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      基于數(shù)值水槽的半封閉港池水體交換能力研究

      2020-07-28 06:49:26路川藤俞敏杰羅小峰白一冰
      水道港口 2020年3期
      關鍵詞:港池口門防波堤

      路川藤,俞敏杰,羅小峰*,白一冰

      (1.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,南京 210029;2.江蘇新海港口工程有限公司,南京 211000)

      隨著社會經(jīng)濟和航運業(yè)的發(fā)展,挖入式、環(huán)抱式等諸多形式半封閉港池在沿海地區(qū)廣泛建設[1-3]。早期建設的港池受技術等因素的限制,往往對港池的水體交換問題關注較少,致使港池水體因交換能力差而引起水質(zhì)迅速惡化[4],隨著人們環(huán)保意識的增強及國家對環(huán)境問題的重視,目前港池建設除了建港利益最大化外,還需要解決半封閉港池水體流動性弱致使港池水體水質(zhì)差等問題。

      國內(nèi)外學者除了探索半封閉港池水體交換機制問題外[5-7],增加港池內(nèi)水體交換能力的工程措施逐漸成為半封閉港池研究的一個重要問題,增加半封閉港池的水體流動性一般有兩種方法,一種為設置透水防波堤或開挖人工渠道;何杰[8-9]在研究南沙挖入式港池時,指出在港池末端開挖人工通道,可有效提高港池水體交換率;張瑋[10]在研究連云港徐圩港區(qū)時,指出各港池之間設置水體交換通道,有利于港池的水體交換,且水體交換通道斷面面積及斷面形狀對港區(qū)的水體交換效果影響較大。二是在港池末端抽或注水,增加水體流動性;張瑋[11]在研究連云港徐圩港區(qū)時,通過在港池末端設置排澇或抽水泵,可明顯減小港池水體半交換周期。

      本文在前人研究的基礎上,利用數(shù)值水槽,系統(tǒng)、深入研究潮汐雙向流條件下半封閉港池水體交換問題,探討增加半封閉港池水體流動性的方法,為半封閉港池的建設提供技術支撐。

      1 數(shù)學模型

      1.1 數(shù)值模擬軟件

      本文數(shù)學模型采用數(shù)值模擬軟件CJK3D-WEM計算,CJK3D-WEM于2014年取得國家軟件著作權登記,適用于江河湖泊、河口海岸等涉水工程中的水動力、泥沙、水質(zhì)、溫排、溢油模擬預測研究。

      二維水動力水質(zhì)方程可表示為

      (1)

      式中:H為總水深,m;z為水位,m;u、v為流速矢量V沿x、y方向的速度分量,m/s;t為時間,s;f為科氏力,s-1;g為重力加速度,m/s2;Nx、Ny為x、y向水流紊動粘性系數(shù),m2/s;C為謝才系數(shù),m1/2/s;φ為水質(zhì)相對濃度;Kx、Ky為x、y向水質(zhì)擴散系數(shù),m2/s;k為水質(zhì)降解系數(shù),(m·s-1);s為源、匯項,s-1。

      式(1)可用向量形式表示為

      (2)

      計算區(qū)域采用三角形網(wǎng)格,并將單一的網(wǎng)格單元作為控制單元,水深布置在網(wǎng)格頂點,其他物理變量配置在網(wǎng)格中心,如圖1所示。

      圖1 物理量布置Fig.1 Physical quantity arrangement

      將第i號控制元記為Ωi,在Ωi上對向量式的基本方程組(2)進行積分,并利用Green公式將面積分化為線積分,得

      (3)

      方程(3)求解主要分三部分,一為對流項求解,二為紊動項求解,三為底坡項處理。對流項數(shù)值通量可采用Roe 格式的近似Riemann 解,紊動項采用單元交界面的平均值計算通過該界面紊動粘性項的數(shù)值通量,底坡項采用斜底方法處理,具體數(shù)值解法參見文獻[12]。

      1.2 數(shù)值水槽

      數(shù)值水槽長200 km,寬10 km,水深10 m,環(huán)抱式半封閉港池位于水槽的中部近岸區(qū),長和寬均為1 km,如圖2。近岸地區(qū)多為往復流,因此水槽兩端采用正規(guī)半日潮控制,潮差4 m,如圖3所示,港池附近流場見圖4。數(shù)值水槽采用三角形網(wǎng)格作為計算單元,單元總數(shù)54 778個,港池附近網(wǎng)格局部加密,最小網(wǎng)格邊長為20 m。數(shù)學模型時間步長取5 s,糙率取0.013,紊動粘性系數(shù)由k1HU*計算(k1約為0.1,U*為摩阻流速),水質(zhì)擴散系數(shù)由k2HU*計算(k2約為0.01),不考慮水質(zhì)源匯項。

      圖2 數(shù)值水槽示意圖Fig.2 Sketch of the numerical flume

      圖3 邊界控制潮型Fig.3 Boundary control tidal level

      圖4 工程區(qū)附近漲落急流場圖Fig.4 The flood and ebb flow field map nearby engineering

      1.3 水體交換計算方法

      關于水體交換問題的研究,目前一般通過物理模型或者數(shù)學模型進行研究。物理模型研究一般采用示蹤劑方法,何夢云[13]研究了改善深圳前海水質(zhì)問題的措施。數(shù)學模型研究通常采用示蹤劑或水質(zhì)點停留時間來分析,路川藤[14]研究了長江口北槽壩田污染物擴散運移情況;萬由鵬[15]通過水質(zhì)點停留時間分析,認為深圳灣在低、高潮位時刻投加示蹤劑后,水質(zhì)點停留時間差異很大。

      本文采用數(shù)學模型示蹤劑方法,初始計算時,在港池內(nèi)充滿相對濃度為1的保守污染物,連續(xù)計算9 d,分析港池內(nèi)污染物濃度的變化,如圖5。水體交換能力評價指標主要有水體交換率、半交換周期、更替周期等,本文采用半交換周期分析水體交換能力。

      圖5 港池內(nèi)污染物濃度變化過程示意圖Fig.5 Pollutant concentration change process in harbour basin

      1.4 計算工況

      本文重點研究港池口門方向、口門大小以及防波堤透水對港池內(nèi)水體交換的影響,為描述方便,防波堤根據(jù)位置不同,稱為東、西、北防波堤,如圖6。當主流方向與港池口門平行時,港池東向口門與同等大小、位置對應的西向口門,對港池內(nèi)水體交換效果相同,因此,東西向考慮港池口門向東,南北向考慮港池口門向北。為研究防波堤透水對港池水體交換的影響,在口門周邊設置透水防波堤,具體方案布置見圖6與表1。透水防波堤通過地形概化和增大糙率方法模擬,透水堤處糙率取0.025。

      表1 計算工況表Tab.1 Computational working condition

      圖6 計算方案圖(粗線表示透水堤位置)Fig.6 Computing schematic diagram

      2 港池口門不同布置形式水體交換能力研究

      圖7~圖8為防波堤為實堤時,港池口門不同布置形式港內(nèi)污染物濃度變化。港池口門與主流垂直時,如圖7,港池內(nèi)水體污染物濃度隨時間推移而逐漸降低,且港池口門越大,港池內(nèi)水體半交換周期越短,港池口門寬度為200 m時,水體半交換周期約為76 h,港池口門寬度為600 m時,水體半交換周期降低至約12 h(見表2)。港池口門與主流平行時,如圖8,港池口門寬度為200 m時,港池內(nèi)水體半交換周期最短,與港池口門與主流垂直時相反,這主要因為港池口門位于回流區(qū),口門寬度大時,復雜的水流結(jié)構(gòu)抑制污染物的擴散。港池口門與主流平行時,口門寬度的不同對港池內(nèi)水體半交換周期影響較小。

      表2 港池不同布置形式港內(nèi)水體半交換周期Tab.2 Semi-exchange period of water in different layout of harbor basin h

      因此,港池口門與主流垂直時,港內(nèi)水體交換總體效果較好,且港池口門的寬度與港池內(nèi)水體半交換周期關系密切。

      3 透水防波堤港池水體交換能力研究

      圖9為港池口門與主流垂直時,增加透水防波堤后,港池水體污染物濃度變化。防波堤透水后,各方案均能明顯縮短港池內(nèi)水體半交換周期,但不同位置防波堤透水,效果不同。西側(cè)防波堤各部位透水效果較北側(cè)差,西側(cè)防波堤北側(cè)透水效果優(yōu)于中部和南側(cè)。港池防波堤不透水時,港池水體半交換周期約為39 d,北側(cè)防波堤透水(FB4方案)后,港池水體半交換周期縮短為13.5 d,效果最為顯著,西側(cè)防波堤北側(cè)透水(FB3方案)后,港池水體半交換周期縮短為17.7 d,效果次之(見表3)。

      表3 港池口門與主流垂直時港內(nèi)水體半交換周期Tab.3 Semi-exchange period of water (vertical to the mainstream) h

      圖10為港池口門與主流平行時,防波堤透水作用下,港池水體污染物濃度變化。透水防波堤后,各方案均能大幅度縮短港池內(nèi)水體半交換周期。北側(cè)防波堤各部位透水效果優(yōu)于西側(cè)。西側(cè)防波堤各部位透水效果不同,南側(cè)透水(FA1)效果最差,港池內(nèi)水體半交換周期為40 h,較透水前縮短約42 h,北側(cè)(FA3)最優(yōu),港池內(nèi)水體半交換周期為19 h,縮短約63 h。北側(cè)防波堤各部位透水(FA4~FA6)效果基本類似,差異較小,港池內(nèi)水體半交換周期約為12 h,較透水前縮短約70 h,效果顯著(見表4)。

      表4 港池口門與主流平行時港內(nèi)水體半交換周期Tab.4 Semi-exchange period of water (entrance is parallel to the mainstream) h

      因此,各方案增加透水防波堤后,均能提升港池水體交換效率,當港池口門與主流垂直或平行時,均為北側(cè)防波堤增加透水堤水體交換效果較好。

      4 福建某漁港水體交換研究

      結(jié)合福建某漁港的開發(fā)建設,檢驗數(shù)值水槽研究成果的可靠性,以期為更多的半封閉港池的建設提供技術支撐。

      4.1 數(shù)學模型的建立

      數(shù)學模型總長約75 km,寬約67 km,如圖11。全水域采用三角形網(wǎng)格劃分單元,工程區(qū)附近網(wǎng)格加密。網(wǎng)格總數(shù)59 751個,最小網(wǎng)格邊長為6.5 m,最大網(wǎng)格邊長2 560 m,時間步長4 s。

      圖11 數(shù)學模型范圍Fig.11 The range of the mathematical model

      4.2 數(shù)學模型驗證

      圖12為潮位站潮位驗證過程線,圖13給出了大潮期間垂線平均流速和平均流向驗證,驗證點位置見圖11。經(jīng)統(tǒng)計,潮位偏差基本在0.10 m之內(nèi),潮流偏差在10%之內(nèi),滿足規(guī)程要求。

      圖12 潮位驗證Fig.12 Tidal level verification

      圖13 潮流驗證Fig.13 Tidal current verification

      4.3 港內(nèi)水體交換研究

      為增加港池水體交換能力,方案一在AB段防波堤設置透水設施,透水率為30%,長度為300 m,方案二在BC段防波堤設置透水設施,透水率亦為30%,長度為300 m,與方案一相同,如圖14。計算潮型采用大中小潮組合的半月潮型,計算時間為15 d,計算方法與上文數(shù)值水槽方法相同。

      港池位于近岸區(qū)域,從圖15可以看出,漲落急水流流向與岸線基本平行,屬于往復流特征。港池口門方向與主流方向基本一致,方案一透水防波堤與主流方向一致,方案二與主流方向垂直,可對應數(shù)值水槽方案的FA1和FA4。

      圖16為方案一、二港池內(nèi)污染物濃度變化過程與防波堤為實堤(不透水)的對比。漁港防波堤為實堤時,港池半交換周期為4.75 d,之后港池內(nèi)污染物濃度逐漸下降,由于港池內(nèi)水動力弱,水體交換能力差,15 d后港池內(nèi)污染物相對濃度仍為0.41。方案一實施后,由于東側(cè)防波堤的透水作用,港池半交換周期為2.92 d,15 d后港池內(nèi)相對濃度為0.25。方案二實施后,港池半交換周期為2.75 d,時間最短,15 d后港池內(nèi)相對濃度為0.19。

      圖16 港池內(nèi)污染物變化過程Fig.16 Pollutant change process in harbor basin

      由港池的水體半交換周期分析,方案二北側(cè)防波堤透水后,港池內(nèi)水體交換效果較優(yōu),即港池口門與主流方向一致時,在BC防波堤上(圖15)增設透水堤效果明顯,這與前文數(shù)值水槽的研究成果一致,說明數(shù)值水槽的研究成果具有一定的代表性。

      5 結(jié)論

      通過數(shù)值水槽研究了半封閉式港池港內(nèi)水體交換效率問題,主要研究結(jié)論如下:

      (1)防波堤為實堤時,港池口門方向與主流垂直時有利于港內(nèi)外水體交換,且港池口門越寬,港內(nèi)水體半交換周期越短。

      (2)防波堤增加透水堤后,港內(nèi)外水體交換效率明顯提升;港池口門與主流垂直或平行時,均為平行于主流的防波堤增加透水堤后,水體交換效果較好。

      (3)通過福建某漁港港池水體交換研究的檢驗,說明本文數(shù)值水槽的研究成果對透水防波堤的建設具有一定的指導意義。

      以上研究成果均未考慮波浪作用,在實際運用中,港池口門及透水防波堤的布置與波浪密切相關,后續(xù)研究中將考慮波浪的影響。

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