环抱式港池水体交换研究——以连云港徐圩港区为例

（河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，江苏 南京 210098）

环抱式港池水体交换研究
——以连云港徐圩港区为例

张玮，陈祯，刘燃，曹昊

（河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，江苏 南京 210098）

环抱式港池普遍存在水体交换能力较弱的问题，水体交换通道是提高港区水体交换能力主要方法之一。文中以规划中的连云港徐圩港区为例，建立对流扩散模型，通过计算研究徐圩港区对流与扩散之间的关系，分析港区水体交换机理和主要影响因素；通过设置水体交换通道探讨其对港区水体交换功能改善的主要影响因素。研究表明：对流作用在徐圩港区水体交换中占有绝对优势，增大流速可提高港区的水体交换能力；水体交换通道的断面面积及断面形状对港区的水体交换效果影响较大。

环抱式港池；对流扩散模型；Peclet数；水体交换通道；潮量；潮位

0 引言

随着我国经济的快速发展，深水岸线已经成为日益稀缺的资源。规划中的连云港徐圩港区位于淤泥质浅滩开敞海域，水浅坡缓，波浪作用明显，水沙运动复杂。采用环抱式港池，有效增加了岸线资源，同时防浪挡沙、减少泥沙回淤。然而，环抱式港池存在水体交换能力较弱的问题，如港区内发生污染，则污染水体不易排出。因此，开展环抱式港池水体交换能力及其改善措施研究是十分必要的。

近年来，许多学者对港湾的水体交换能力进行研究。Liu[1]等通过POM三维水动力模型耦合扩散模型对胶州湾的水交换进行了模拟。娄海峰[2]等通过模拟对流—扩散过程来研究象山港狭湾内外的水体交换问题。董礼先[3-4]等建立了二维对流扩散型的海湾水交换数值模型，对象山港的不同区域水交换控制机理作了初步研究。张玮[5]等利用对流扩散模型模拟不同潮型对水体交换的影响并探讨改善港池水质的工程措施及其效果。何杰[6]等通过添加水体交换通道改善挖入式港池的水体交换能力，并分析潮差及潮量对水体交换效果的影响。以上研究中，更多的是探讨对流扩散模型的数值方法和实际海域应用情况，对水体交换能力的机理却较少涉及，同时针对水体交换通道的断面尺寸对水体交换效果的影响也鲜有研究。

本文采用平面二维对流扩散数学模型，以规划中的连云港徐圩港区为例，对模型中对流及扩散进行了比较研究，分析了港区不同位置水体交换能力差异的原因。通过方案比选，探讨通道断面尺度和形状对于改善水体交换能力的影响，研究结果可供有关部门决策时参考。

1 平面二维数学模型

1.1 研究对象概况

连云港位于江苏苏北沿海，潮汐运动受南黄海驻波系统控制，为正规半日潮。外海潮流为逆时针旋转流，近岸受地形影响，潮流逐渐向往复流过渡，流向大致与岸线平行[7]。多年平均潮差3.4 m，平均涨潮历时5 h 38 min，平均落潮历时6 h 48 min。根据连云港大西山海洋站实测波浪资料统计，常浪向为偏NE向，强浪向为偏N向。

根据规划，连云港徐圩港区采用环抱式单口门防波堤，口门位于-5 m（理论基面，下同）水深处，港区航道采用30万吨级标准建设，航道底标高-22.5 m，航道疏浚边坡1∶7，港区防波堤环抱面积75.8 km2，港内水域面积为31.4 km2，口门宽度为1 200 m，终期方案布置见图1。

1.2 基本方程

1）水流连续方程

2）水流运动方程

图1 徐圩港区终期规划布置示意图Fig.1 End stage planning layout of Xuwei harbor

式中：x，y为笛卡尔坐标；t为时间变量；η为水位；h为总水深，且有h=d+η，d为静水深；u，v分别为x，y方向深度平均速度；τbx，τby分别为x，y方向底部应力；ρ0为水的密度；f为科氏力系数，且f=2Ω sin φ；g为重力加速度；Txx，Tyy，Txy分别为水平黏滞应力项。

3）对流扩散方程

4） 紊动模型

采用Samagorinsky（1963）的亚网格尺度模型计算水平扩散系数Dh。

式中：vt为水平涡流黏度；σt为湍流施密特数；cs为Samagorinsky常数；l为特征长度，为2倍的网格特征尺度[8]；Sij为变形率；Δx，Δy分别为x，y方向上网格长度。

1.3 模型的建立和求解条件

建立模型的范围：西自现有岸线，北起日照（35°22′30″N，119°33′E），东至（35°22′30″N，120°17′E），南至废黄河口附近（34°17′00″N，120°17′E），东西宽约100 km，南北长约120 km，模型范围内水域面积约8 650 km2，详见图2。

图2 数学模型范围示意图Fig.2 Mathematical model of the scope

采用守恒性较好的有限体积法（FVM）数值求解上述方程组。模型计算区域的离散采用无结构三角形网格，工程区域最小网格尺度为20 m。

模型中的西边界、南边界为陆边界，根据不可入原理取法向流速为0；北边界、东边界为水边界，由东中国海潮波数学模型提供；灌河边界位于响水大桥附近，由灌河长河段模型提供。对流扩散模型中的浓度开边界规定为入流时水体浓度为0。

1.4 模型验证

潮流数学模型的验证采用2005年9月多个潮位站的潮位过程及多个潮流测点的流速过程。验证表明，连云港海域潮流数学模型所计算的潮位、流速与流向均与实测资料吻合较好，能够较好地反映原体潮流的运动规律，可用于工程问题研究。

2 水体交换研究

2.1 规划方案结果分析

对流扩散模型是在已建立并验证的连云港海域大范围潮流数学模型基础上，添加对流扩散模块，利用潮流模型的水动力结果计算物质传输的过程。计算时假定水体浓度为均匀分布，并给定初始港区污染物浓度为G0=1，港区外水体浓度为G1=0，在潮流作用下，港湾内外水体产生交换，在交换过程中，湾内水质不断更新，浓度逐渐减小，湾内平均浓度变为：0

从计算结果中提取计算初始时刻后2 d、4 d、18 d高低潮位时刻徐圩港区浓度分布等值线（图3），由图可知：

图3 不同时间高低潮位时刻浓度分布Fig.3 Concentration distribution in high and low tidal level at different time

1） 徐圩港区的水体交换受潮流作用明显。涨潮时，外海清水由口门流入；落潮时，港区内包含污染物的混合水体经口门流出。涨潮进水至落潮出水过程中，徐圩港区污染水体与外海清水形成水体交换。

2） 距离口门越近的港池，水体浓度下降速率越快。图3（b）～图3（g）为徐圩港区不同日期的高低潮位时刻浓度分布，显然五、六港池的水体浓度降低最快，三、四港池次之，一、二港池最慢。

3） 在各个港池中，港池尾部水域的水体浓度相对其他水域来说则下降较慢，是水体交换能力最弱的水域。

由于徐圩港区各个港池的水体交换能力不同，因此在进行具体评价时，按照水体半交换周期标准分港池进行讨论。表1统计了规划方案中各港池水体半交换周期，结果表明：三、五、六港池水体交换效果较好，5 d内水体完成半交换；一、二、四港池水体交换效果较差，水体半交换周期超过10 d。

表1 规划方案各港池半交换周期Table 1 Half time of exchange for each basin in planning d

2.2 对流扩散比较研究

由公式（4）可知，对流扩散方程包含对流项和扩散项。对流和扩散对水体浓度的作用有所不同，两者的关系通常用Peclet数来表示，其形式为：

式中：Pe为无量纲Peclet数；U为网格内平均流速；l为特征长度。

根据以往研究结果[10]，当Pe≥2时，水流表征为对流占优；当Pe<2时，水流表征为扩散占优。由式（6）知，扩散系数Dh与湍流施密特数σt密切相关，Kays[11-12]根据数值模拟和实验结果建议σt在0.5～1.0之间，本文根据连云港实际情况，模型中σt取为1。为研究对流及扩散对徐圩港区水体交换能力的影响，利用已计算出的水动力结果，计算2005年9月4日至2005年10月4日期间徐圩港区Peclet数的平均值及其分布，详见图4。由图可知，徐圩港区各水域内Peclet数一般超过50，远远大于2，说明对流作用在徐圩港区水体交换中占有绝对优势，扩散作用相对较小。因此，徐圩港区水体交换能力主要与港区内的水流流速有关。

图4 徐圩港区Peclet数平均值分布Fig.4 Mean of Peclet number distribution of Xuwei harbor

本文也对σt进行了敏感性分析，模型计算中分别取σt=0.2、0.5、5、10，计算结果显示各港池半交换周期并无明显变化，从另一方面佐证了徐圩港区水体交换主要依靠对流的作用。

2.3 徐圩港区水动力条件分析

由上述结论可知，徐圩港区水体交换主要依靠对流的作用，也就是与水流速度有关。大潮期间，徐圩港区的水动力作用最强，涨落潮过程中港区平均流速等值线详见图5。

图5 徐圩港区大潮期间平均流速分布Fig.5 Mean of velocity distribution during the spring tide of Xuwei harbor

由图5可知：五、六港池的平均流速最大，三、四港池次之，一、二港池平均流速最小；各个港池中，港池尾部的平均流速最低，基本不足0.01～0.02 m/s。港池中涨落潮平均流速的分布状态与水体交换能力基本一致，说明像徐圩港区这样的环抱式港池，水体交换能力主要取决于水流流速的大小。由此可以推断，若要改善徐圩港区的水体交换能力，则应从提高港区水流流速方面着手。

3 水体交换通道方案

水体交换通道是提高港区水体交换能力的常用工程措施。其原理是利用涨落潮期间，港区内外的潮位差，将海水引入港池或排放到外海，形成水体交换。对水体交换较差的港池布置水体交换通道后，可增强港池内的水流流速，有效改善港池水质。

3.1 方案设计

在规划方案的基础上，对水体交换能力较差的一、二、四港池分别设置水体交换通道，通道一端设在防波堤上，另一端设在港池末端中部（详见图6（a））。水体交换通道断面为矩形，为研究断面尺度对水体交换能力的影响，按照不同宽度和底面高程对方案进行划分：方案一、方案三和方案四的宽度都为100 m，底面高程分别为0 m、-2 m、-4 m；方案二、方案四、方案五和方案六的底面高程都为-4 m，宽度分别为50 m、100 m、150 m、200 m。表2统计了各方案断面尺寸和平均过水断面面积，其中，平均过水断面面积定义为平均海平面到通道底部的高度与断面宽度的乘积。各组方案计算时，初始时刻设置港区及水体交换通道的水体浓度G0=1.0，港区外为清水（图6（b）），其余设置与规划方案相同。

图6 水体交换通道方案Fig.6 Water exchange channel scheme

3.2 计算结果统计

为比较各方案水体交换通道对港区水体交换效果及水动力的影响，作如下统计：通过对流扩散模型计算结果，统计得到各方案中一、二、四港池的水体半交换周期，详见表3；通过模型中水动力计算结果，得到各组方案与规划方案在大潮期间平均流速的差值分布图，详见图7；在水体交换通道端点布置流量采样断面N1，N2，N4（图6（a）），通过水动力模块计算得到大潮期间各采样断面的流量，并对流量时间过程积分，得到各采样断面的潮量。并规定：水流经水体交换通道流进港池时段，为各水体交换通道的进潮过程，该过程N1，N2，N4断面流量为正值，潮量为进潮量；水流经水体交换通道流出港池时段，为各水体交换通道的出潮过程，该过程N1，N2，N4断面流量为负值，潮量为出潮量。潮量统计结果见表4。

表2 各方案断面尺寸和平均过水断面面积Table 2 Cross-sectional size and mean discharge section area of each scheme

表3 各组方案水体半交换周期Table 3 Half time of water exchange for each scheme d

3.3 计算结果分析

3.3.1 断面面积对水体交换的影响

对比表2、表3、图7及表4可知：水体交换通道的平均过水断面面积越大，通道的进出潮总量越大，对港池的水动力改善越好，港池的水体交换能力越强。方案六平均过水断面面积最大，其进出潮总量最大，相对规划方案的平均流速增加量最大，水体半交换周期最短。方案一平均过水断面面积最小，其进出潮总量最小，相对规划方案的平均流速增加量最小，水体半交换周期最短。其余方案也有类似的规律，因此增大水体交换通道的平均过水断面面积，可增加进出潮量，增强港池的水动力条件，提高其水体交换能力。

3.3.2 断面形状对水体交换的影响及原因分析

图7 各组方案与规划方案在大潮期间平均流速的差值分布Fig.7 Difference distribution of mean velocity during the spring tide between each scheme and planning scheme

表4 各组方案潮量统计Table 4 Tidal influx statistics of each scheme 106m3

方案二与方案三平均过水断面面积相同，仅断面形状不同，方案二底面高程较低，方案三断面宽度较宽。但是表4中方案三各水体交换通道的进出潮总量大于方案二，且相对规划方案的速度差值增加也更为明显（详见图7），水体交换效果也好于方案二（详见表3）。说明水体交换通道的平均过水断面面积相同时，断面宽度越宽，进出潮总量越大，对港池的水动力改善越好，水体交换能力越强。

为分析造成这种现象的原因，现来考察图8中方案二与方案三的过水断面与潮位的关系图。图8（a）中，潮位等于平均海平面（0 m）时，两个方案的过水断面面积相同；图8（b）中，潮位高于平均海平面，断面宽度较宽的方案，过水断面面积较大，增加的面积如图中阴影所示，且随着潮位升高面积增量也越大；图8（c）中，潮位低于平均海平面，底面高程较低的方案，过水断面面积较大，增加的面积如图中阴影所示，且随着潮位降低面积增量也越大。

以一港池N1点为例来说明断面形状对于进出港池潮量的影响，统计方案二和方案三在大潮期间进出潮过程的平均潮位（详见表5），并绘制N1点潮位时间过程和N1断面流量时间过程图（详见图9）。由图表可知，两个方案在N1点潮位时间过程相似，差别较小，流量时间过程差别较大。但是，在进潮过程中N1点平均潮位高于平均海平面，出潮过程中低于平均海平面，进潮过程的平均潮位明显大于出潮过程。因此，进潮过程中方案三的过水断面面积大于方案二，进潮量较大；出潮过程中的过水断面面积小于方案二，出潮量较小。由此导致一港池方案三的净潮量和总潮量大于方案二。类似地，也可以分析二港池、四港池的进出潮量，得出相近的结果。

图8 方案二与方案三的过水断面与潮位关系图Fig.8 Relationship between the discharge cross-section and tidal level of the second scheme and the third scheme

表5 进出潮过程N1点平均潮位Table 5 Mean tide level of N1 for the tide inlet and outlet process m

图9 方案二和方案三N1点潮位和N1断面流量时间过程Fig.9 Time series of the N1 tide level and N1 cross-sectional flow of the second scheme and the third scheme

3.3.3 一、二港池交换能力差异及原因分析

规划方案中，一港池水体半交换周期略高于二港池，添加水体交换通道后，一港池水体半交换周期均有所改善且小于二港池，特别地有些方案（方案一~方案三）二港池的半交换周期甚至高于规划方案。说明添加水体交换通道后，一港池的水体交换功能改善较显著，二港池水体交换功能改善不明显，部分方案中水体交换效果甚至变差。

一、二港池水体交换效果差异的主要原因在于：添加水体交换通道后，一港池的污染水体会流向二港池，对一港池水体交换较为有利，但对二港池有不利影响。对比表4中各方案净潮量可发现，N1断面的净潮量均为正，N2，N4的净潮量均为负，说明添加水体交换通道后，N1断面进港水量大于出港水量，N2，N4断面出港水量大于进港水量。由于一、二港池距离较近，一港池的部分污染水体会流向二港池，并随着净潮量的增大，自一港池流向二港池的污染水体也越多，因此各方案中一港池水体半交换周期均小于二港池。再加上方案一~方案三的平均过水断面面积相对较小，进出潮总量也较小，对二港池的水体交换能力改善效果不能抵消一港池污染水体流进二港池造成的不利影响，因此水体半交换周期没有降低，甚至高于规划方案。平均过水断面面积增大后（如方案四～方案六），进出潮总量增大，水体交换能力得到增强，水体半交换周期也随之下降。

进一步地，将以方案三为例，分析各方案中N1断面与N2，N4断面进出港水量产生差异的原因。图10、图11、图12为方案三大潮期间的监测数据。由图可知，当水体交换通道的港内采样点（N1，N2，N4）的潮位低于港外采样点（W1，W2，W4）时，N1，N2，N4断面流量表现为进港流量；当港内采样点潮位高于港外采样点时，N1，N2，N4断面则表现为出港流量。说明各通道进出潮过程中的水流方向与通道两端的潮位差密切相关。一港池水体交换通道两端潮差过程与二、四港池相反，因此其进出潮过程也与二、四港池相反。

图10 各采样断面流量时间过程Fig.10 Time series of the cross-sectional flow of each sampling

图11 各通道两端潮差时间过程Fig.11 Time series of the tidal range on both ends of each channel

图12 各采样点潮位时间过程Fig.12 Time series of the tidal level of each sampling site

4 结论及建议

1） 淤泥质海岸传统上多采用环抱式防波堤建港，水体交换能力相对天然条件有所减弱，对该类型港池的水体交换能力进行研究具有工程实际意义。

2） 规划方案的结果分析表明：徐圩港区的水体交换受潮流作用明显；港池距口门越近，水体交换能力越强；各港池尾部水体交换能力较差。

3） 水体交换主要与对流及扩散有关。研究表明：对流作用在徐圩港区的水体交换中占有绝对优势，扩散作用相对较小。因此，要想提高徐圩港区的水体交换能力，需要增加港区的水流流速。

4） 水体交换通道的断面面积和断面形状是改善水体交换能力的主要影响因素。水体交换通道平均过水断面面积越大，进出潮总量就越大，港池流速增加也越多，水体交换能力也就越强；平均过水断面面积相同时，则断面宽度较宽的方案，港池水体交换能力相对要强。

5） 对一、二、四港池添加水体交换通道后，一港池的污染水体会流向二港池，对一港池水体交换较有利，但对二港池的水体交换有不利影响。

6） 水体交换通道可以改善徐圩港区的水体交换效果，但若要明显降低水体半交换周期，必须采用较大的过水断面面积，工程量较大。有关部门应根据实际情况，慎重考虑，采取合理工程方案。

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Researches on water exchange for encircled basin— Take Xuwei harbor in Lianyungang as an example

ZHANG Wei，CHEN Zhen，LIU Ran，CAO Hao
（Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence of Ministry of Education，Hohai University，Nanjing，Jiangsu 210098，China）

The encircled basin has a weak capability for water exchange.Water exchange channel is one of the main methods to improve harbor water exchange capability.A convection-diffusion model based on the project of Xuwei harbor in Lianyungang is established and calculated for researching the relationship between convection and diffusion，analyzing the mechanism of harbor water exchange and the main influencing factors.The main factors of influencing harbor water exchange improvements is studied when setting water exchange channels.Results indicate that：convection play a dominate role in the water exchange of Xuwei harbor；water exchange capability in harbor can be enhanced by increasing current velocity；cross-sectional area and shape of the channel have a great effect on the result of water exchange in Xuwei harbor.

encircled basin；convection-diffusion model；Peclet number；water exchange channel；tidal influx；tidal level

U653.3

：A

：1003-3688（2014）03-0001-08

10.7640/zggwjs201403001

2013-12-10

国家高技术研究发展计划（863计划） （2012AA112509）；江苏省交通科学研究计划项目（20100714-30HDKY001-2）；2011年度江苏省研究生培养创新工程（CXZZ11_0449）

张玮（1958— ），男，山东青岛市人，教授，博导，主要从事港口航道工程研究。E-mail：zhangweihhu@vip.sina.com