通州湾港区水交换能力提升技术研究

高 飞 ，施逸辰，张长宽

(河海大学 港口海岸与近海工程学院，南京 210098)

江苏省沿海具有滩涂宽广、坡缓水浅、海面开敞、泥沙运动活跃的特点，采用环抱式港池是较适合的选择。然而环抱式港池内的水质，特别是远离港池口门的港池水域内的污染水体不易被排出港池，因而易造成港池内的水质恶化。

针对环抱式港池内水质易于恶化的问题，国内外众多学者和工程技术人员已开展了大量的研究和工程技术开发工作[1-9]，笔者也收集和分析了国内外关于促进港池水交换的研究和技术资料[10]，将目前为止的水交换提升技术进行了整理和分类，并通过理论分析提出了降低港池水体污染浓度的三种方法：(1)增大港池水体交换量；(2)促进港池内水体流动，提高水体混合稀释；(3)向港池内注入洁净水体，在港池内形成从港池顶端向口门的穿港流动。其中，以方法(3)的效果最优，然而前提是具备形成足够强劲穿港流动的条件。

本文基于上述研究成果，以位于南通市通州区东部的通州湾港区为例，探讨形成穿港流的方法及降低港池水体污染浓度的效果；并采用数值模拟的方法，通过提升港池水交换能力的技术比较，提出适合该港区提升水交换能力的技术方案。

1 通州湾港区规划

通州湾海域以位于遥望港大桥的入海河口为湾顶，湾顶南部海岸线呈西北—东南走向，北部海岸线基本呈南北走向。由于近年沿岸围垦开发，湾顶北部陆地向东延展，使得湾顶附近包括吕四港以北海域形成为半封闭海湾。为了适应该省经济建设发展的需求，在现有沿岸滩涂资源开发利用的基础上，利用通州湾海域的小庙洪水道和三沙洪水道作为深水航道，提出了通州湾港区的发展前景[11]。规划后的通州湾港区平面布置如图1所示。

图1 通州湾港区规划示意图

通州湾港区基本位于潮流辐聚辐散的焦点位置，拟建南、北港池的口门分别正对着该海域的两条主要潮汐水道，因此从广范围而言新规划港区对周边潮流场不会引起较大的改变，仅对港区局部流场产生影响。此外码头建设将使得水域面积减少，导致该海湾的纳潮量相应减少，其结果反应在潮汐水道的涨落潮流速变化上。

另外，拟建的新码头向东延伸，阻隔了冷家沙前缘深水区水道的潮流向南的水体交换，尤其是与南侧的吕四港区形成了半封闭港湾，增大了在通州湾港区内湾的由于水体交换不足而可能导致的水质恶化风险。

2 通州湾港区水体交换特性

2.1 通州湾海域地形及潮流特征

通州湾海域是江苏省沿岸典型辐射沙洲群南缘的一部分，主要为两沙(腰沙、冷家沙)三槽(小庙洪水道、三沙洪水道和冷家沙前缘深水区)相间分布的动力地貌结构。具有以湾顶为焦点的辐射状沙洲与潮汐水道相间的地形特点。

《南通港通州湾港区规划方案水文测验报告》[12]中的现场观测结果显示：该海域潮流特征是以湾顶为辐聚辐散的焦点，近岸处及潮汐水道中以往复流为主，开敞水域旋转流特征比较明显；潮汐水道深槽中最大流速普遍大于开敞水域。沿岸余流不明显，潮流特性随季节变化不大。大潮和小潮潮流强度差异明显。图2为数值模拟的该海域涨潮时和落潮时的流场图。

2-a 涨潮流 2-b 落潮流

2.2 通州湾港区现状的水体交换特性

由通州湾海域潮流特性可见，每一次潮汐过程都是以湾顶为焦点，涨、落潮流主要通过潮汐水道辐聚辐散的过程，并伴随着极其微弱的东南走向的沿岸余流，这一潮流特性将影响到该海域的污染物质的输运过程。为了掌握该海域水体交换的特性，本文采用平面二维污染物质移流扩散的数学模型，模拟该海域保守污染物质在潮流作用下移流扩散的变化过程。潮汐期间采用具有水文实测资料的2012-02-19零点—2012-03-10零点，包括大、中、小潮共计20 d的潮汐过程[12]。模拟中于2012-02-20零点在湾顶水域投放浓度为1个单位的保守污染物质作为示踪剂，而后观察污染物质随着潮流移流扩散的变化过程和分布。

为对比港区规划对通州湾水体交换能力的影响，首先实施了现况岸线情景下的该海域污染物质的移流扩散变化过程的模拟。图3-a中标注区域为污染物质初始投放位置，3-b为污染物质在投放后经过456 h(19 d)污染物质浓度的分布。

3-a 初始污染物质投放位置 3-b 456 h后示踪剂分布

结果显示：该海域的污染物质随涨、落潮流以湾顶为焦点辐聚辐散，依靠水流运动引起的水体混合污染物质以较慢的速率向外海扩散，同时随着微弱的余流向东南方向漂移，在湾顶附近污染物质则长时间残留。这一结果表明在该海域的水体交换能力较弱，一旦在该海域造成污染物质排入将可能导致该海域水质的恶化。

2.3 建设后通州湾港区的水体交换特性

新规划的通州湾港区在平面格局上发生了较大的变化，除增加南、北两个环抱式港池外，新建码头向东方向延伸约20 km，使得在通州湾湾顶部也形成了仅有东南面开口的环抱式港湾。因而在考察新增港池的水体交换能力的同时，也必须重视规划后的通州湾湾顶部海域水体交换能力的变化。拟建的南、北港池内的水体交换主要依靠潮汐水道的涨、落潮流来实现，冷家沙北侧深水槽前端的新码头阻隔了南北向的水体交换，因此在湾顶部水体的交换仅能靠南港池南部的港湾开口部的涨落潮流来实现。据此，可以基本判断出建设后的通州湾顶部水域的水体交换能力将较明显低于现在的水体交换能力。

为了证实这一点，在新规划的湾顶部与图3所示同样位置投放污染物质示踪剂，同时在拟建的南、北港池内也投放污染物质示踪剂并进行数值模拟，结果显示于图4。

4-a 初始污染物质投放位置 4-b 456 h后示踪剂分布

与图3相比较，由于新规划码头的阻隔作用，就整体而言污染水体基本没有向北的移流扩散，在湾顶水域的污染浓度相对较高。表明规划后在通州湾湾顶海域的水质有进一步恶化的风险。此外，新规划的窄长形的南、北港池内的水交换能力也非常微弱，尤其是北港池纵向深度较长，水体交换能力最弱。

3 通州湾港区提升水体交换能力的工程技术探讨

3.1 水体交换能力提升技术筛选

传统的提升港池水交换能力技术主要包括：(1)开通港池内外水体通道；(2)抽(灌)水；(3)引入河渠水；(4)海水交换型防波堤等四种[10]。技术(1)的原理是利用潮汐的往复流动来促进港池内外的水体交换，而正因为潮汐水流特点是往复流动，在一个往复过程后水体中的污染物质又会回到原有位置，真正的效果仅来自于每次的往复流动时新鲜水体与污染水体的稀释混合，逐渐将污染水体扩散到远方区域。技术(2)、(3)和(4)的特点是可以在港池内形成单方向的穿港流动，将港池内污染水体逐渐带出港池。在通州湾，内湾水域面积宽广、水体容积大；周边地点也没有合适的可供取水的河渠；港区外侧水深浅及泥沙运动活跃，因此技术(2)、(3)和(4)实际上均无法被采用。

然而，作者在既往的研究中已经判明，形成港池内或港湾内的穿港流动(单一方向净流动)是提升水体交换能力的有效方法[10]。若能够解决可供形成穿港流的水源问题，形成具有足够强劲和稳定的穿港流，将对港池或港湾的水体交换带来较好的提升效果。因此，本文通过对通州湾港区周边水域的考察，提出了围筑蓄水水域、利用潮波天然动力形成穿港流的新方法[13]。并通过数值模拟对比和考察技术(1)即开通水体通道的方法与本文提出的形成穿港流的方法在该水域的提升水交换能力的效果。

3.2 开通水体通道

为促进通州湾港湾和拟建南、北港池的水体交换，将港湾水域与新规划码头北侧水域，拟建南、北港池顶部与港池外水域用水体通道将其开通(图5-a)。并采用与前述无对策情景相同条件的数值模拟来考察开通水体通道后的水交换能力的提升效果。

5-a 水体通道开设位置 5-b 污染物质移流扩散分布图

图5-b是开通潮汐通道后污染物质移流扩散的分布图。与无对策情景(图4)相比较，污染物质可以通过潮汐通道向北移流扩散到码头北部，湾顶水域的污染浓度略有所下降。南、北港池深部水体通过水体通道可以与港池外水体进行交换，港池内水体污染浓度也有明显降低。

但是就港湾水域整体而言，污染物质浓度的整体分布除了向北有些微扩展外，基本上没有太明显的改善。这是因为(1)港池内的污染物质仅仅是被移流至港池外，对包括港池在内的港湾而言污染物质的量并没有变化；(2)规划港区位于潮流辐聚辐散的焦点，除了极其微弱的东南走向的余流外，潮流的往复流动实质上无法形成移流运动将污染物质带离该水域，水体中的污染物质仅能够凭借潮流引起的水体稀释混合向周围扩散。

因此，采用开通水体通道方法虽可降低港池内水体污染浓度，但对通州湾港湾水域而言水体交换能力的改善效果明显不足。

3.3 形成穿港流

在通州湾港湾水域若想要形成足够的穿港流，其关键技术在于如何引入足够的水量注入港湾。针对这一技术难点，本文提出打造生态湿地，利用潮汐的天然动力蓄水注入港湾的提升水交换能力的方法。

技术原理为：围筑蓄水水域并开设闸门，蓄水水域与港池(湾)之间采用水体通道连接(图6)。涨潮时打开蓄水水域的闸门，潮水流入蓄水水域；落潮时关闭蓄水水域闸门。亦即蓄水水域闸门随潮位变化关闭和开启，在闸门处使得潮水只进不出。始终保持在高水位的蓄水水域的水体则通过水体通道流入港池(湾)，在港池(湾)形成单向流动的穿港流动将污染水体带出港池(湾)。

图6 形成穿港流技术原理图

按上述方法将通州湾新规划港区北侧沿岸水域采用堤防围筑成蓄水水域。蓄水水域的北侧围堤上设置若干闸门，南侧新建码头位置采用水体通道连通新规划的通州湾港湾和拟建港池(图7-a)。涨、落潮时通过闸门开闭，使得蓄水水域始终保持在较高的水位，蓄水水域内水体通过水体通道流入拟建码头南部的港湾和港池，在通州湾港湾形成穿港流动。图7-b显示的是采用该方法后，在与前述开通水体通道方案相同的计算条件下，污染物质移流扩散分布的数值模拟结果。

7-a 位置示意图 7-b 污染物质移流扩散数值模拟

图7显示出无论是通州湾港湾还是南、北港池的污染水体均基本被排出，与前述的开通水体通道方法相比大幅改善了水交换能力。这是由于采用形成穿港流方法后改变了通州湾港湾及南、北港池的流场，形成的向海方向的净流动将污染水体带出港湾。

3.4 水体交换能力提升效果比较

将以上不采用对策的无措施、采用开通水体通道和本文提出形成穿港流的三种情景的初始污染浓度在投放19 d(456 h)后，初始浓度设定区域范围内的污染浓度进行了平均，并比较于表1。

表1 投放19 d后初始浓度设定区域范围内的污染浓度平均值

如表1所示：采用开通水体通道方法的19 d后的南、北港池和通州湾港湾的污染浓度分别降低为无措施的14.15%、9.57%和36.73%；采用本文提出的形成穿港流方法的19 d后的南、北港池和通州湾内湾的污染浓度分别降低为无措施方案的0.68%、0.52%和0.75%。即采用形成穿港流方法相比于采用开通水体通道方法，在南港池、北港池和通州湾港湾的水体交换能力分别提升了21倍、19倍和49倍。结果表明，本文的形成穿港流方法对提升通州湾港池和港湾的水体交换能力具有显著效果。

4 形成穿港流技术的应用

4.1 关于形成穿港流技术

本文提出的利用潮汐涨落的天然动力，涨潮时在蓄水水域蓄水，落潮时蓄水水域内的水体经水体通道流入港池(湾)，形成穿港(湾)流，有效经济地解决了形成穿港流的水源和水量问题，促进港池(湾)水体交换方法，其前提是具备可供蓄水的空间。自从海洋资源保护、生态环境恢复问题在全球范围内得到高度重视以来，制定的海洋资源开发和利用的政策和法规则保证了本文所提出的形成穿港流方法的可行性。因为，蓄水水域里可供使用的有效水量为高、低潮之间的水体，蓄水水域不需要太大的水深；根据港区周边的布局和环境可以将蓄水水域用于创造生态湿地环境，供水生动植物、鸟类等生物栖息，或可打造成亲水空间，这符合建设绿色港口、海港资源可持续开发利用的宗旨。

该项技术不仅适用于类似于通州湾港区具有设置蓄水水域海域的地点，对于不具备设置蓄水水域海域的地点，则可以在陆域采用挖入式的方法形成蓄水水域(图8)。蓄水水域的一端面向外海并设置闸门，涨潮时开启闸门让海水流入蓄水水域；另一端采用水体通道与港池(湾)相连接，让蓄水水域内的水体流入港池(湾)。

图8 陆域挖入式蓄水水域

该方法形成的穿港流动叠加于潮流之上，将增大港池(湾)内的落潮流、减小其涨潮流，从而产生向口门方向的净流动。这将减少港池(湾)口门和航道内的泥沙落淤。此外，蓄水水域相对于闸门宽度而言面积宽广，具有沉积水体中泥沙的功能。在挟沙水流通过闸门流入蓄水水域并流经水体通道的过程中，潮水所携带的大部分泥沙将沉积在蓄水水域，蓄水水域具备有沉沙池的功能，不会导致大量泥沙流入港池(湾)。而蓄水水域由于水深浅，沉积泥沙易于疏浚，与流入港池(湾)泥沙的疏浚相比，其工期短、费用相对较低，亦不会影响港口码头的生产运营。

4.2 关于形成穿港流技术的若干问题和建议

蓄水水域在选址设置时需考虑港池(湾)所在海域的海流或潮流余流的方向，建议蓄水水域的闸门设置在港池(湾)的上游，避免从港池(湾)排出的污染水体迂回到蓄水水域，降低水体交换能力的提升效果。

港池(湾)内有对船舶的泊稳要求，过于强劲的水流不利于船舶的停泊作业，因此在设计穿港流的时候需要计算出合适的水体通道的流量、水体通道入出口流速和出口的位置。此外，蓄水水域的面积和闸门设计也要考虑海水流入量和流速的大小。

水体通道可以采用开挖成明渠水道，或采用在工厂预制成的“U”字形钢筋混凝土槽直接铺设，水道上面采用钢筋混凝土床板铺设。为了减少泥沙的流入，建议采取扁浅形水道表层引水。为了防止水流倒流，可以设置单向流动阀门。另外，建议在水体通道的两端设置闸门以便于通道的维护管理。

蓄水水域闸门的开启关闭，目前可以通过内外侧的水位追踪实现自动化操作，这需要设置水位观测点和提供动力源。闸门的无动力开启关闭技术在理论上是可行的，如何转化为实用技术尚需今后的开发。

5 结语

随着我国经济建设的发展，在沿海地区海洋资源开发利用的同时，必须高度重视和大力做好海岸带生态环境资源的保护工作，坚持走可持续发展道路。在此背景下，本文提出了通过打造生态环境湿地解决水源、利用潮波动力解决取水和注水，在港池或港湾形成穿港流动达到提升水交换能力的方法。该方法显示出提升水体交换能力效果的优势，但关于蓄水水域面积大小、水体通道过水面积和潮差与穿港流强弱之间的关系等有待较详细的探讨，今后将就这些细节结合工程实例展开进一步的研究开发工作。