深圳河径流量对深圳湾水体交换影响数值模拟研究

    孟江山+张功瑾

    

    

    

    摘 要：以建立的深圳湾二维潮流水质数学模型为基础，研究了深圳河径流量对深圳湾水体交换的影响。研究表明，深圳河清水下泄时，深圳湾水体半交换周期随深圳河径流量的增大而减小，当径流量小于20m3/s时，深圳湾大桥北侧水域水体半交换周期大于整个深圳湾，大于20m3/s时，深圳湾大桥北侧水域水体半交换周期小于整个深圳湾。深圳湾大桥南侧水域，水体半交换周期基本稳定在16～17天之间。深圳河排污时，深圳湾水体半交换周期明显增大。

    关键词：深圳湾；水体交换；CJK3D-WEM；数值模拟

    中图分类号：U652.3 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2017）03-0057-03

    深圳湾位于深圳市和香港市之间，随着社会经济的发展，大量生活、工业污水进入深圳湾，深圳湾的水质问题越来越突出，这与珠江口水动力弱，深圳湾水体交换能力差也有一定关系。本文旨在研究现状条件下深圳湾的水体交换问题，探索深圳河径流量与深圳湾水体交换的关系，为改善深圳湾水质问题提供技术支撑。关于水体交换问题的研究，目前一般有两种方法，物理模型和数学模型。物理模型一般采用示踪剂方法，如何梦云研究了改善深圳前海水质问题的措施。数学模型通常采用示踪剂或水质点停留时间来分析，如何杰以珠江口南沙港区挖入式港池为例，通过数学模型示踪剂方法模拟了港池的水体交换状况；路川藤研究了长江口北槽坝田污染物扩散运移情况；万由鹏通过水质点停留时间分析，认为深圳湾在低、高潮位时刻投加示踪剂停留时间差异很大，平均停留时间为5.39d，深圳湾沿着中轴线由内湾至湾口，停留时间逐渐减小，湾内8d左右，到湾口，停留时间约为2d。水体交换研究在空间上多为中尺度和小尺度研究，主要研究局部水动力问题。如刘新成、黄少彬分别研究了中尺度条件下长江口与杭州湾、珠江口的水体交换问题；张玮、英晓明分别研究了小尺度条件下连云港徐圩港区、珠海香洲港水体交换问题。关于深圳湾水体交换的研究相对较少，除文献外，任华堂分析了季深圳湾水污染输移扩散特性，万由鹏认为深圳湾枯水期和丰水期的平均水体交换时间分别为14.52d和8.95d。本文在前人研究的基础上，深入研究深圳湾水体交换问题并探索深圳河径流量与深圳湾水体交换的关系。

    1 数学模型

    1.1 数值模拟软件

    数学模型采用南京水利科学研究院开发的水环境数值模拟软件CJK3D-WEM计算。该软件于2012年取得国家软件著作权登记（软著登字第0433442号），2013年通过中国工程建设标准化协会水运专业委员会组织的软件鉴定，并纳入“水运工程计算机软件登记”（目录号：KY-2013-01）。适用于江河湖泊、河口海岸等涉水工程中的水动力、泥沙、水质、温排、溢油模拟预测研究。

    1.2 数学模型范围与参数

    数学模型上边界至大虎山，蕉门一带，下边界至桂山岛上游，模型总长约71km，如图1。整个模拟水域采用三角形网格单元，单元总数33323个，最小网格边长30m，最大网格边长1225m。数学模型时间步长30s，动边界水深取0.02m，紊动粘性系数取常数1.0，糙率取0.013+0.012/h（h表示水深），水质模型扩散系数取2。

    1.3 数学模型验证

    数学模型地形采用珠江口2010年大范围实测地形。数学模型验证采用2004年10月17日14：00～10月18日14：00大潮潮型，验证点位置如图2所示。由潮位潮流验证图（图3）知，高低潮位偏差基本在0.10m之内，且相位符合良好，平均流速偏差基本10%范围内，满足规程要求。

    1.4 计算条件

    深圳湾入海径流量较大的河流主要有深圳河、大沙河和元朗河（图2）。深圳河常年径流量在10～30m3/s之间，大暴雨时可达60m3/s，大沙河常年径流量一般小于6 m3/s，元朗河常年径流量一般小于3 m3/s，本文径流主要考虑深圳河，大沙河与元朗河考虑恒定流量清水下泄。为做到尽量与天然水流动力相似，数学模型水动力条件采用大、中、小潮组合潮型，大潮潮差约为2.5m，小潮潮差约为1.2m。

    初始计算时，深圳湾及深圳河放置浓度为1的保守污染物，深圳河下泄不同径流量，具体计算工况组合如表1，共7种工况。计算时间为60天。

    2 深圳湾水动力特征

    2.1 潮波传播特征

    潮波自深圳湾口门向内湾方向传播，潮差具有逐渐增大趋势，如大潮潮位过程，采样点见图2，这与深圳湾为半封闭海湾有关系。深圳湾口门处A点大潮平均潮差为2.21m，至B点时为2.33m，C点为2.42m，D点为2.46m，潮差增加速度呈递减趋势。

    2.2 水动力特征

    深圳湾涨潮水动力明显强于落潮，但历时较短，大潮涨急流速一般在0.8～1.0m/s之间，落急基本小于0.8m/s。深圳湾涨落潮水动力分布趋势基本类似，自口门向口内，水动力强度呈逐渐减弱趋势。深圳湾口门处，南侧水动力明显强于北侧，主要因为北侧深圳港水深开挖较大；深圳湾大桥处，北侧水动力强于南侧，与口门处相反；内湾两侧浅水区水动力较弱，深槽内水动力相对较强。

    3 深圳湾水体交换研究

    图3及表2为深圳河不同径流量的清水下泄时，深圳湾的水体交换情况。对于整个深圳湾来说，随着深圳河径流量的增大，深圳湾水体半交换周期时间逐渐缩短，当深圳河无流量时，深圳湾水体半交换周期为34.6天，当深圳河径流量为60m3/s时，深圳湾水体半交换周期为12.0天。对于深圳湾大桥北侧水域，水体半交换周期亦随深圳河径流量增大而减小，与整个深圳湾类似，差别在于，當深圳河径流量小于20m3/s时，深圳湾大桥北侧水域半交换周期大于整个深圳湾，且径流量越小，差别越大，见表2，当深圳河径流量大于20m3/s时，深圳湾大桥北侧水域半交换周期小于整个深圳湾，这主要因为考虑深圳河清水下泄，大桥北侧污染物在下泄径流的作用下向口外运动。对于深圳湾大桥南侧水域，水体半交换周期基本稳定在16～17天之间。

    上文未考虑深圳河排污影响，当深圳河排污时（浓度为1，径流量为10m3/s），深圳湾水体交换情况如图4。由图知，当深圳河持续排污时，深圳湾水体半交换周期明显增大，整个深圳湾为46.1天，相比清水下泄增加16.7天，大桥北侧60天后，水体平均浓度为0.66，未到达水体半交换，大桥南侧为16.8天，可见深圳河排污对深圳湾水体交换，尤其是内湾，影响较大。对深圳湾水质治理而言，严格控制排入深圳湾的污染源，对于改善深圳湾水质具有非常重要的作用。

    4 结论

    （1）潮波自深圳湾口门向内湾方向传播，潮差逐渐增大，增加速度呈递减趋势。深圳湾涨潮水动力明显强于落潮，深圳湾口门处，南侧水动力明显强于北侧，深圳湾大桥处，北侧水动力强于南侧，内湾浅水区水动力较弱。

    （2）深圳河清水下泄时，深圳湾水体半交换周期随深圳河径流量的增大而减小。当径流量小于20m3/s时，深圳湾大桥北侧水域半交换周期大于整个深圳湾，大于20m3/s时，则小于整个深圳湾。深圳湾大桥南侧水域，水体半交换周期基本稳定在16～17天之间。深圳河排污时，深圳湾水体半交换周期明显增大。

    参考文献：

    [1] 何梦云，莫思平. 深圳前海水廊道水体交换物理模型试验研究[J]. 人民长江，2016，05：17-22.

    [2] 何杰，辛文杰. 潮汐河口挖入式港池水体交换研究[J]. 水利水电科技进展，2011，04：90-94.

    [3] 路川藤，黄华聪，钱明霞. 长江口北槽丁坝坝田区潮流及污染物迁移扩散特征[J]. 河海大学学报（自然科学版），2016，03：265-271.