珠海香洲港海域水體交換能力研究

英曉明，王 平

（國(guó)家海洋局南海海洋工程勘察與環(huán)境研究院，廣州 510300）

珠海香洲港海域水體交換能力研究

英曉明，王 平

（國(guó)家海洋局南海海洋工程勘察與環(huán)境研究院，廣州 510300）

文章利用開源代碼Delft3D數(shù)值模式建立了珠海香洲港海域的二維潮流數(shù)學(xué)模型，在對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證基礎(chǔ)上，模擬了香洲港海域水體交換能力。結(jié)果表明，香洲港海域從初始濃度下將為1%需要10 d時(shí)間，下降為1‰需要16 d時(shí)間。受珠海歌劇院、野貍島和防波堤的阻隔，香洲港海域水流動(dòng)力較小，使得港區(qū)內(nèi)水體交換能力較弱。香洲港海域無機(jī)氮含量超第四類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)減少陸源排放，加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)。

水體交換；數(shù)值模擬；香洲港

珠海香洲港海域位于珠江口香洲灣（圖1-c），在珠海市情侶中路東側(cè)。香洲港海域水深基本在4 m以內(nèi)（圖1-d），歌劇院和野貍島之間水域水深在0.5 m以下。香洲港進(jìn)港路、防波堤、珠海歌劇院、野貍島、海燕橋和香洲情侶路之間形成半封閉海域。伶仃洋潮差較小，屬弱潮型，潮汐系數(shù)在0.96～1.77之間，為不正規(guī)半日混合潮型。中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所于2014年1月在項(xiàng)目附近東北側(cè)水域進(jìn)行了水文觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果表明，垂向平均流速最大達(dá)1.05 m/s，大潮期間漲潮平均流速0.29 m/s，落潮平均流速0.34 m/s。根據(jù)赤灣1983～1984年實(shí)測(cè)資料分析，最大波高為1.98 m，最大波高平均值為0.68 m，40%實(shí)測(cè)資料的平均波高小于0.1 m。珠海海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站于2013年10月和2014年7月對(duì)香洲港海域進(jìn)行了水質(zhì)監(jiān)測(cè)，調(diào)查結(jié)果表明該區(qū)域無機(jī)氮含量超第四類海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)于水體交換方面的研究，國(guó)內(nèi)已有相關(guān)研究。蔣昌波等［1］利用平面二維數(shù)學(xué)模型對(duì)廣西北部灣鐵山灣建港前后的水體交換能力進(jìn)行了分析。黃少彬等［2］通過MIKE3模型對(duì)珠江口水體交換進(jìn)行了研究。林忠洲等［3］利用Delft3D數(shù)值軟件對(duì)浙江寧波象山港水體交換能力進(jìn)行了研究。本文利用開源代碼Delft3D數(shù)值模式模擬香洲港海域水體交換能力，并對(duì)原因進(jìn)行探討和分析。珠江口水系復(fù)雜，西江、北江和東江等匯聚在一起，有八個(gè)口門入海。為能較好的模擬珠江口潮流，本文利用已搭建好的珠江口大范圍數(shù)學(xué)模型［4］，建立了嵌套的珠海香洲港海域的二維潮流數(shù)學(xué)模型，珠江口大范圍模型見圖1-a，香洲港海域網(wǎng)格見圖1-b。本文對(duì)香洲港海域水體交換能力的研究將為香洲港海域水質(zhì)環(huán)境規(guī)劃整治提供參考。

1 數(shù)學(xué)模型

本文利用開源代碼Delft3D數(shù)值模式建立香洲港海域垂向平均的二維潮流數(shù)學(xué)模型。關(guān)于河口海岸動(dòng)力數(shù)值模式，應(yīng)用較多的有POM［5］，ROMS［6］，F(xiàn)VCOM［7］和ECOMSED［8］等。Delft3D數(shù)值模式開發(fā)早，功能較多，相對(duì)成熟，在國(guó)內(nèi)外河口海岸研究領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用［9-12］。目前，王崇浩和韋永康［13］創(chuàng)建了三維的水動(dòng)力和泥沙輸移模型并在珠江口進(jìn)行了應(yīng)用；朱澤南等［14］利用SELFE數(shù)值模式創(chuàng)建了珠江口潮流泥沙輸運(yùn)的三維數(shù)學(xué)模型。Delft3D數(shù)值模式的簡(jiǎn)介和正交曲線坐標(biāo)系中的水流運(yùn)動(dòng)基本方程見Delft3D手冊(cè)（Deltares，2013）和參考文獻(xiàn)［4，15］。

圖1 項(xiàng)目位置、水深地形、水文測(cè)站和模型網(wǎng)格Fig.1 Location of studied area，water depth，hydrological stations and model grid

2 模型建立和驗(yàn)證

2.1 模型建立

珠江口大范圍潮流數(shù)學(xué)模型建立及驗(yàn)證見文獻(xiàn)［4］。珠海香洲港海域模型網(wǎng)格個(gè)數(shù)為455×536，范圍約為東經(jīng)113.551°E～113.787°E，北緯22.18°N～22.37°N，ξ方向最大格距約為486 m，最小格距約為7 m；η方向最大格距約為562 m，最小格距約為6 m。模擬范圍內(nèi)的島嶼及陸域，用網(wǎng)格干點(diǎn)表示。珠江口大范圍模型上游流量給月平均值，參照《中國(guó)河流泥沙公報(bào)》［16-17］。大區(qū)模型在水系上游設(shè)置為月平均流量，外海開邊界設(shè)置為水位邊界條件，由8個(gè)分潮調(diào)和常數(shù)計(jì)算，詳見文獻(xiàn)［4］。珠海香洲港海域區(qū)域模型外海開邊界為水位邊界條件，由大區(qū)模型嵌套提供。底摩擦曼寧系數(shù)基本為0.012，每個(gè)網(wǎng)格格點(diǎn)糙率值由模型率定確定。珠江口大范圍模型模擬時(shí)間步長(zhǎng)為60 s，香洲港區(qū)域模型模擬時(shí)間步長(zhǎng)為30 s。

2.2 模型驗(yàn)證

珠江口大范圍潮流數(shù)學(xué)模型采用2007年潮位和潮流資料進(jìn)行了驗(yàn)證［4］，這里利用2011年4月17日～4 月10日和6月10日～6月12日的實(shí)測(cè)資料對(duì)珠江口大范圍數(shù)學(xué)模型再一次進(jìn)行了潮位和潮流驗(yàn)證，模型潮位和潮流觀測(cè)站位見圖1-c。模型水位驗(yàn)證結(jié)果見圖2，由圖2可見，模型能夠較好的模擬水位變化。

圖2 觀測(cè)站水位模擬結(jié)果（圓圈代表實(shí)測(cè)值，實(shí)線代表模擬值）Fig.2 Verification of water level between observation and simulation in different stations

圖3 流速、流向驗(yàn)證結(jié)果（圓圈代表實(shí)測(cè)值，實(shí)線代表模擬值）Fig.3 Verification of current velocity and flow direction

圖4 局部模型流速驗(yàn)證結(jié)果（圓圈代表實(shí)測(cè)值，實(shí)線代表模擬值）Fig.4 Verification of current velocity for detailed model

珠江口大范圍模型流速驗(yàn)證結(jié)果見圖3。香洲港附近海域流速驗(yàn)證資料來自珠海海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站2013年11月觀測(cè)數(shù)據(jù)和廣州地質(zhì)勘察基礎(chǔ)工程公司2014年9月觀測(cè)數(shù)據(jù)，觀測(cè)站位見圖1-c。香洲港局部區(qū)域模型流速驗(yàn)證結(jié)果見圖4。流速和流向模擬值與實(shí)測(cè)值誤差較小，變化趨勢(shì)相近。總體而言，珠江口大范圍模型和香洲港海域局部模型內(nèi)潮流模擬驗(yàn)證較好，模擬結(jié)果基本能夠反映研究海域的潮流運(yùn)動(dòng)特征。

圖5 濃度分布Fig.5 Distribution of concentration

圖6 濃度隨時(shí)間變化Fig.6 Variation of concentration with time

圖7 流速分布Fig.7 Distribution of velocity

3 水交換能力分析

利用保守物質(zhì)的濃度變化分析香洲港海域水體交換能力。假定香洲港海域內(nèi)初始污染物濃度為1個(gè)單位，利用數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)香洲港海域內(nèi)物質(zhì)濃度變化情況。數(shù)值模擬時(shí)間為2013年2月1日～2月28日。圖5為不同時(shí)間段香洲港海域物質(zhì)濃度分布，物質(zhì)濃度1天后下降約50%（圖5-b）。圖6-a反應(yīng)了香洲港海域內(nèi)代表點(diǎn)（代表點(diǎn)見圖5-a）物質(zhì)濃度隨時(shí)間的變化過程，圖6-b反應(yīng)了香洲港海域港區(qū)內(nèi)物質(zhì)平均濃度隨時(shí)間變化過程，物質(zhì)濃度基本呈指數(shù)形式下降。模擬結(jié)果顯示污染物濃度減少到1%需要約10 d（圖5-c），污染物濃度減少到1‰需要約16 d（圖5-d）。

香洲港海域流速較小，大潮漲急和落急時(shí)刻流速大多在0.3 m/s以下（圖7）。采用低通濾波方法，計(jì)算港區(qū)及附近海域1個(gè)月潮流產(chǎn)生的余流。結(jié)果表明，余流流速大多在0.06 m/s以下（圖8），珠海歌劇院北側(cè)和防波堤之間邊界余流朝向指向西；野貍島南部與陸地之間邊界偏陸地側(cè)余流流向指向北，偏野貍島側(cè)余流流向指向南。受珠海歌劇院、野貍島和防波堤的阻隔，邊界處余流基本指向港區(qū)內(nèi)部，香洲港海域水體與外側(cè)海域交換能力減弱。目前，防波堤和海燕橋之間靠岸一側(cè)有幾處市政污水排污口，廢水排放將使香洲港海域水質(zhì)環(huán)境受到影響。鑒于目前香洲灣海域水交換能力較弱，為提高情侶路近岸海域水質(zhì)環(huán)境，應(yīng)采取措施降低市政污水排放濃度。

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

4 結(jié)論

本文利用開源代碼Delft3D數(shù)值模式建立了香洲港海域的二維垂向平均潮流數(shù)學(xué)模型，并對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，本文所建立的模型能夠反演潮流動(dòng)力的變化過程，模型能夠用來模擬香洲港海域水體交換。模擬表明，香洲港海域水體交換能力弱，主要原因是受邊界防波堤、歌劇院和野貍島的影響，港區(qū)內(nèi)水流動(dòng)力較小。因此，要提高香洲港海域內(nèi)的水環(huán)境質(zhì)量，需要減少近岸排污量和進(jìn)一步降低排放濃度。

［1］蔣昌波，李媛，官志鑫，等.鐵山灣建港前后水體交換能力的數(shù)值模擬［J］.熱帶海洋學(xué)報(bào)，2013，32（1）：81-86. JIANG C B,LI Y,GUAN Z X,et al.Numerical simulation of water exchange capability before and after port construction in Tieshan Bay［J］.Journal of Tropical Oceanography,2013，32（1）：81-86.

［2］黃少彬，李開明，姜國(guó)強(qiáng)，等.基于MIKE3模型的珠江口水體交換研究［J］.環(huán)境科學(xué)與管理，2013（8）：134-140. HUANG S B,LI K M,JIANG G Q,et al.Research on Water Exchange in Pearl River Estuary based on MIKE3 Model［J］.Environmental Science and Management,2013（8）：134-140.

［3］林忠洲，嚴(yán)小軍，Lencart E Silva JD.象山港水體交換能力研究［J］.寧波大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版），2014（1）：1-7. LIN Z Z,YAN X J,Lencart E Silva JD.Study on the Reatures of water exchange in Xiangshan bay［J］.Journal of Ningbo University （NSEE）,2014（1）：1-7.

［4］英曉明，黃華梅.地形演變對(duì)中山翠亨人工島建設(shè)的響應(yīng)數(shù)值模擬［C］//上海市海洋湖沼學(xué)會(huì).2014學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.上海：［s.n.］，2015.

［5］QIAO L L，BAO X W，WU D X，et al.Numerical study of generation of the tidal shear front off the Yellow River mouth［J］.Continental Shelf Research，2008，28（14-15）：1 782-1 790.

［6］WARNERA J C，SHERWOODA C R，SIGNELLA R P，et al.Development of a three-dimensional，regional，coupled wave，current，and sediment-transport model［J］.Computers&Geosciences，2008，34：1 284-1 306.

［7］JIANZHONG Ge，CHANGSHENG CHEN，JIANHUA QI，et al.A dike-groyne algorithm in a terrain-following coordinate ocean model（FVCOM）：Development，validation and application［J］.Ocean modelling，2012，47：26-40.

［8］AGNIESZKA I OLBERT，TOMASZ DABROWSKI，STEPHEN NASH，et al.Regional modelling of the 21st century climate changes in the Irish Sea［J］.Continental Shelf Research，2012，41：48-60.

［9］SMIT M W J，RENIERS A J H M，RUESSINK B G，et al.The morphological response of a nearshore double sandbar system to constant wave forcing［J］.Coastal Engineering，2008，55：761-770.

［10］HU K L，DING P X，WANG Z B，et al.A 2D/3D hydrodynamic and sediment transport model for the Yangtze Estuary，China［J］. Journal of Marine Systems，2009，77：114-136.

［11］JEUKEN M C J L，WANG Z B.Impact of dredging and dumping on the stability of ebb-flood channel systems［J］.Coastal Engineering，2010，57：553-566.

［12］陸仁強(qiáng)，何璐珂.基于Delft3D模型的近海水環(huán)境質(zhì)量數(shù)值模擬研究［J］.海洋環(huán)境科學(xué)，2012（6）：877-880. LU R Q,HE L K.Study on numerical simulation of environmental quality in coastal water based on Delft3D model［J］.Marine Environment Science,2012（6）：877-880.

［13］王崇浩，韋永康.三維水動(dòng)力泥沙輸移模型及其在珠江口的應(yīng)用［J］.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2006，4（4）：246-252. WANG C H,Onyx W H Wai.Three-dimensional modelling of sediment transport in the Pearl River Estuary［J］.Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research,2006,4（4）：246-252.

［14］朱澤南，王慧群，管衛(wèi)兵，等.豐水期珠江口粘性泥沙輸運(yùn)的三維數(shù)值模擬［J］.海洋學(xué)研究，2013，31（3）：25-35. ZHU Z N,WANG H Q,GUAN W B,et al.3D numerical study on cohesive sediment dynamics of the Pearl River Estuary in the wet season［J］.Journal of Marine Sciences,2013,31（3）：25-35.

［15］英曉明，賈后磊，曹玲瓏，等.海南儋州人工島建設(shè)對(duì)海床沖淤影響數(shù)值模擬［J］.海洋通報(bào)，2014，33（5）：571-575. YING X M,JIA H L，CAO L L,et al.Numerical modeling of seabed morphological effects from the construction of artificial islands in Danzhou,Hainan［J］.Marine Science bulletin,2014,33（5）：571-575.

［16］中華人民共和國(guó)水利部.泥沙公報(bào)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2011.

［17］中華人民共和國(guó)水利部.泥沙公報(bào)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，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

華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目資助（SKLEC-KF201313）

英曉明(1979-)，男，遼寧昌圖人，博士，工程師，主要從事河口海岸環(huán)境動(dòng)力學(xué)方面研究工作。

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