引水管规模对三亚中心渔港水质提升作用研究

王璐璐

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092)

随着全球航运业和海洋开发业的发展，海洋环境污染越发受到重视，河口海岸区的海水污染问题是陆地和海洋相互作用的研究内容之一，也是全球环境变化研究的重点问题，港口、航道环境水质的问题已日益受到广泛的关注。

对于近岸污染物扩散研究，主要是从水动力的角度进行研究，当今国际上先进的、广泛应用的模型有POM、ECOM、FVCOM、EFDC、MIKE等。各模型都有自身的特点和制约因素，本文选择MIKE21[1]。

李绍武[2]等采用MIKE21分析了越南某电厂防波堤的透水性对温度场扩散的影响；陈雪峰等[3]运用MIKE21模型对潮汐潮流作用下的电厂排水口温排水热扩散特性进行数值模拟；黄成等[4]应用MIKE21建立广西近海二维溢油扩散模型,对溢油事故进行影响预测；舒长莉等[5]运用MIKE21对河道饮用水源地突发污染事故进行模拟；郭鹏程等[6]运用MIKE21模型对人工生态湖泊优化设计进行了研究。余成等[7]基于MIKE21模型对武汉东湖建立了水质模型，并对相关引水工程进行研究；Lopes等[8]利用MIKE21模型对Ria deAveiro湖进行了研究，并证明该模型可作为生态系统分析管理的有效工具；王哲等[9]采用MIKE21模型对金仓湖的水流和水质变化情况进行了模拟，为湖泊生态规划提供了科学依据；高晓薇等[10]运用MIKE21构建了北运河水系水质数值模型，预测了北运河综合治理工程实施后北运河水污染特征时空变化情况。以上研究均表明MIKE21为一个有效的水质环境模拟及评价技术，可以作为模拟工具应用于本文研究。

1 研究背景

三亚崖州区中心渔港位于海南岛西南海岸，属海南省三亚市管辖，港址位于三亚市西面的崖州湾，宁远河出海口处，背靠崖城镇、东依南山岭。三亚市崖州区中心渔港为国家级中心渔港，年鱼货卸港量8万t，满足800艘各型渔船停泊、避风和补给。2016年8月1日开始正式开港运营以来，渔港以及周边环境无机氮浓度超标，远高于0.5 mg/L，超出本区域海水水质要求，亟需对渔港内水环境进行综合整治。根据我国现行海水水质标准GB 3097-1997，中心渔港一期工程区域达到海水第四类水质可满足规范要求。但结合《海南省污染水体治理三年行动方案》及省厅的具体要求，考虑到远期建设滨海风景旅游区，崖州港的水质目标提高一级，为第三类海水水质。

经现有资料和实地踏勘综合分析，初步认为崖州中心渔港存在问题形成原因如下：(1)纳泥岛和防波堤的建设阻挡潮汐交换，导致港区水域基本处于半封闭状态；(2)东侧宁远河通道因沿岸输沙封堵，出海口封闭，宁远河水和外海交换需通过渔港二期水域，影响渔港一期水域；与外界水体交换量偏小；(3)港区狭长，水动力条件差，外海水体涨潮进入港域水量较小，涨落潮过程水体交换不充分；(4)上游河流以及沿岸排污管等污染物排放至港内水域，漳波河和宁远河向港区内输送超过四类海水指标的污染物水体，港区内污染物扩散弱；(5)大量渔船本身对港内水域形成一定污染。

为更好地建设、维护三亚崖州中心渔港，通过建立了潮流数学模型以及污染物扩散模型，提出了提升措施方案，并着重研究不同引水管规模方案，并进行数值模拟，分析了渔港内部水动力，污染物扩散分布情况，选取最为经济合理的引水管规模。

2 模型原理

2.1 潮流数学模型

潮流计算采用Mike21[1]系列软件中的三角形网格水动力模块(FM模块)，模型控制方程采用经Navier-Stokes方程沿深积分的二维浅水方程组，并将紊流作用以涡粘系数的形式参数化。基本方程形式见式(1)至式(3)。

(1)

(2)

(3)

2.2 污染物扩散模型

污染物在水体的运动形式分为三种：推移迁移，扩散和衰减。三种运动的作用使污染物浓度降低，称为水体“自净作用”。

污染物扩散方程如下

(4)

式中：c为污染物浓度；u为v水平速度分量，m/s；h为水深，m；Dx，Dy为x，y向扩散系数,m2/s；F为线性衰减系数(s-1)；S为Qs×(cs-c)；Qs为源或汇流量，(m3·s-1)/m2；cs为源处污染物浓度。

3 模型建立及验证

3.1 计算网格和边界条件

工程海域位于三亚市崖州湾附近，受宁远河径流以及潮流和波浪的共同作用。为了充分反映工程局部海域受北部湾潮流的影响，选取北部湾区域为大模型，在工程区域附近选取小地形并进行了网格局部加密。模型网格采用三角形网格，可以很好模拟岸线和工程建筑物，小模型计算范围及工程区域见图1。

图1 工程区域平面示意图Fig.1 Sketch of the project area

3.2 模型潮位和流速验证

为了验证本文建立的潮流模型的准确性，依据2016年5月3日9时～4日12时的水文实测资料与计算结果进行验证，2016年实测资料包含大潮、小潮T1～T8共8个测站的潮位资料，V1～V15共15个测站的流速测站资料。

由于篇幅限制，仅展示部分潮位流向流速验证如图2、图3、图4所示，分别比较大潮期潮位、流速及流向计算结果与实测结果；小潮潮位计算结果与实测结果的比较情况可知：数模计算结果与实测结果有较好的一致性，潮位、流速及流向模拟值与实测值的相对误差分别在0%～2.25%、0.10%～4.77%和0.2%～5.35%，表明模型能较好反映工程区附近海域的潮流流动规律，设置参数能用于本次研究。

2-a T52-b T6图2 潮位验证图Fig.2 Tidal level verification

3-a V53-b V6图3 流向验证图Fig.3 Tidal direction verification

4-a V54-b V6图4 流速验证图Fig.4 Tidal velocity verification

4 模型计算分析及方案分析

4.1 方案设计

为提升三亚中心渔港水质，进行如下提升工程措施，工程措施平面布置图见图5：对渔港一期工程水域进行生态清淤，增加渔港内部所有水域水深至-7 m；清淤后水环境改善，渔港内初始无机氮浓度降至约0.4 mg/L(海水第三类、第四类水质之间)；严格控制上游漳波河污染物浓度，非汛期关闭节制闸，漳波河河水由连接渠汇入宁远河；汛期开启节制闸，漳波河从原河道入海。对口门位置淤积形成的无人岛进行开挖，增加港内与外海的水体交换；为满足港区泊稳性，建设透空式防波堤；漳波河与中心渔港相连区域增加水泵抽取外海低污染物浓度海水，增加港内与外海的水体交换。基于以上改造方案下，本文重点研究水泵不同流量下，渔港内污染物的浓度变化以及水质提升效果。

4.2 模拟条件

本次研究边界条件根据崖州区环境保护局提供2019年3月中心渔港、宁远河崖城大桥检测断面以及漳波河实测数据。中心渔港一期工程水域内部初始无机氮浓度场浓度为0.4 mg/L，整个港区内无机氮排放速率为1 mg/s，港内设置水泵，流量为1 m3/s；漳波河在非汛期封堵；宁远河流量为20.6 m3/s，持续排放无机氮浓度为0.759 mg/L，初始浓度场为0.4 mg/L，让污染物在宁远河内自由扩散；外海无机氮浓度为0.2 mg/L；整个计算过程暂不考虑污染物降解。分别设置引水管流量为0.5 m3/s、1.0 m3/s、1.5 m3/s、2.0 m3/s四种工况，其余参数设置相同，比较不同流量下渔港内污染物浓度状况。本次模型中引水泵以点源流量考虑，透空式防波堤以局部海岛边界考虑。

图5 方案布置平面图Fig.5 Plan of scheme layout图6 崖州湾现状流场图Fig.6 Flow field of Yazhou Bay

图7 一期港池现状流场图Fig.7 Flow field of phase I harbor basin图8 不同流量下测点1污染物浓度历时曲线Fig.8 Duration curve of pollutant concentration at measuring point 1 under different discharge

4.3 模拟结果分析

本次研究首先对现状工程区域进行水动力模拟，由图6、图7可知崖州湾内潮水明显的涨落潮变化，呈现往复流特性。但渔港内大潮涨急落急时刻流速均小于0.05 m/s，水动力条件较弱。

基于MIKE21模型对不同引水管规模水动力及污染物扩散进行模拟，每种工况模拟时间大于20 d，整个浓度场趋于稳定，并提取3个测点进行数据分析，测点位置见图5。测点1靠近漳波河河口，测点2位于港池内，测点3靠近口门。图8～图10为不同流量下各测点污染物浓度历时曲线；图11～图14为历时20 d污染物分布图不同流量渔港内污染物浓度场图。

图9 不同流量下测点2污染物浓度历时曲线Fig.9 Duration curve of pollutant concentration at measuring point 2 under different discharge图10 不同流量下测点3污染物浓度历时曲线Fig.10 Duration curve of pollutant concentration at measuring point 3 under different discharge

如图8～图10所示，不同引水管流量在同一时间模拟结果对比，引水管流量越大，港内与外海水体交换越快，港内污染物浓度下降越快。随着引水管流量加大，测点1～3的污染物浓度都有下降趋势，测点1和2处的污染物浓度下降速度很快，很快达到海水第三类水质标准。测点3污染物浓度呈现先下降后上升的趋势，是因为宁远河高浓度污染物径流还没有扩散到测点3，模型还未稳定，分析时可以不考虑5日之内的情况。由图10可知：虽然引水管流量越大口门处污染物浓度超标范围越小，但污染物浓度仍大于0.5 mg/L，增大引水管流量不能根本上解决港区口门处污染超标的现象。

图11 历时20 d污染物分布图(流量0.5 m3/s)Fig.11 20 d pollutant distribution (discharge 0.5 m3/s)图12 历时20 d污染物分布图(流量1.0 m3/s)Fig.12 20 d pollutant distribution (discharge 1.0 m3/s)

模拟过程中，模拟2 d时，初始阶段，不同流量方案浓度场类似；模拟10 d后，流量2 m3/s情况下，除口门区域，港池内基本达到海水第三类水质标准；模拟15 d后，流量1.5 m3/s情况下，除口门区域，港池内基本达到海水第三类水质标准。如图11～图14所示，为不同引水管规模情况下，浓度场稳定的计算成果。由图可知：引水管流量越大，在同一时刻渔港内达到海水第三类水质的面积也越大。在20 d时可以看出，虽然加大引水管流量可以减小渔港口门处污染物超标的面积，但并不能根本上解决渔港口门处存在污染物超标的现象，这是由于宁远河高浓度径流不停向口门输送污染物所致，若从根本解决口门处污染物问题还需要其他工程措施，例如对口门进行疏浚，又或者将外部防波堤改为透空式防波堤。除此之外，在20 d时，引水管流量为0.5 m3/s工况下，港内仍有三分之一的水域达不到海水第三类水质。因此，为使港内大部分水域在增加引水管工程措施下达到海水第三类水质标准，应保证引水管流量至少为1 m3/s。

图13 历时20 d污染物分布图(流量1.5 m3/s)Fig.13 Pollutant distribution during 20 d(discharge 1.5 m3/s)图14 历时20 d污染物分布图(流量2.0 m3/s)Fig.14 Pollutant distribution during 20 d(discharge 2.0 m3/s)

5 结论

在对工程海域水动力和污染物扩散分析的基础上，根据工程海域的海洋功能区划分情况以及海洋环境保护规划，遵循海水第三类水质监测标准需满足的约束条件，并尽可能的降低工程投资估算，本次将中心渔港一期区域以及相邻的渔港二期区域、漳波河及宁远河下游以及部分外海区域作为研究主要区域。采用经验证的潮流数学模型模拟了工程海域的潮流场，并对此潮流场下提出的不同治理方案的污染物扩散情况进行预测分析。根据不同方案不同时刻的浓度场图以及测点浓度变化曲线对方案进行初步比选，得到以下结论：(1)引水管流量越大，港内与外海水体交换越快，港内污染物浓度下降越快；(2)虽然加大了引水管流量可以减小渔港口门处污染物超标的面积，但并不能根本上解决渔港口门处存在污染物超标的现象，这是由于宁远河高浓度径流不停向口门输送污染物所致，若从根本解决口门处污染物问题还需要其他工程措施；(3)为使港内大部分水域在增加引水管工程措施下达到海水第三类水质标准，应保证引水管流量至少为1 m3/s。