港口建设对水动力和水环境的综合影响

2020-11-09陈明波

水运工程 2020年9期

周芳，陈明波

(交通运输部水运科学研究院，北京 100088)

中国沿海处于快速工业化和城市化形势之下，大规模港口规划建设活动一直以来是我国海洋资源利用的主要形式。港口建设活动的实施，将会产生大面积的区域围填海，使得海湾水域面积逐渐缩小，伴随着潮汐和潮流发生一定变化[1]，势必对海湾的水动力条件、水体交换能力等水环境产生影响[2-5]。

本文以丹东大东港区为研究对象，水动力模拟以规划港界范围作为边界条件，采用平面二维数值模型MIKE21FM进行预测分析，模拟分析了大东港区规划建成后的潮流场变化情况，通过添加平面二维非恒定的对流-扩散模块，进行悬浮物扩散预测。废水排放预测分析采用物质输运方程，通过差分数值模拟方法模拟典型污染物浓度场，预测分析港口建设废水排水对水环境的影响。

1 港口建设周边环境现状

本文研究的港口建设区域为丹东大东港区，大东港区位于东港市南部，中朝界河鸭绿江西水道入海口西岸，南临黄海，是东北东部地区最便捷的出海通道。大东港区从北至南已建4个作业区，包含大东作业区、东沟一作业区、东沟二作业区和东沟三作业区，各作业区按功能集中布置件杂货码头、集装箱码头、大型油品码头及大型散货码头，已建作业区内人工码头岸线约12 km，填海造陆面积约22 km2。随着大东港区规划方案的实施，大东港区平面布置和作业区功能进行局部调整，规划布局新增东沟四作业区。大东港区规划实施后，将建设人工码头岸线约18 km，填海造陆面积约36 km2(新增用地全部填海造陆形成)。

大东港区周边的水环境敏感目标有鸭绿江口湿地国家级自然保护区，湿地保护区总面积为814.3 km2，其中核心区160 km2，缓冲区200 km2，试验区454.3 km2。大东港区位于自然保护区范围外，紧邻自然保护区边界。大东港区规划边界与鸭绿江口湿地国家级自然保护区位置关系见图1。

图1 大东港区规划边界与鸭绿江口湿地国家级自然保护区位置关系

2 港口建设对水动力条件的影响

规划的港界范围(已建的大东、东沟一、东沟二、东沟三作业区和规划的东沟四作业区)作为水动力模拟的边界条件，采用平面二维数值模型MIKE21FM分析港区规划建设用海对水动力的影响。MIKE21FM采用标准Galerkin 有限元法进行水平空间离散，在时间上，采用显式迎风差分格式离散动量方程与输运方程。该软件具有算法可靠、计算稳定、界面友好、前后处理功能强大等优点。

2.1 计算网格和参数选取

2.1.1计算域

预测模型所建立的海域数学模型计算域坐标范围为北纬39°08′15.11″～ 40°04′14.45″，东经123°09′00.51″～125°33′17.61″。模拟区内海域采用大网格，河道采用小网格，以实现对河道的良好拟合。

2.1.2网格设置

规划实施前整个模拟区域由6 380个节点和10 965个三角单元组成，规划实施后整个模拟区域由6 385个节点和10 950个三角单元组成；最小空间步长约20 m，最小时间步长0.5 s。为了清楚地反映规划用海对附近海域水动力环境的影响，将港口附近海域网格进行加密。

2.1.3水深和岸界

水深和岸界选取1:100万海图(10011号)、1:25万海图(11100号、11300号)、1:15万海图(11110号、11310号)、1:2.5万海图(11131号)及工程区附近海域实测水深地形测量资料。

2.1.4大海域模型水边界输入

开边界：A、B、C点均采用MIKE21全球模式预报所得连续潮位值作为开边界输入条件。

闭边界：以大海域和规划用海区周边岸线作为闭边界。

2.1.5计算时间步长和底床糙率

模型计算时间步长根据CFL条件进行动态调整，确保模型计算稳定进行，最小时间步长1.0 s。底床糙率通过曼宁系数进行控制，曼宁系数n取30～60 ms。

2.2 数值模型验证

潮位验证采用01号浮标(C1点)、3#(C2点)、大东港(C3点)3个站位2018年的大潮、中潮、小潮期间连续观测资料进行验证，潮流验证采用规划用海区周边海域L1～L11共计11个潮流观测站位2018年的实测资料进行验证[6]。

图2 模拟区内潮位及潮流验证点分布

2.3 潮流场数值模拟结果

本文模拟了港口的现状潮流场以及规划后的潮流场，分析规划实施对港区周边海域的水动力环境的影响。其中潮流场的数值模拟预测分析结果(图3)如下：

图3 计算潮流场

涨急时，港口周边海域潮流整体由SSW向NNE流，流速普遍在0.5～1.0 ms，航道内流速普遍在0.7～1.2 ms。受已建围堰的掩护作用，各港池内的流速较小，均在0.15 ms以下；港池口门处，受已建围堰的阻挡，过流断面减小，涨潮流速较大，口门东侧最大流速可达1.1 ms。第四作业区南围堰南侧，受规划填海形成陆域的阻挡作用，涨潮流流速较小。

落急时，港口周边海域潮流整体由NNE向SSW流，流速普遍在0.6～1.1 ms，航道内流速普遍在0.7～1.2 ms。受已建围堰的掩护作用，各港池内的流速较小，均在0.25 ms以下；港池口门处，受已建围堰的阻挡，过流断面减小，落潮流速较大，口门东侧最大流速可达1.45 ms。第四作业区南围堰南侧，受规划填海形成陆域的阻挡作用，落潮流流速较小。

2.4 对水动力条件的影响分析

为了进一步分析规划用海对周边海域潮流场的影响程度，在以上数值模拟结果的基础上，将规划附近海域大潮期涨急与落急时的潮流场进行差值处理，得到规划实施前后流速变化(图4)，用以定量分析规划实施对周边海域潮流场的影响。

图4 规划实施后周边海域流速变化

规划实施后，受第四作业区填海的阻挡作用，四港池陆域南侧水域涨急流速减小，最大减小幅度约0.5 ms，陆域两侧由于过水断面减小，出现一定范围涨急流速增大水域，增大幅度约0.2 ms。四港池内部涨急流速大幅度减小，大东水道上游受涨潮量减小影响，涨急流速有所减小。落急流速变化趋势与涨急相似。四港池南侧落急流速普遍减小，减小幅度略小于涨急，受四港池陆域阻挡作用，其两侧落急流速增大，四港池内部落急流速大幅度减小。

3 港口建设对水环境的影响

3.1 对悬浮物影响

3.1.1悬浮物源强估算

围填海工程实施期间对悬浮物会产生一定的影响，悬浮物是施工期最主要的水域污染物，主要发生于疏浚工程及水工建筑物施工区域、吹填区溢流口。悬浮颗粒物的产生将对海洋生态环境产生明显的扰动。疏浚作业悬浮物的源强取决于作业区域的泥沙粒径及作业机械类别，港区岸线为粉砂淤泥质海岸，适用于大型绞吸式挖泥船进行疏浚作业，根据港区现有工程疏浚作业源强估算，大型绞吸式挖泥船疏浚期间悬浮物源强约为2.7 kgs。吹填区溢流作业须在围堰预留溢流口，吹填区的泥浆水流经分隔围堰、多道防污屏的沉隔，最后经溢流口排出。溢流口悬浮物发生量约为溢流量的2%～5%，溢流源强约为0.4 kgs。水工建筑构筑期间产生的悬浮物源强为1.4～3.7 kgs。航道和港池疏浚的作业范围较大，而吹填溢流口和水工建筑施工区域的范围较小，因此悬浮物影响以航道和港池疏浚为主。

3.1.2悬浮物扩散预测

潮流是海域污染物进行稀释扩散的主要动力因素，在潮流场基础上，通过添加预测模块(平面二维非恒定的对流-扩散模型)，可进行悬浮物扩散预测。

(1)

式中：Dx、Dy为x、y方向的扩散系数；c为污染物浓度；F=aws，a为悬浮颗粒沉降机率，ws为悬浮颗粒平均沉降速度；u为悬浮物的起动速度；v为悬浮物的扬动速度；h为水深；s为悬浮物排入水体的源强。

围填海工程实施期间，疏浚作业船舶引起的疏浚悬浮物具有一定的影响范围，悬浮物增量为10 mgL浓度的影响海域主要集中于疏浚作业点周围300 m×200 m范围内。港区位于入海口，悬浮物本底浓度较高，因此，规划实施期间产生的悬浮物扰动会产生一定的可控影响，不会对工程所在海域的水质和海洋生态环境产生显著不良影响。且施工期悬浮物影响属于暂时性的环境影响，一旦施工结束，其影响也会随之结束。

3.2 对水环境的影响

3.2.1港区废水排放源强计算

通过废水统计分析，港区2030年废水产生总量约为264.87万ta，污水回用率按照《辽宁省循环经济和生态环境保护“十一五”规划》中的城市污水回用率目标值65%计算，则2030年废水排放量约为92.7万ta，即2 540 td，其中COD、石油类和氨氮的污染物浓度为50、3、8 mgL。大东港区现有排污口设在东沟一作业区中部，位于整个大东港区偏北侧，规划新增四港池后拟在三港池南侧散货作业区靠海侧新增一个排污口，用于三、四作业区的废水排放。

3.2.2废水影响预测

本文水质模拟按规划的港界范围(已建的大东、东沟一、东沟二、东沟三作业区和规划的东沟四作业区)作为边界条件，采用物质输运方程，通过差分数值模拟方法模拟典型污染物浓度场，用以定量地说明废水排放对水质的影响程度。以下方程与沿深度平均的流体动力学基本方程组一并构成污染物扩散的基本方程组。

物质输运方程为：

(2)

式中：P为污染物浓度；u、v分别为x、y向流速分量；Dx、Dy为x、y向扩散系数；S为污染物在单位时间的排放量速率；k为衰减系数；H为平均水深；p为污染物反应速率常数。

根据模拟结果(图5)，至2030年规划全部实施后，港区废水经港区污水处理站处理达标后排放，并考虑65%回用的情况下，废水排放口石油类、COD和氨氮的影响程度均较轻。COD增量大于3 mgL(海水水质二类标准)最大影响距离在400 m内；石油类增量大于0.05 mgL(海水水质二类标准)最大影响距离在240 m内；氨氮增量大于0.3 mgL(海水水质二类标准)最大影响距离在120 m内。排污口均设置在港区东侧海域，受规划填海区的阻挡作用，超过海水水质二类标准的控制范围在排污口附近最远400 m内，因此，不会扩散至港区西侧的鸭绿江口湿地国家级自然保护区，对自然保护区的影响较小。