大铲湾突堤开槽的水环境响应

唐榆森，涂新军,2,3，王 燕，梁巧茵，周文浩，赖荣标

(1.中山大学土木工程学院，广东 广州 510275； 2.广东省华南地区水安全调控工程技术研究中心，广东 广州 510275；3.南方海洋科学与工程广东省实验室，广东 珠海 519000； 4.深圳市水务规划设计院股份有限公司，广东 深圳 518036； 5.长江水利委员会水文局长江三峡水文水资源勘测局，湖北 宜昌 443000)

海湾作为优良的开发环境，在人类社会的建设发展进程中占据着重要的地位[1]。但是随着人类对海湾原始环境的改造，势必会对海湾的水环境产生重大影响[2-6]。针对受工程围截后海湾的水环境治理，学者开展了相关研究。崔峥等[7]利用数学模型研究了马銮湾海堤和高集海堤的不同开口方案对厦门西海域水体交换能力和水质改善的影响；徐婉明等[8]采用数值模拟方法分析了南澳羊屿村围填海工程部分拆除、口门断面扩大对环抱式港池潮流场、纳潮量和水体交换能力的综合影响；林毅辉等[9]基于潮位及海流观测数据分析发现，高集海堤开口后厦门湾东西海域水动力显著增强，潮流特征明显变化，有利于改善海湾水环境。

深圳市大铲湾是粤港澳大湾区伶仃洋东岸的重要组成部分。随着区域开发的不断深入，滩涂围填、码头建设、港池开挖等各种人类活动日益增强，对大铲湾的水环境演变趋势产生重要影响。围绕大铲湾的水环境治理，董志慧等[10]通过建立大铲湾局部物理模型对入湾河流的污水排放进行试验研究，提出了水动力导控治理湾内水质的思路；莫思平等[11]基于水质物理模型探究了大铲湾湾区内无污染源情况下抽水、有污染源情况下注水等工程方案对湾区水体交换能力的改善效果；何梦云等[12]则通过现场资料分析与水质物理模型对大铲湾海水廊道水动力条件和水体污染物浓度变化进行研究；刘岩等[13]建立了大铲湾环境流体动力学模型，以湾区水龄为评价指标，分析得出填海工程对西乡河河口附近海域影响最大。目前，针对大铲湾突堤码头采取开槽措施，湾区水环境如何响应尚未有进一步的讨论。为此，本文以大铲湾水环境为研究对象，采用平面二维水动力模型对突堤码头不同宽度开槽工况下，湾区潮流场、水体换水周期以及污染带分布变化进行计算分析，以期为采用突堤开槽工程措施改善大铲湾水环境状况提供科学依据，并为同类型海湾水环境问题提供参考。

1 研究区概况

大铲湾位于粤港澳大湾区深圳市的西部，为伶仃洋东部的次一级浅海湾。海域面积5.89 km2，湾口水深约3～5 m，湾内平均水深约为2 m。湾区陆域入湾河流有西乡河、新圳河、双界河、桂庙渠和铲湾渠，如图1所示。

21世纪初，为满足当地水路交通的战略需求，大铲湾兴建集装箱突堤码头。码头的建设使得湾区与整个伶仃洋海域水体交换的通道被束窄，排水通道由原来的4.5 km束窄至约1 km，直接导致湾内水域变成相对封闭的港池，水动力严重不足。另一方面，大铲湾入湾河流的陆源污染汇入，使得污染物聚集在湾区难以消散，水体污染问题频发。根据当地水污染治理要求，大铲湾湾内水质将严格执行第三类海水水质标准。

2 研究方法

2.1 海湾水动力及水质数值模拟

海湾水动力模拟基于二维不可压缩Reynolds值均匀分布的Navier-Stokes方程组，服从Boussinesq假设和静水压力假定：

图1 海湾位置、测站分布及模型网格Fig.1 Locations of bay, gauging stations, and interpolated grids

(1)

(2)

(3)

其中

二维水动力模型的物质输运基本方程为

(4)

式中：u、v分别为x、y方向上的水流流速；C为基于水深平均的物质浓度；Dh为物质的水平扩散系数。

2.2 模型建立与验证

海湾水动力及水质模拟区域包括伶仃洋海域和大铲湾湾区，上边界为珠江三角洲东四口门(虎门水道、洪奇沥、蕉门水道及横门水道的入海口)，下边界为内伶仃岛附近海域。采用非结构化三角网格，东四口门河道网格分辨率为300～500 m、大铲湾及其入湾河流为30～50 m、外海开边界附近为2 km。模型中东四口门以及伶仃洋海域的地形数据来源于国家海事局2017年版海图，地形高程基面为珠江基面。模型网格及地形插值结果见图1。

伶仃洋上边界输入采用东四口门测站的实测潮位，下边界由外海内伶仃站潮位外推得到[14]。大铲湾陆域5条入湾河流流量采用当地防洪潮规划设计值。海底糙率作为重要参数分区给定，模型的糙率取值范围为0.014～0.031，涡黏系数取0.28。

表1 水动力模型率定验证期评价系数Table 1 Assessment coefficients of hydrodynamic model in calibration and verification periods

以2011年5月4日10:00至5月5日14:00作为模型率定验证期，率定和验证采用相同时段不同站点实测数据[15]。率定和验证测站分布如图1，其中仙屋角(H1)和万顷沙(H2)为潮位率定站，舢板洲(H3)、正强码头(H4)、大铲港(H5)和赤湾(H6)为潮位验证站，S1～S3和S4～S9分别为临时潮流流速流向的率定站和验证站。模型验证采用Willmott提出的模型精度评价系数[16]：

(5)

通常认为评价系数δ大于0.85时模型可信度极高，处于0.65～0.85时模型可信度很高，处于0.50～0.65时模型可信度高，低于0.50时模型可信度一般[17-18]。如表1所示，潮位率定和验证期的δ均在0.95及以上，流速率定和验证期的δ为0.74～0.94，流向率定和验证期的δ为0.62～0.90。总体上看，建立的水动力模型模拟可信度很高，能够较好地模拟伶仃洋海域及大铲湾的潮流运动规律。

2.3 工况设置及水文水环境边界条件

基于海湾及码头突堤特点，大铲湾海域分为湾尖、湾中和湾口3个区域，如图2所示。当地规划拟在突堤码头根部开槽，以改善大铲湾的水环境状况。本次研究拟设置开槽深度为2.5 m、开槽宽度W分别为0 m、10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m、80 m、100 m、150 m、200 m和300 m，共12种工况，分析开槽宽度对大铲湾潮流场、水体换水周期及污染物浓度分布的影响。

图2 大铲湾区域划分及开槽位置Fig.2 Division of Dachan Bay and slot location

模拟时段选取2011年5月1日至5月16日，符合一个大小潮周期，其平均高潮位和小潮差对于大铲湾水体交换属不利的弱潮动力现象，比较具有代表性。陆域入湾河流选用平水期(水文频率P=50%)水文条件，即西乡河、新圳河、双界河、桂庙渠和铲湾渠河口入海的设计流量分别为1.54 m3/s、1.35 m3/s、0.54 m3/s、1.39 m3/s和0.73 m3/s。主要污染物选取化学需氧量CODMn[19-21]，入湾河流的CODMn排放质量浓度按地表水Ⅴ类设定，即15 mg/L。根据前人的研究成果[22]和大铲湾水质月监测数据，伶仃洋和大铲湾的CODMn初始质量浓度分别为1.85 mg/L和2.66 mg/L。水质模拟时，海域污染物水平扩散系数为1 m2/s[23]，CODMn衰减系数取0.07 d-1[24]。大铲湾水体的换水周期采用基于浓度变化的指数衰减函数来表征[25-26]，即湾内示踪剂浓度降至初始浓度的1/e时所需要的时间。

表2 大铲湾潮流流速随开槽宽度的变化Table 2 Changes of tidal velocity with slotting width in Dachan Bay

3 结果与讨论

3.1 潮流场变化

大铲湾突堤码头开槽前后湾区潮流场的流向分布如图3所示，图中开槽宽度为150 m。整体上，开槽前后湾区内外潮流场的流向分布变化不大。涨潮时段，大铲湾外部区域水体的整体流向为东南至西北，湾口至湾尖流向由西南至东北转为东南至西北；落潮时段，湾区外部潮流流向为西北至东南，湾尖至湾口的潮流流向由西北至东南转为东北至西南。大铲湾码头根部未开槽时，湾尖水体在涨潮过程中主要受潮汐推力的作用涌向西乡河河口方向；开槽之后，湾尖的潮汐通道增加，一部分继续涌入西乡河口，另一部分经由槽通道汇入大铲湾外部海域；落潮过程中，湾尖西侧海域水体则由槽通道进入大铲湾内部，加速湾尖水体向湾口方向的流动。

不同开槽工况下的大潮涨落潮时段平均流速统计结果见表2。大铲湾内部水体的涨落潮流速随开槽宽度增加而增加。开槽宽度增至300 m时，湾尖、湾中和湾口的涨潮时段平均流速增幅分别为124.9%、13.8%和7.0%，落潮时段平均流速增幅分别为251.1%、22.5%和8.8%。码头根部开槽后，湾尖和湾中落潮时段的潮动力提升显著强于涨潮时段。

3.2 换水周期变化

不同开槽工况下大铲湾换水周期空间分布如图4所示，各分区统计结果见图5。在未开槽情况下，大铲湾换水周期的空间异质性较强，各入湾河流的河口和大铲湾湾口处的换水周期较短，换水周期从湾口至湾尖逆时针方向呈梯度增加。湾尖的换水周期较长，其变化范围为4.56～5.73 d，平均换水周期4.90 d；其次为湾中，换水周期变化范围为0.58～4.56 d，平均换水周期2.09 d；湾口的换水周期较短，变化范围为0.25～1.64 d，平均换水周期0.92 d。主要原因是河口处的水体在上游径流的作用下，向湾内流动的速度得到基本保证，促使该区域的换水能力相对较强；湾口水体受潮流运动作用，与外海的交换能力较强；随着离湾口距离的增加，湾中的交换能力逐渐减弱；对于湾尖水体，一方面受西乡河的径流作用向湾口流动，另一方面在涨潮阶段同时受到潮流的顶托形成往复流动，致使该区域的水体交换能力较差。

图4 大铲湾换水周期随开槽宽度的变化Fig.4 Changes of water e-folding time with slotting width in Dachan Bay

图5 大铲湾各分区平均换水周期随开槽宽度的变化Fig.5 Changes of average water e-folding time with slotting width in each sub-region of Dachan Bay

若在码头根部开槽，大铲湾换水周期的空间异质性随开槽宽度的增加被进一步削弱，尤其是湾尖区域的换水周期明显缩短。开槽宽度增加至100 m和300 m 时，湾尖的平均换水周期分别缩短至3.02 d和 2.34 d，与未开槽时相比减少了39.4%和52.2%。

3.3 污染带变化

不同开槽工况下大铲湾各区域CODMn质量浓度和CODMn平均质量浓度变化如图6和图7所示。未开槽时，受到入湾河流输运的陆源污染影响，CODMn污染带(ρ(CODMn)>4 mg/L)主要分布在湾尖和湾中河口沿岸地区。由于湾尖距离湾口的潮汐通道较远并且呈垂向交叉关系，致使该区域成为潮动力最小的盲肠段，CODMn平均质量浓度为9.45 mg/L，超标情况较为突出。湾中的超标水体受潮汐运动路径的影响，沿大铲湾岸线呈条带状分布，其中，距离湾口位置最远的新圳河河口附近超标水体呈现大面积聚集。开槽后，湾尖码头侧水体在潮流运动和西乡河径流的共同作用下，其CODMn质量浓度值明显低于湾尖内陆侧，污染带被压缩在河口及内陆侧沿岸地区。主要原因是槽通道垂直于湾尖内陆侧，落潮时外海水体由槽通道进入湾尖，推动污染带向内陆侧压缩。另外，开槽对湾中河口沿岸地区的污染带分布影响较小。

大铲湾分区污染带面积占比变化见图8。未开槽时，湾尖、湾中污染带占比分别为100%、28.4%。开槽后，随着开槽宽度增加，湾尖污染带面积占比表现为先快速下降后趋近平缓的特点，湾中污染带面积占比的变化范围则相对较小。湾尖的污染带面积占比在开槽宽度60 m时下降到22.0%，开槽100 m时下降到13.1%，之后随着开槽宽度增加，污染带范围变化较小。湾中区域的污染带面积占比，在开槽宽度10 m时即下降到16.5%，之后轻微减少。上述结果表明，码头根部开槽能够有效减少湾尖和湾中的污染范围。结合污染带总体削减趋势可知，若开槽宽度过小则难以实现污染状况的改善，当开槽宽度增加到一定数值时，污染状况进一步改善的效果甚微，因此，较为合理的开槽宽度为60～100 m。

图6 大铲湾CODMn质量浓度随开槽宽度的变化Fig.6 Changes of CODMn mass concentration with slotting width in Dachan Bay

图7 大铲湾各分区平均CODMn质量浓度随开槽宽度的变化Fig.7 Changes of average CODMn mass concentration with slotting width in each sub-region of Dachan Bay

图8 大铲湾污染带面积占比随开槽宽度的变化Fig.8 Changes of proportion of pollution zone area with slotting width in Dachan Bay

4 结 论

a.由于突堤码头的建设，大铲湾湾尖区域相对封闭，水体运动缓慢。码头根部开槽后潮汐通道增加，湾内水体在涨潮时经由槽通道流出，落潮时外海水体流入湾区内。随着开槽宽度的增加，湾区水体涨落潮流速均整体增加，且开槽宽度的增加对改善湾尖区域潮动力效果最为明显。

b.未开槽时大铲湾换水周期呈现较强的空间异质性，从湾口至湾尖逆时针方向呈梯度增加；随开槽宽度的增加，换水周期的空间异质性被削弱，湾尖区域的换水周期明显缩短。

c.未开槽时大铲湾污染带分布在入海河口沿岸海域及整个湾尖区域。开槽后湾尖区域污染带范围明显收缩，主要分布在湾尖内陆侧。湾尖污染带面积占比随着开槽宽度的增加表现为先快速下降后趋近平缓，湾中污染带面积占比的变化范围则相对较小。

d.未开槽情况下，大铲湾湾尖区域水污染问题较为突出。突堤根部开槽后，由于潮动力增强和换水周期缩短，湾尖区域水环境得到了明显改善，综合考虑水环境改善效果和工程经济性，认为较为合理的开槽宽度为60～100 m。