珠海香洲港海域水体交换能力研究

英晓明，王 平

（国家海洋局南海海洋工程勘察与环境研究院，广州 510300）

珠海香洲港海域水体交换能力研究

英晓明，王 平

（国家海洋局南海海洋工程勘察与环境研究院，广州 510300）

文章利用开源代码Delft3D数值模式建立了珠海香洲港海域的二维潮流数学模型，在对模型进行验证基础上，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将为1%需要10 d时间，下降为1‰需要16 d时间。受珠海歌剧院、野狸岛和防波堤的阻隔，香洲港海域水流动力较小，使得港区内水体交换能力较弱。香洲港海域无机氮含量超第四类海水水质标准，应减少陆源排放，加强环境保护。

水体交换；数值模拟；香洲港

珠海香洲港海域位于珠江口香洲湾（图1-c），在珠海市情侣中路东侧。香洲港海域水深基本在4 m以内（图1-d），歌剧院和野狸岛之间水域水深在0.5 m以下。香洲港进港路、防波堤、珠海歌剧院、野狸岛、海燕桥和香洲情侣路之间形成半封闭海域。伶仃洋潮差较小，属弱潮型，潮汐系数在0.96～1.77之间，为不正规半日混合潮型。中国科学院南海海洋研究所于2014年1月在项目附近东北侧水域进行了水文观测，观测结果表明，垂向平均流速最大达1.05 m/s，大潮期间涨潮平均流速0.29 m/s，落潮平均流速0.34 m/s。根据赤湾1983～1984年实测资料分析，最大波高为1.98 m，最大波高平均值为0.68 m，40%实测资料的平均波高小于0.1 m。珠海海洋环境监测中心站于2013年10月和2014年7月对香洲港海域进行了水质监测，调查结果表明该区域无机氮含量超第四类海水水质标准。

关于水体交换方面的研究，国内已有相关研究。蒋昌波等［1］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［2］通过MIKE3模型对珠江口水体交换进行了研究。林忠洲等［3］利用Delft3D数值软件对浙江宁波象山港水体交换能力进行了研究。本文利用开源代码Delft3D数值模式模拟香洲港海域水体交换能力，并对原因进行探讨和分析。珠江口水系复杂，西江、北江和东江等汇聚在一起，有八个口门入海。为能较好的模拟珠江口潮流，本文利用已搭建好的珠江口大范围数学模型［4］，建立了嵌套的珠海香洲港海域的二维潮流数学模型，珠江口大范围模型见图1-a，香洲港海域网格见图1-b。本文对香洲港海域水体交换能力的研究将为香洲港海域水质环境规划整治提供参考。

1 数学模型

本文利用开源代码Delft3D数值模式建立香洲港海域垂向平均的二维潮流数学模型。关于河口海岸动力数值模式，应用较多的有POM［5］，ROMS［6］，FVCOM［7］和ECOMSED［8］等。Delft3D数值模式开发早，功能较多，相对成熟，在国内外河口海岸研究领域有广泛的应用［9-12］。目前，王崇浩和韦永康［13］创建了三维的水动力和泥沙输移模型并在珠江口进行了应用；朱泽南等［14］利用SELFE数值模式创建了珠江口潮流泥沙输运的三维数学模型。Delft3D数值模式的简介和正交曲线坐标系中的水流运动基本方程见Delft3D手册（Deltares，2013）和参考文献［4，15］。

图1 项目位置、水深地形、水文测站和模型网格Fig.1 Location of studied area，water depth，hydrological stations and model grid

2 模型建立和验证

2.1 模型建立

珠江口大范围潮流数学模型建立及验证见文献［4］。珠海香洲港海域模型网格个数为455×536，范围约为东经113.551°E～113.787°E，北纬22.18°N～22.37°N，ξ方向最大格距约为486 m，最小格距约为7 m；η方向最大格距约为562 m，最小格距约为6 m。模拟范围内的岛屿及陆域，用网格干点表示。珠江口大范围模型上游流量给月平均值，参照《中国河流泥沙公报》［16-17］。大区模型在水系上游设置为月平均流量，外海开边界设置为水位边界条件，由8个分潮调和常数计算，详见文献［4］。珠海香洲港海域区域模型外海开边界为水位边界条件，由大区模型嵌套提供。底摩擦曼宁系数基本为0.012，每个网格格点糙率值由模型率定确定。珠江口大范围模型模拟时间步长为60 s，香洲港区域模型模拟时间步长为30 s。

2.2 模型验证

珠江口大范围潮流数学模型采用2007年潮位和潮流资料进行了验证［4］，这里利用2011年4月17日～4 月10日和6月10日～6月12日的实测资料对珠江口大范围数学模型再一次进行了潮位和潮流验证，模型潮位和潮流观测站位见图1-c。模型水位验证结果见图2，由图2可见，模型能够较好的模拟水位变化。

图2 观测站水位模拟结果（圆圈代表实测值，实线代表模拟值）Fig.2 Verification of water level between observation and simulation in different stations

图3 流速、流向验证结果（圆圈代表实测值，实线代表模拟值）Fig.3 Verification of current velocity and flow direction

图4 局部模型流速验证结果（圆圈代表实测值，实线代表模拟值）Fig.4 Verification of current velocity for detailed model

珠江口大范围模型流速验证结果见图3。香洲港附近海域流速验证资料来自珠海海洋环境监测中心站2013年11月观测数据和广州地质勘察基础工程公司2014年9月观测数据，观测站位见图1-c。香洲港局部区域模型流速验证结果见图4。流速和流向模拟值与实测值误差较小，变化趋势相近。总体而言，珠江口大范围模型和香洲港海域局部模型内潮流模拟验证较好，模拟结果基本能够反映研究海域的潮流运动特征。

图5 浓度分布Fig.5 Distribution of concentration

图6 浓度随时间变化Fig.6 Variation of concentration with time

图7 流速分布Fig.7 Distribution of velocity

3 水交换能力分析

利用保守物质的浓度变化分析香洲港海域水体交换能力。假定香洲港海域内初始污染物浓度为1个单位，利用数学模型预测香洲港海域内物质浓度变化情况。数值模拟时间为2013年2月1日～2月28日。图5为不同时间段香洲港海域物质浓度分布，物质浓度1天后下降约50%（图5-b）。图6-a反应了香洲港海域内代表点（代表点见图5-a）物质浓度随时间的变化过程，图6-b反应了香洲港海域港区内物质平均浓度随时间变化过程，物质浓度基本呈指数形式下降。模拟结果显示污染物浓度减少到1%需要约10 d（图5-c），污染物浓度减少到1‰需要约16 d（图5-d）。

香洲港海域流速较小，大潮涨急和落急时刻流速大多在0.3 m/s以下（图7）。采用低通滤波方法，计算港区及附近海域1个月潮流产生的余流。结果表明，余流流速大多在0.06 m/s以下（图8），珠海歌剧院北侧和防波堤之间边界余流朝向指向西；野狸岛南部与陆地之间边界偏陆地侧余流流向指向北，偏野狸岛侧余流流向指向南。受珠海歌剧院、野狸岛和防波堤的阻隔，边界处余流基本指向港区内部，香洲港海域水体与外侧海域交换能力减弱。目前，防波堤和海燕桥之间靠岸一侧有几处市政污水排污口，废水排放将使香洲港海域水质环境受到影响。鉴于目前香洲湾海域水交换能力较弱，为提高情侣路近岸海域水质环境，应采取措施降低市政污水排放浓度。

图8 香洲港海域余流分布Fig.8 Distribution of net velocity in Xiangzhou Port sea area

4 结论

本文利用开源代码Delft3D数值模式建立了香洲港海域的二维垂向平均潮流数学模型，并对模型进行了验证。结果表明，本文所建立的模型能够反演潮流动力的变化过程，模型能够用来模拟香洲港海域水体交换。模拟表明，香洲港海域水体交换能力弱，主要原因是受边界防波堤、歌剧院和野狸岛的影响，港区内水流动力较小。因此，要提高香洲港海域内的水环境质量，需要减少近岸排污量和进一步降低排放浓度。

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［17］中华人民共和国水利部.泥沙公报［M］.北京：中国水利水电出版社，2013.

Study of water exchange ability in Xiangzhou Port sea area,Zhuhai

YING Xiao⁃ming,WANG Ping
（South China Sea Marine Engineering and Environment Institute,SOA,Guangzhou 510300,China）

Open code of Delft3D was used to set up a two dimensional hydrodynamic model for Xiangzhou Port sea area in this paper,and this paper focused on simulating the water exchange ability for Xiangzhou Port sea area. The water exchange ability was simulated in Xiangzhou Port sea area after the verification of numerical model.The result shows that the initial concentration reduced to 1%needs 10 days,and reduced to 1‰needs 16 days in Xiangzhou Port sea area.The water exchange ability is relatively weak,because the flow velocity is a little small due to the effect of Zhuhai opera,Yeli island and the jetty.The concentration of inorganic nitrogen is over the fourth class water quality standards in Xiangzhou Port sea area,and the land emissions should be reduced to strengthen environmental protection.

water exchange;numerical modeling;Xiangzhou Port

TV 131；O 242.1

A

1005-8443（2016）01-0039-07

2015-05-04；

2015-07-06

华东师范大学河口海岸学国家重点实验室基金项目资助（SKLEC-KF201313）

英晓明(1979-)，男，辽宁昌图人，博士，工程师，主要从事河口海岸环境动力学方面研究工作。

Biography：YING Xiao-ming（1979-），male，engineer.