

由圖可見,香洲港水體交換具有以下特征。

a)港區(qū)內水體交換速率差異較大,2個進出口連線區(qū)域水體交換較好,而港池西北角和東南角水體交換較弱。香洲漁港港池與外海通過南、東兩個口門相連通。漲潮時,一股漲潮流經(jīng)野貍島東部由進港航道進入灣內,在野貍島北部填海區(qū)的導流下,形成一逆時針方向繞流;另一股漲潮流經(jīng)野貍島南側通過海燕橋進入灣內,直至環(huán)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(qū)東岸線緊貼野貍島流出灣外。2個進出口連線附近水域由于存在一邊漲、一邊出的流動狀態(tài),水體交換相對較好。

b)區(qū)域內水體半交換周期約3.2 d,局部交換周期更長。統(tǒng)計了區(qū)域的水體半交換周期(圖15)。其中兩進出口連線水域(A區(qū))半交換周期接近3 d,西北側水域水體半交換周期3～4 d,而新月路堤岸以南的東南角C區(qū)交換最慢,接近6 d。各區(qū)域內也存在較為顯著的差異。

c)規(guī)劃方案實施后,水體交換速率進一步減弱。規(guī)劃方案實施后,區(qū)域內水體半交換周期增大1.7%,其中A區(qū)增幅較小、達1.2%,B區(qū)增大4.5%,C區(qū)增加8.5%。C區(qū)增大主要是因為規(guī)劃作為濕地,進一步減小了水動力,未來將依靠濕地生態(tài)系統(tǒng)凈化水體。

3.5 方案影響綜合分析

由規(guī)劃實施前后的水動力和水體交換計算結果表明,規(guī)劃方案對伶仃洋泄洪納潮影響很小,但香洲港內水動力總體較弱,水體交換總體較慢,規(guī)劃方案實施后,水動力進一步減弱,水體交換速率進一步減弱。尤其是受防波堤和新月橋堤岸阻隔、已有和規(guī)劃方案樁基阻水等的影響,香洲港西北角、東南角存在水體交換速度較慢的水域。分析香洲港水動力較弱的原因,主要包括地理位置、人類活動和泥沙淤積等方面的原因。

a)地理位置。香洲港位于伶仃洋西側香爐灣的灣頂,而香爐灣遠離伶仃洋漲潮潮主通道,灣內流速總體不大。

b)人類活動。香洲港北側建設了漁港防波堤,離岸1.5 km,阻斷了沿岸潮流通道。研究表明,香洲港水域被防波堤阻隔后,部分時刻漲落潮流需要繞過防波堤,減小了經(jīng)過香洲港區(qū)域的潮流量。

c)泥沙淤積。香洲港位于伶仃洋西側輸沙通道上,泥沙來源豐富,具有良好的淤積環(huán)境。港區(qū)水深需要疏浚來維持,除港池外,港區(qū)四周存在低潮位出露或者水深較小的區(qū)域,如位于港區(qū)南側的野貍島與情侶路之間潮流通道,寬200 m,平均底高程-1.7 m,-3 m主槽寬度僅60 m,西側近190 m河寬為淺灘,高程不足-1.5 m,淤積嚴重,阻礙潮流通過。

目前,香洲港水域水質總體相對較差,而香洲港東側和南側水域的水質相對較優(yōu),有必要在規(guī)劃建設階段提出改善水動力的措施,尤其是港區(qū)西北角、東南角,其中東南角規(guī)劃布局濕地,將來通過濕地生態(tài)系統(tǒng)凈化水體,而西北角臨近城市主通道,臨近布置了游艇等游樂設施,水環(huán)境要求較高,需要通過工程措施進一步提升該區(qū)域內的水動力,例如南口疏浚方案和港口路開口設閘方案。

4 結論

通過模型計算結果分析,香洲港規(guī)劃方案實施后,對香洲港水域及周邊海域水動力特性造成的影響為:方案實施后,水體交換速率進一步減弱。區(qū)域內水體半交換周期增大1.7%,其中兩進出口連線水域(A區(qū))水體半交換周期為3 d,增幅較小,達1.2%;西北側水域(B區(qū))半交換周期區(qū)為3.66 d,增大4.5%;新月路堤岸以南的東南角(C區(qū))水體半交換周期區(qū)為5.8 d,增加8.5%。C區(qū)增大主要是因為規(guī)劃作為濕地,進一步減小了水動力,未來將依靠濕地生態(tài)系統(tǒng)凈化水體。香洲港在漲落潮不同階段具有不同流態(tài),港內流態(tài)復雜多變,流速小,規(guī)劃透水建筑物建設后樁區(qū)范圍(防波堤沿線、港區(qū)西北角)流速減小,港區(qū)進出口流速減小,減小幅度0.01～0.03 m/s,海燕橋斷面漲潮量減小0.9%,落潮量減小0.3%,防波堤斷面落潮量減小1%。表明規(guī)劃方案實施后港區(qū)水動力進一步減弱。長期對水環(huán)境改善不利,采取水動力增強措施以改善區(qū)域水環(huán)境是必要的。