半封闭海湾引排水口规模研究

半封闭海湾引排水口规模研究

刘磊

（连云港金海岸开发建设有限公司）

摘  要：半封闭海湾的修建可实现海洋和海岸带资源的开发与利用，其出口处往往设置引排水口，合适的引排水口规模不但能保证后方陆域的排涝需求，而且能保证海湾水质要求。以某半封闭海湾为例，针对排涝和水体交换两种工况研究对象、研究范围、控制条件的特点，采用不同研究方法，综合确定合适的引排水口规模：1）根据排涝流量，采用堰流计算公式初步确定了引排水口规模，并用一维非恒定流河网模型进行验算，分析对后方水系的排涝影响及引排水口规模在排涝要求下的适宜性；2）利用平面二维潮流和水质数学模型进行了水体半交换周期和交换率的计算，分析了水体滞留时间及引排水口规模在水体交换要求下的适宜性。

关键词：半封闭海湾，引排水口规模，平原河网区排涝，水体交换，数值模拟

1 引言

随着我国经济的快速发展，许多沿海城市通过修建半封闭海湾以实现海洋和海岸带资源的开发与利用。半封闭海湾可以减小外海潮汐、波浪和极端灾害天气对滨海区域的影响，有利于海湾内部港口码头的修建、滨海游憩场地的塑造以及海岸修复和保护等活动的开展。

为保证后方陆域排涝不受影响，同时保障海湾内的水环境质量，往往在半封闭海湾出口设置引排水口，其规模往往决定了海湾内的水质，以及海湾后方陆域的排涝情况。对于半封闭海湾的水体交换问题，近年来学者主要基于二维潮流数学模型，将海水半交换周期和水体交换率作为指标开展了相应研究[1-5]。对于感潮河段建闸的排涝问题，学者们分别通过闸上半日河川水库蓄泄能力计算法或一维非恒定水动力学模型对水闸规模、水流条件、运行水位等进行了研究[6-9]，但针对湾口建闸对后方陆域水系排涝影响的研究相对较少。本研究以某半封闭式海湾为例，针对水体交换和排涝两种工况的不同特点，分别采用堰流计算公式、一维、二维数学模型对海湾引排水口规模开展了计算分析，研究方法和成果可供类似工程研究借鉴。

2 研究方法

目前，对于引排水口规模论证的计算方法主要有两种，一种是一维水动力数学模型计算方法，计算效率高，但其应用范围较为局限，一般用于河网、城市地下管网等洪水演进计算；另一种是平面二维水动力数学模型计算方法，能较好反映海湾内的平面二维水动力和水质特征，主要用于海洋、湖泊等具有明显二维流动特性的区域。

根据本工程的平面布置，引排水口布置在环抱堤上，北面为海域，南面为海湾，海湾南面才是新城陆域，其规模论证计算不是简单的涉海或涉陆，引排水口规模论证涉及新城陆域水系排涝、海湾水体交换等，若单纯采用任何一种方法，可能导致河网模型的计算效率低下或无法反映海湾内的平面二维水动力和水质特征，而没有发挥两种计算方法各自优势，论证成果可能不尽理想。经分析，在本工程的排涝工况下，由于后方陆域水系交错，需对平原河网进行概化，更适合采用一维模型进行研究分析，可需重点关注环抱堤建设对新城闸、开泰闸及后方水系的排涝是否产生不利影响；在本工程的水体交换工况下，采用反映海湾内的平面二维水动力和水质特征的平面二维水动力数学模型进行研究分析，需重点关注海湾内部水体的整体交换率及交换率的平面分布情况，研究区域平面范围大、水动力条件复杂。

论证方案：，引排水口工程规模先可按照水闸过流能力进行初步匡算，同时，考虑到水闸过流能力计算公式无法反应排水口后方水系河网、水体交换周期和交换率，再将匡算的引排水口规模作为边界条件带入一维水动力数学模型、平面二维潮流和水质数学模型进行试算验证。最终根据排涝要求和水体交换周期及交换率要求，确定最终的引排水口规模。

2.1 闸孔总净宽计算公式

根据《水闸设计规范》，对于平地闸，当为堰流时，闸孔总净宽计算公式如下：

（1）

式中：B0—闸孔总净宽（m）；

Q—过闸流量（m3/s）；

H0—计入行近流速水头的堰上水深（m）；

g—重力加速度，可采用9.81；

—堰流侧收缩系数；

m—堰流流量系数，可采用0.385；

—堰流淹没系数。

2.2 一维非恒定流河网数学模型

本次排涝工况通过建立滨海区域一维非恒定流河网数学模型进行论证，一维非恒定流动方程组如下：

（2）

（3）

式中：Z(x,t)表示断面平均水位（m）；Q(x,t)表示断面流量（m3/s）；A(x,t)表示断面面积（m2）；u(x,t)表示断面平均流速（m/s）；C为谢才系数；R为水力半径；qi为单位河长上的支流流量。

2.3平面二维潮流和水质数学模型的建立

计算水体交换率的数学模型由水动力模型和水质模型两部分构成。在笛卡尔坐标系下，通过对水平动量方程和连续方程沿垂向进行积分，得到二维浅水方程如下：

（4）

（5）

（6）

式中：t表示时间；x、y表示横轴和纵轴坐标；表示水位；d表示静水水深；表示总水深；表示科氏力系数（为地球自转角速率，为地理纬度）；g表示重力加速度；表示流体的密度；分别表示x和y方向的表面风应力和底部切应力；表示源项；us，vs表示源项水流流速。

水质模型考虑了污染物的对流扩散和衰减。对流-扩散型的水交换模式以溶解态的保守性物质作为湾内水的示踪剂，采用对流-扩散方程作为模型方程，建立对流-扩散型的湾内水交换数值模型。通过示踪剂浓度的时空分布来反应湾内、外水体的交换情况。湾内示踪剂的初始浓度假定为C0，某一时刻变成了C1，此时湾内水被外海水置换的比率为R=(C1-C0)/C0，相应余留在原位置没有被置换的水体比率为L=1-R=C1/C0。水质模型基本方程如下：

（4）

式中：表示水平扩散项，；表示垂向平均浓度；表示水平扩散系数；表示源汇项；表示线性衰减速率；表示源汇项污染物浓度。

3引排水口规模计算分析

为改善滨水区域景观格局、提高海滨城市品质，在滨海区外海侧拟建两条总长9066m、顶高程2.1m的环抱堤，形成面积约11.1km2、平均底高程约-2.9m的半圆形海湾，同时，也将陆域侧两座水闸框围在内。后方陆域内调蓄湖和连通河道等水系所承担的涝水现状经由新城闸、开泰闸和西墅闸三座水闸排放入海。环抱堤工程实施后，开泰闸、新城闸承泄洪涝水将排入湾内；西墅闸排水则不入湾内，直接通往外海。

为保证后方防洪排涝不受影响、同时保障海湾的水质，拟在环抱堤上设置引排水口，该引排水口兼具挡潮排涝和水体交换的功能。结合水域水深地形和水动力条件，首先确定了环抱堤堤头延伸至-3.9m水深处，并在正中设置单口门的平面布置方案。

3.1引排水口规模初算

利用闸孔总净宽计算公式，按照水闸过流能力对引排水口的规模进行初算。根据本工程海域地形，本次水闸的底高程设置为-2.2m，为平底闸。经计算，引排水口的规模为160m，计算参数及结果详见表1。为保证挡潮排涝和水体交换的复合功能，将该引排水口规模作为输入条件，利用一维非恒定流河网数学模型和平面二维潮流和水质数学模型，对该引排水口规模的合理性进一步分析。

表1  引排水口规模计算表

3.2 引排水口规模合理性分析

3.2.1一维非恒定流河网数学模型计算排涝工况

通过一维非恒定流河网数学模型计算分析引排水口和环抱堤新建后对入海河口及后方水系排涝能力的影响，分析环抱堤及引排水口工程建设前后的排涝水位和排涝时间变化，以论证引排水口规模是否影响后方排涝功能。

（1）河网概化

根据水量平衡原理，将河道和湖泊进行概化，计算依据概化河网进行。河道长度根据地形测图量算，断面概化为梯形断面，有滞洪蓄淡功能的湖泊以滞洪区形式加入河网模型断面。引排水口按照模型中的控制建筑物处理，计算时设定底槛高程、闸孔规模、控制策略，并考虑合适的侧收缩系数、流量系数、闸门开启速度、最大开启高度等参数。

（2）边界条件及参数设置

根据排涝标准采用20年一遇24小时暴雨，采用《江苏省暴雨洪水图集》计算得到设计暴雨，并根据设计暴雨采用瞬时单位线法推算设计洪水过程线。按照地区当地特点，水力计算水闸下边界采用两年一遇标准高高潮位潮型，按较不利的降雨与潮位组合，潮峰错后雨峰1h计算。河道断面为相关规划设计断面，糙率土坡取0.0225、挡墙糙率取0.02。

（3）模型验证

将滨海区域片区20年一遇排涝最高水位计算结果与《连云港城市防洪规划（2008~2030）》成果相比较，开泰闸、新城闸、西墅闸闸上最高水位偏小0.01~0.02m左右，相差较小。计算水位值偏小的原因在于本次计算水面面积较规划偏大0.3km2，调蓄能力更强，因此最高水位略有偏低。模型计算开泰闸最大泄流流量225m3/s，新城闸最大泄流453m3/s，西墅闸最大泄流流量225m3/s，与以上三闸的20年一遇设计排涝流量232m3/s、464m3/s、232m3/s相比较，相差在3%以内，说明本次建立的数学模型能较好反映片区河网的水动力情况[10]。

（4）计算工况

按照排涝计算遭遇情况，暴雨遭遇高潮位涨潮时刻，由于新建环抱堤堤顶高程为2.1m，遭遇2年一遇高高潮时被淹没，海湾灌满海水，新城闸、开泰闸闸上控制水位1.4m无法排涝，滨海区域水系水位上涨；当落潮潮位低于2.1m时开启引排水口排水，海湾内水位逐步下降，当新城闸、开泰闸闸上水位高于闸下湾内水位时开闸排涝；落憩时刻海湾内水位基本已降至最低，关闭引排水口防止潮水倒灌。

（5）排涝工况计算成果分析

将引排水口净宽160m、底高程-2.2m代入一维非恒定流河网数学模型，海湾环抱堤和引排水口建成后，滨海区域水系最高水位和排涝时间变化见表2和表3。工程后，滨海区域20年一遇排涝水位相对方案实施前降低0.03~0.07m，满足滨海区域20年一遇最大24小时暴雨不成灾控制水位2.15m要求。涝水排出时间为32.92h，相对现状排涝时长减少40min。

表2  20年一遇排涝最高水位计算成果（单位：m）

表3  20年一遇排涝时间计算成果

3.2.2 平面二维潮流和水质数学模型计算水体交换工况

（1）计算区域和网格

据工程区海域潮波运动特点，计算区域边界范围选择从海州湾北端岚山港到南部小丁港。模型南北长56.1km，东西宽42.8km，包括整个海州湾海域。模型采用无结构三角网格，最大网格边长为700m，最小网格边长5m，网格节点数41754，网格单元数82669。

（2）初始条件和边界条件

对流扩散模型采用溶解性保守物质进行模拟，由于模拟主要研究海湾内外水体的交换情况，整个湾内采用面源示踪剂一次性投放，初始浓度为1.0g/L，湾外及模拟区域的边界浓度做概化处理，取为0。

（3）模型验证

依据2016年5月大潮时段工程区海域9个潮位站的潮位和同期2条垂线实测潮流资料对工程区域平面二维潮流数学模型的潮位和流速流向进行验证。根据验证结果，计算潮位和实测潮位吻合较好，振幅误差均在10cm以内，相位误差在0.5h以内；最大流速和平均流速计算值与实测值的偏差均在5%以内，流向的偏差在10°以内，说明本次建立的数学模型能较好模拟海域的流场特征[11]。

（4）计算工况

海州湾内潮汐属正规半日潮，以典型大潮过程为例进行水体交换计算，得出24h、48h、72h的水体交换率分布情况。

（5）水体交换工况计算成果分析

通过建立的水质数学模型，以溶解态保守性物质为示踪剂，计算海湾与外海的水体交换率，并得湾内与外海水体置换50%和80%所需的时间，以评价湾内、外水体交换能力。

环抱堤中间设置口门的方案下，外海水体在涨潮时段通过口门进入湾内，受到口门缩窄的影响，外海水流在进入湾内时流速急剧增大，水流沿垂直等深线方向冲向岸后，在湾内形成西部顺时针、东部逆时针的两个对称环流，并在落潮时段从口门流出。受环抱堤和岸线平面形态以及环流流态的限制，堤根部的流速较小。

湾内的水体交换能力主要受到水动力条件的影响。中间设置口门下的流态有利于外海水体与海湾中部水体掺混，涨潮时外海水体通过口门进入湾内，水体在湾内形成回流，回流能将外海水体与湾内水体充分掺混，落潮时能将掺混的水体带出港外。从图5的示踪剂浓度分布率可以看出，正对口门的中部水域水体交换条件较好，而远离口门的环抱堤沿线，特别是防波堤根部两端，水体交换条件较差，水体掺混能力相对较小。引排水口的建设能使海湾内水体与外部进行充分交换，24小时后，除环抱堤沿线和防波堤根部两端区域以外，海湾内水体基本能交换50%；72小时后，除部分区域外，水体基本能交换80%，基本满足一般情况下发生水体富营养化问题的滞留时间不大于4～14天的要求。

4 结论

（1）半封闭海湾的引排水口通常兼具挡潮排涝和水体交换的功能，其规模的合理性需针对不同功能下关注的研究范围、研究对象和控制条件进行论证。一维水动力数学模型计算效率高，但其应用范围较为局限，适用于重点关注后方陆域水系排涝水位和排涝时间的排涝工况；平面二维数学模型则可模拟具有明显二维流动特性的海湾流场和水体交换分布，适用于重点关注海湾内部的水体交换率和交换时间的水体交换工况。

（2）半封闭海湾引排水口规模的确定可利用闸孔总净宽计算公式，根据水闸过流能力进行初算，相应的规模可作为一维非恒定流河网数学模型和二维潮流数学模型的边界条件，进一步对排涝工况和水体交换工况论证分析。

（3）通过一维非恒定流河网数学模型对排涝工况进行计算发现，在该引排水口规模下，后方水系在设计泄洪流量时刻的最高水位略微降低、排涝时间有所缩减，即该引排水规模下，环抱堤工程建设对后方入海河口泄洪能力不会造成不利影响。

（4）通过平面二维潮流数学模型对水体交换工况进行计算发现，通过设置引排水口，4小时后海湾内水体基本能交换50%，72小时后水体基本能交换80%，即设该引排水规模下，海湾内部水体能与外海进行充分交换，基本满足滞留时间不大于4～14天的要求，从而保证湾内水质。

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