游艇码头水质保障数值模拟

孔令双，顾峰峰，沈 淇，王 巍

（上海河口海岸科学研究中心，上海 201201）

宁波市万年基业游艇码头位于宁波市北仑梅山水道西北侧（见图1），港池及其临近区域的建设通过开挖和回填的方式进行，港池挖深至底高程-3.50 m（1985国家高程基准）。港池水体与梅山水道连接，梅山水道南北两端兴建围堤，工程建成后，水道内为几近静止的水域环境。港池内水体流通会把港池内的污染物质输移出港池，帮助水生物数量稳定在合理范围内，减少有毒物沉积。港池内水体流通主要依靠港池边壁的进水系统驱动。

水体中污染物质扩散输移的数值模拟建立在水动力模型基础上，关于水动力以及污染物质输运的数值模拟已有诸多研究成果[1-10]。本文采用三维数学模型模拟宁波市游艇码头港池污染物质输移特性，评估通过水体循环达到水质置换效果。

图1 游艇码头位置图

1 模型计算条件

模型水动力及物质输运采用上海河口海岸科学研究中心自主研发的三维水动力、泥沙及物质输运模型。该模型采用三角形网格，能很好地模拟复杂岸线，物理量守恒，精度和计算效率高，已经应用于多项研究中。

模型控制方程采用有限体积法进行离散求解，离散方法采用Casulli半隐格式，即水流连续方程中流速梯度项，动量方程中水位梯度项采用θ法；对流项、扩散项和科氏力项采用显格式；摩阻项采用隐格式。

1.1 计算范围和网格

模型计算区域包括梅山水道和拟建游艇港池（内港池、南港池、北港池）（见图2、图3）。模型整个计算域面积约 1 060.00×104m2，容积约 3 760.00×104m3；内港池面积约3.40×104m2，容积约11.90×104m3；南港池面积约3.50×104m2，容积约12.25×104m3；北港池面积约2.10×104m2，容积约7.35×104m3；整个开挖面积约16.10×104m2，容积约 56.35×104m3。

模型计算网格为三角形网格，空间步长最小0.10 m（见图2、图3）。

图2 计算区域及计算网格图

图3 港池局部区域网格图

1.2 计算地形

梅山水道计算地形采用2013年2月实测地形（见图4），港池为挖入式港池，底部高程为-3.50 m（1985国家高程基准）。

1.3 初始条件

图4 模型计算地形图

设定的初始条件为3个港池范围内的所有水体受到100%污染，梅山水道为清水环境，污染浓度为0%（见图5）。污染水体在流动水体携带下向外海输移，港池内的污染物浓度降低。

图5 初始污染物浓度分布图

1.4 边界条件

港池的水体流动驱动力主要依靠港池边壁处的进水，在进入港池的流动水体和水位差的驱动下，港池内的水体流动，从而携带水体中的污染物质输出港池。

1.5 模型计算说明

本次计算主要考虑港池水体与梅山水道水体交换的能力，在港池边壁供水驱动的作用下，使得港池内的水体流动起来，携带污染物质出港池，进入梅山水道，进而在潮涨潮落的过程中输移入海，从而净化港池内的水体。污染物质的运动只考虑随水流的迁移和扩散，不考虑其它形式的运动。

2 计算方案及结果

由于游艇码头港池开挖项目一期主要针对内港池的开挖利用，南港池和北港池的开挖利用在后期进行，因此本次计算方案重点是对内港池供水口设置方案的水体循环进行计算，南港池和北港池初步设置1个供水口。

2.1 方案说明

内港池供水口设置流量为0.50 m3/s，出水点沿港池南侧小范围分布。配置1路DN 600及1路DN 500总管，共分17路DN 200支管、12路DN 200支管配水，均为侧面出水（见图6），每路支管均开设Φ 100出水孔3只（见图7）；南港池供水设计流量为0.60 m3/s，北港池设计流量为0.35 m3/s，南港池和北港池各设置1个供水口。

图6 内港池出水孔平面布置

图7 纵向出水孔布置

2.2 计算结果

图8 为方案水体置换1 ～ 10 d港池污染物浓度分布图（垂向平均）。从计算结果看，内港池水体循环4 d后，港池西侧浮码头区域污染物质浓度还较高，在10% ～ 30%，其它区域污染物质已基本排输干净；水体循环5 d后，纯净水域面积向外扩展，港池西侧浮码头区域污染物浓度均在20%以内；水体循环6 d后，港池内污染物的浓度基本均在10%以内（小部分区域为11%）。由于内港池出口处浮码头的影响，在出口弯道北侧存在污染物浓度超过10%的区域，该区域的范围和浓度值随着时间逐渐减小。7 d以后，该区域的浓度在40% ～ 60%；8 d以后，该区域的浓度在40%以内；9 d以后，该区域的浓度在30%以内；10 d以后，该区域的浓度在20%以内，且浓度超过10%的区域面积逐步减小为仅一岸壁附近窄长条小区域。

图8 计算方案内港池浓度分布图

3 结 语

本文针对宁波市游艇码头开挖式港池的污染物输移扩散问题，利用三维物质扩散数学模型进行模拟计算。因出水孔的直径为100 mm，所以网格空间步长最小为0.10 m。游艇码头内港池边壁设置29路进水管路，南北港池各设1个进水管路。在初始水体静止的条件下，向港池内输水，在水流的驱动下，港池的水体流动起来，将污染物质向港池外输送。计算结果表明，内港池水体循环4 d后，港池大部分区域的污染物质已基本排输干净，港池西侧浮码头区域由于浮码头的阻挡作用污染物质浓度还较高。随着外界水体的输入，港池内污染物的浓度和范围不断减小。7 d以后，港池内污染物质几乎排输干净，在内港池出口弯道北侧区域的浓度在40% ～ 60%。10 d以后，污染物浓度超过10%的仅岸壁附近窄长条小区域。

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