王璐璐

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

隨著全球航運(yùn)業(yè)和海洋開(kāi)發(fā)業(yè)的發(fā)展，海洋環(huán)境污染越發(fā)受到重視，河口海岸區(qū)的海水污染問(wèn)題是陸地和海洋相互作用的研究?jī)?nèi)容之一，也是全球環(huán)境變化研究的重點(diǎn)問(wèn)題，港口、航道環(huán)境水質(zhì)的問(wèn)題已日益受到廣泛的關(guān)注。

對(duì)于近岸污染物擴(kuò)散研究，主要是從水動(dòng)力的角度進(jìn)行研究，當(dāng)今國(guó)際上先進(jìn)的、廣泛應(yīng)用的模型有POM、ECOM、FVCOM、EFDC、MIKE等。各模型都有自身的特點(diǎn)和制約因素，本文選擇MIKE21[1]。

李紹武[2]等采用MIKE21分析了越南某電廠防波堤的透水性對(duì)溫度場(chǎng)擴(kuò)散的影響；陳雪峰等[3]運(yùn)用MIKE21模型對(duì)潮汐潮流作用下的電廠排水口溫排水熱擴(kuò)散特性進(jìn)行數(shù)值模擬；黃成等[4]應(yīng)用MIKE21建立廣西近海二維溢油擴(kuò)散模型,對(duì)溢油事故進(jìn)行影響預(yù)測(cè)；舒長(zhǎng)莉等[5]運(yùn)用MIKE21對(duì)河道飲用水源地突發(fā)污染事故進(jìn)行模擬；郭鵬程等[6]運(yùn)用MIKE21模型對(duì)人工生態(tài)湖泊優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。余成等[7]基于MIKE21模型對(duì)武漢東湖建立了水質(zhì)模型，并對(duì)相關(guān)引水工程進(jìn)行研究；Lopes等[8]利用MIKE21模型對(duì)Ria deAveiro湖進(jìn)行了研究，并證明該模型可作為生態(tài)系統(tǒng)分析管理的有效工具；王哲等[9]采用MIKE21模型對(duì)金倉(cāng)湖的水流和水質(zhì)變化情況進(jìn)行了模擬，為湖泊生態(tài)規(guī)劃提供了科學(xué)依據(jù)；高曉薇等[10]運(yùn)用MIKE21構(gòu)建了北運(yùn)河水系水質(zhì)數(shù)值模型，預(yù)測(cè)了北運(yùn)河綜合治理工程實(shí)施后北運(yùn)河水污染特征時(shí)空變化情況。以上研究均表明MIKE21為一個(gè)有效的水質(zhì)環(huán)境模擬及評(píng)價(jià)技術(shù)，可以作為模擬工具應(yīng)用于本文研究。

1 研究背景

三亞崖州區(qū)中心漁港位于海南島西南海岸，屬海南省三亞市管轄，港址位于三亞市西面的崖州灣，寧遠(yuǎn)河出?？谔?，背靠崖城鎮(zhèn)、東依南山嶺。三亞市崖州區(qū)中心漁港為國(guó)家級(jí)中心漁港，年魚貨卸港量8萬(wàn)t，滿足800艘各型漁船停泊、避風(fēng)和補(bǔ)給。2016年8月1日開(kāi)始正式開(kāi)港運(yùn)營(yíng)以來(lái)，漁港以及周邊環(huán)境無(wú)機(jī)氮濃度超標(biāo)，遠(yuǎn)高于0.5 mg/L，超出本區(qū)域海水水質(zhì)要求，亟需對(duì)漁港內(nèi)水環(huán)境進(jìn)行綜合整治。根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)GB 3097-1997，中心漁港一期工程區(qū)域達(dá)到海水第四類水質(zhì)可滿足規(guī)范要求。但結(jié)合《海南省污染水體治理三年行動(dòng)方案》及省廳的具體要求，考慮到遠(yuǎn)期建設(shè)濱海風(fēng)景旅游區(qū)，崖州港的水質(zhì)目標(biāo)提高一級(jí)，為第三類海水水質(zhì)。

經(jīng)現(xiàn)有資料和實(shí)地踏勘綜合分析，初步認(rèn)為崖州中心漁港存在問(wèn)題形成原因如下：(1)納泥島和防波堤的建設(shè)阻擋潮汐交換，導(dǎo)致港區(qū)水域基本處于半封閉狀態(tài)；(2)東側(cè)寧遠(yuǎn)河通道因沿岸輸沙封堵，出海口封閉，寧遠(yuǎn)河水和外海交換需通過(guò)漁港二期水域，影響漁港一期水域；與外界水體交換量偏??；(3)港區(qū)狹長(zhǎng)，水動(dòng)力條件差，外海水體漲潮進(jìn)入港域水量較小，漲落潮過(guò)程水體交換不充分；(4)上游河流以及沿岸排污管等污染物排放至港內(nèi)水域，漳波河和寧遠(yuǎn)河向港區(qū)內(nèi)輸送超過(guò)四類海水指標(biāo)的污染物水體，港區(qū)內(nèi)污染物擴(kuò)散弱；(5)大量漁船本身對(duì)港內(nèi)水域形成一定污染。

為更好地建設(shè)、維護(hù)三亞崖州中心漁港，通過(guò)建立了潮流數(shù)學(xué)模型以及污染物擴(kuò)散模型，提出了提升措施方案，并著重研究不同引水管規(guī)模方案，并進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了漁港內(nèi)部水動(dòng)力，污染物擴(kuò)散分布情況，選取最為經(jīng)濟(jì)合理的引水管規(guī)模。

2 模型原理

2.1 潮流數(shù)學(xué)模型

潮流計(jì)算采用Mike21[1]系列軟件中的三角形網(wǎng)格水動(dòng)力模塊(FM模塊)，模型控制方程采用經(jīng)Navier-Stokes方程沿深積分的二維淺水方程組，并將紊流作用以渦粘系數(shù)的形式參數(shù)化?；痉匠绦问揭?jiàn)式(1)至式(3)。

(1)

(2)

(3)

2.2 污染物擴(kuò)散模型

污染物在水體的運(yùn)動(dòng)形式分為三種：推移遷移，擴(kuò)散和衰減。三種運(yùn)動(dòng)的作用使污染物濃度降低，稱為水體“自凈作用”。

污染物擴(kuò)散方程如下

(4)

式中：c為污染物濃度；u為v水平速度分量，m/s；h為水深，m；Dx，Dy為x，y向擴(kuò)散系數(shù),m2/s；F為線性衰減系數(shù)(s-1)；S為Qs×(cs-c)；Qs為源或匯流量，(m3·s-1)/m2；cs為源處污染物濃度。

3 模型建立及驗(yàn)證

3.1 計(jì)算網(wǎng)格和邊界條件

工程海域位于三亞市崖州灣附近，受寧遠(yuǎn)河徑流以及潮流和波浪的共同作用。為了充分反映工程局部海域受北部灣潮流的影響，選取北部灣區(qū)域?yàn)榇竽Ｐ?，在工程區(qū)域附近選取小地形并進(jìn)行了網(wǎng)格局部加密。模型網(wǎng)格采用三角形網(wǎng)格，可以很好模擬岸線和工程建筑物，小模型計(jì)算范圍及工程區(qū)域見(jiàn)圖1。

圖1 工程區(qū)域平面示意圖Fig.1 Sketch of the project area

3.2 模型潮位和流速驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文建立的潮流模型的準(zhǔn)確性，依據(jù)2016年5月3日9時(shí)～4日12時(shí)的水文實(shí)測(cè)資料與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，2016年實(shí)測(cè)資料包含大潮、小潮T1～T8共8個(gè)測(cè)站的潮位資料，V1～V15共15個(gè)測(cè)站的流速測(cè)站資料。

由于篇幅限制，僅展示部分潮位流向流速驗(yàn)證如圖2、圖3、圖4所示，分別比較大潮期潮位、流速及流向計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果；小潮潮位計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的比較情況可知：數(shù)模計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果有較好的一致性，潮位、流速及流向模擬值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差分別在0%～2.25%、0.10%～4.77%和0.2%～5.35%，表明模型能較好反映工程區(qū)附近海域的潮流流動(dòng)規(guī)律，設(shè)置參數(shù)能用于本次研究。

2-a T52-b T6圖2 潮位驗(yàn)證圖Fig.2 Tidal level verification

3-a V53-b V6圖3 流向驗(yàn)證圖Fig.3 Tidal direction verification

4-a V54-b V6圖4 流速驗(yàn)證圖Fig.4 Tidal velocity verification

4 模型計(jì)算分析及方案分析

4.1 方案設(shè)計(jì)

為提升三亞中心漁港水質(zhì)，進(jìn)行如下提升工程措施，工程措施平面布置圖見(jiàn)圖5：對(duì)漁港一期工程水域進(jìn)行生態(tài)清淤，增加漁港內(nèi)部所有水域水深至-7 m；清淤后水環(huán)境改善，漁港內(nèi)初始無(wú)機(jī)氮濃度降至約0.4 mg/L(海水第三類、第四類水質(zhì)之間)；嚴(yán)格控制上游漳波河污染物濃度，非汛期關(guān)閉節(jié)制閘，漳波河河水由連接渠匯入寧遠(yuǎn)河；汛期開(kāi)啟節(jié)制閘，漳波河從原河道入海。對(duì)口門位置淤積形成的無(wú)人島進(jìn)行開(kāi)挖，增加港內(nèi)與外海的水體交換；為滿足港區(qū)泊穩(wěn)性，建設(shè)透空式防波堤；漳波河與中心漁港相連區(qū)域增加水泵抽取外海低污染物濃度海水，增加港內(nèi)與外海的水體交換。基于以上改造方案下，本文重點(diǎn)研究水泵不同流量下，漁港內(nèi)污染物的濃度變化以及水質(zhì)提升效果。

4.2 模擬條件

本次研究邊界條件根據(jù)崖州區(qū)環(huán)境保護(hù)局提供2019年3月中心漁港、寧遠(yuǎn)河崖城大橋檢測(cè)斷面以及漳波河實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。中心漁港一期工程水域內(nèi)部初始無(wú)機(jī)氮濃度場(chǎng)濃度為0.4 mg/L，整個(gè)港區(qū)內(nèi)無(wú)機(jī)氮排放速率為1 mg/s，港內(nèi)設(shè)置水泵，流量為1 m3/s；漳波河在非汛期封堵；寧遠(yuǎn)河流量為20.6 m3/s，持續(xù)排放無(wú)機(jī)氮濃度為0.759 mg/L，初始濃度場(chǎng)為0.4 mg/L，讓污染物在寧遠(yuǎn)河內(nèi)自由擴(kuò)散；外海無(wú)機(jī)氮濃度為0.2 mg/L；整個(gè)計(jì)算過(guò)程暫不考慮污染物降解。分別設(shè)置引水管流量為0.5 m3/s、1.0 m3/s、1.5 m3/s、2.0 m3/s四種工況，其余參數(shù)設(shè)置相同，比較不同流量下漁港內(nèi)污染物濃度狀況。本次模型中引水泵以點(diǎn)源流量考慮，透空式防波堤以局部海島邊界考慮。

圖5 方案布置平面圖Fig.5 Plan of scheme layout圖6 崖州灣現(xiàn)狀流場(chǎng)圖Fig.6 Flow field of Yazhou Bay

圖7 一期港池現(xiàn)狀流場(chǎng)圖Fig.7 Flow field of phase I harbor basin圖8 不同流量下測(cè)點(diǎn)1污染物濃度歷時(shí)曲線Fig.8 Duration curve of pollutant concentration at measuring point 1 under different discharge

4.3 模擬結(jié)果分析

本次研究首先對(duì)現(xiàn)狀工程區(qū)域進(jìn)行水動(dòng)力模擬，由圖6、圖7可知崖州灣內(nèi)潮水明顯的漲落潮變化，呈現(xiàn)往復(fù)流特性。但漁港內(nèi)大潮漲急落急時(shí)刻流速均小于0.05 m/s，水動(dòng)力條件較弱。

基于MIKE21模型對(duì)不同引水管規(guī)模水動(dòng)力及污染物擴(kuò)散進(jìn)行模擬，每種工況模擬時(shí)間大于20 d，整個(gè)濃度場(chǎng)趨于穩(wěn)定，并提取3個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖5。測(cè)點(diǎn)1靠近漳波河河口，測(cè)點(diǎn)2位于港池內(nèi)，測(cè)點(diǎn)3靠近口門。圖8～圖10為不同流量下各測(cè)點(diǎn)污染物濃度歷時(shí)曲線；圖11～圖14為歷時(shí)20 d污染物分布圖不同流量漁港內(nèi)污染物濃度場(chǎng)圖。

圖9 不同流量下測(cè)點(diǎn)2污染物濃度歷時(shí)曲線Fig.9 Duration curve of pollutant concentration at measuring point 2 under different discharge圖10 不同流量下測(cè)點(diǎn)3污染物濃度歷時(shí)曲線Fig.10 Duration curve of pollutant concentration at measuring point 3 under different discharge

如圖8～圖10所示，不同引水管流量在同一時(shí)間模擬結(jié)果對(duì)比，引水管流量越大，港內(nèi)與外海水體交換越快，港內(nèi)污染物濃度下降越快。隨著引水管流量加大，測(cè)點(diǎn)1～3的污染物濃度都有下降趨勢(shì)，測(cè)點(diǎn)1和2處的污染物濃度下降速度很快，很快達(dá)到海水第三類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)點(diǎn)3污染物濃度呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，是因?yàn)閷庍h(yuǎn)河高濃度污染物徑流還沒(méi)有擴(kuò)散到測(cè)點(diǎn)3，模型還未穩(wěn)定，分析時(shí)可以不考慮5日之內(nèi)的情況。由圖10可知：雖然引水管流量越大口門處污染物濃度超標(biāo)范圍越小，但污染物濃度仍大于0.5 mg/L，增大引水管流量不能根本上解決港區(qū)口門處污染超標(biāo)的現(xiàn)象。

圖11 歷時(shí)20 d污染物分布圖(流量0.5 m3/s)Fig.11 20 d pollutant distribution (discharge 0.5 m3/s)圖12 歷時(shí)20 d污染物分布圖(流量1.0 m3/s)Fig.12 20 d pollutant distribution (discharge 1.0 m3/s)

模擬過(guò)程中，模擬2 d時(shí)，初始階段，不同流量方案濃度場(chǎng)類似；模擬10 d后，流量2 m3/s情況下，除口門區(qū)域，港池內(nèi)基本達(dá)到海水第三類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；模擬15 d后，流量1.5 m3/s情況下，除口門區(qū)域，港池內(nèi)基本達(dá)到海水第三類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。如圖11～圖14所示，為不同引水管規(guī)模情況下，濃度場(chǎng)穩(wěn)定的計(jì)算成果。由圖可知：引水管流量越大，在同一時(shí)刻漁港內(nèi)達(dá)到海水第三類水質(zhì)的面積也越大。在20 d時(shí)可以看出，雖然加大引水管流量可以減小漁港口門處污染物超標(biāo)的面積，但并不能根本上解決漁港口門處存在污染物超標(biāo)的現(xiàn)象，這是由于寧遠(yuǎn)河高濃度徑流不停向口門輸送污染物所致，若從根本解決口門處污染物問(wèn)題還需要其他工程措施，例如對(duì)口門進(jìn)行疏浚，又或者將外部防波堤改為透空式防波堤。除此之外，在20 d時(shí)，引水管流量為0.5 m3/s工況下，港內(nèi)仍有三分之一的水域達(dá)不到海水第三類水質(zhì)。因此，為使港內(nèi)大部分水域在增加引水管工程措施下達(dá)到海水第三類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)保證引水管流量至少為1 m3/s。

圖13 歷時(shí)20 d污染物分布圖(流量1.5 m3/s)Fig.13 Pollutant distribution during 20 d(discharge 1.5 m3/s)圖14 歷時(shí)20 d污染物分布圖(流量2.0 m3/s)Fig.14 Pollutant distribution during 20 d(discharge 2.0 m3/s)

5 結(jié)論

在對(duì)工程海域水動(dòng)力和污染物擴(kuò)散分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)工程海域的海洋功能區(qū)劃分情況以及海洋環(huán)境保護(hù)規(guī)劃，遵循海水第三類水質(zhì)監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)需滿足的約束條件，并盡可能的降低工程投資估算，本次將中心漁港一期區(qū)域以及相鄰的漁港二期區(qū)域、漳波河及寧遠(yuǎn)河下游以及部分外海區(qū)域作為研究主要區(qū)域。采用經(jīng)驗(yàn)證的潮流數(shù)學(xué)模型模擬了工程海域的潮流場(chǎng)，并對(duì)此潮流場(chǎng)下提出的不同治理方案的污染物擴(kuò)散情況進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。根據(jù)不同方案不同時(shí)刻的濃度場(chǎng)圖以及測(cè)點(diǎn)濃度變化曲線對(duì)方案進(jìn)行初步比選，得到以下結(jié)論：(1)引水管流量越大，港內(nèi)與外海水體交換越快，港內(nèi)污染物濃度下降越快；(2)雖然加大了引水管流量可以減小漁港口門處污染物超標(biāo)的面積，但并不能根本上解決漁港口門處存在污染物超標(biāo)的現(xiàn)象，這是由于寧遠(yuǎn)河高濃度徑流不停向口門輸送污染物所致，若從根本解決口門處污染物問(wèn)題還需要其他工程措施；(3)為使港內(nèi)大部分水域在增加引水管工程措施下達(dá)到海水第三類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)保證引水管流量至少為1 m3/s。